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武汉理工大学本科生毕业设计(论文)任务书学生姓名专业班级自动化指导教师工作单位自动化学院设计(论文)题目: IGBT特性研究及驱动、缓冲电路设计设计（论文）主要内容：了解和熟悉目前国内外IGBT产品现状和技术现状，分析IGBT结构、工作原理以及工作特性。
研究和设计多种IGBT驱动电路、保护电路，并对比分析。
针对具体一款IGBT FF600R06ME3设计其驱动电路及缓冲电路。
要求完成的主要任务:1．了解研究IGBT的目的以及意义，产品和技术的发展现状；2．IGBT驱动电路的设计；3．IGBT保护、缓冲电路的设计；4. 针对FF600R06ME3 IGBT设计其驱动电路，要求正向开通电压15V，反向截止电压-15V，工作频率≤20K，可驱动IGBT承受导通电流600A，耐压600V。
5．撰写毕业设计论文，字数不低于15000左右；6．完成外文文献翻译2万字符（其中汉字5000字）。
必读参考资料：[1] 王兆安.电力电子技术[m].北京:机械工业出版社,2008.[2] 周志敏.IGBT和IPM及其应用电路[m].北京:人民邮电出版社,2006.[3] 王飞军.IGBT关断特性分析及设计优化问题[D].浙江大学微电子与半导体系,1990.[4] 陈去非.绝缘栅双极晶体管（IGBT）的研究—静态、动态和终端模型及优化设计[D].浙江大学:电力电子技术,1993.[5] 李岳生.IGBT开关磁阻电动机调速系统研究[D].上海工业大学:工业自动化,1994.指导教师签名：系主任签名：院长签名(章)：武汉理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告目录1．了解研究IGBT的目的以及意义，产品和技术的发展现状； (I)摘要 (1)ABSTRACT (2)1 绪论 (1)引言 (1)课题研究意义 (2)研究现状 (3)1.3.1 产品现状 (3)1.3.2 技术现状 (4)主要研究内容 (5)2 IGBT工作原理及特性研究 (6)IGBT的定义 (6)IGBT的结构和工作原理 (7)2.2.1 IGBT的结构 (7)2.2.2 IGBT的工作原理 (7)IGBT工作特性 (9)2.3.1 静态特性 (9)2.3.2 动态特性 (10)2.3.3 IGBT的开通与关断 (11)3 IGBT驱动及缓冲 (12)IGBT驱动电路的选择 (12)门极驱动的要求及电路设计 (14)3.2.1 栅极驱动电压 (14)3.2.2 对电源的要求 (14)3.2.3 对驱动波形的要求 (15)3.2.4 对驱动功率的要求 (15)3.2.5 栅极电阻 (15)3.2.6 栅极布线要求 (15)3.2.7 隔离问题 (16)典型的门极驱动电路介绍 (16)3.3.1 脉冲变压器驱动电路 (16)3.3.2 光耦隔离驱动电路 (17)3.3.3 驱动模块构成的驱动电路 (17)大功率IGBT驱动保护电路的分类 (18)3.4.1 单一功能型 (19)3.4.2 多功能型 (19)3.4.3 全功能型 (21)大功率IGBT驱动保护电路的功能 (22)3.5.1 隔离功能 (23)3.5.2 死区隔离功能 (23)3.5.3 驱动功率的缓冲功能 (24)针对FF600R06ME3这款IGBT设计的驱动电路 (24)4 IGBT保护电路的设计 (26)IGBT栅极的保护 (26)集电极与发射极间的过压保护 (26)4.2.1 直流过电压 (27)4.2.2 浪涌电压的保护 (27)集电极电流过流保护 (28)过热保护 (29)5 全文总结及展望 (30)致谢 (31)参考文献 (32)摘要全文首先对IGBT的产生和发展过程做了一个大致的介绍，重点突出了IGBT 发展的路线，智能化、模块化成为IGBT发展热点。
实验二 IGBT管的驱动、保护电路的测试及直流斩波降压电路的研究一、实验目的1．掌握IGBT驱动与保护电路的基本要求，熟悉驱动模块EXB841电路的驱动与保护环节的测试；2．掌握脉宽调制信号发生原理，能对脉宽调制电路的调试及负载电压波形进行分析；3．熟悉直流斩波降压电路的工作原理。
二、预习要求1．了解IGBT驱动的隔离和功率放大的要求；2．了解脉宽调制信号的发生原理；3．了解直流斩波电路的基本原理。
三、实验设备1．IGBT直流斩波电路实验装置单元2．示波器3．万用表四、实验原理及说明该实验由三个部分组成：直流斩波电路，IGBT的驱动和保护电路以及脉宽调制信号发生电路。
下面分别予以介绍。
1．直流斩波电路如图2-1所示，220V单相交流电经整流变压器TR，降为50V交流电，再经整流滤波后变为直流电，其幅值在45V～70V之间，视负载电流大小而定。
直流电路的负载为220V、15W白炽灯，用绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为开关管，来控制直流电路的通断，以调节负载上平均电压的大小。
图2-1 IGBT 直流斩波电路2．IGBT管的驱动和保护电路（1）IGBT管IGBT管是一个复合元件，它的前半部分类似绝缘栅场效应管（是电压控制型，具有输入阻抗高的优点），后半部分类似双极管晶体管（具有输出阻抗小、导通压降小、承受电流大的优点）。
它兼有场效应管和双极晶体管的优点，因而获得日益广泛的应用。
（2）IGBT的驱动电路IGBT具有显著的优点，已日益广泛应用于通用变频调速器，位置控制和不间断电源领域。
目前有多种IGBT驱动模块。
现以EXB841为例，来介绍IGBT驱动电路的工作原理。
EBX841型模块，可驱动300A/1200V IGBT元件，驱动延迟时间小于1μs，最高工作频率可达40～50kHz。
它只需要外部提供一个+20V的单电源（它内部自生反偏电压）。
模块采用高速光电耦合（隔离）输入，信号电压经电压放大和推挽（射极跟随）功率放大输出，并有过电流保护环节。
绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的工作原理、基本特性、主要参数绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一种复合型电力电子器件。
它结合了MOSFET和电力晶体管GTR的特点，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又具有输入通态电压低、耐压高和承受电流大的优点，因而具有良好的特性。
自1986年IGBT开始投入市场以来，就迅速扩展了其应用领域，目前已取代了原来GTR和一部分MOSFET的市场，成为中、小功率电力电子设备的主导器件，并在继续努力提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。
IGBT的结构与工作原理IGBT是三端器件。
具有栅极G、集电极C和发射极E。
图1（a）给出了一种由N 沟道MOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT的基本结构。
与MOSFET对照可以看出，IGBT比MOSFET多一层P+注入区，因而形成了一个大面积的PN结J1。
这样使得IGBT导通时由P+注入区向N基区发射载流子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。
图1 IGBT的结构、等效电路和电气符号从图1可以看出，这是用双极型晶体管与MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的PNP晶体管，RN为晶体管基区内的调制电阻。
因此，IGBT 的驱动原理与MOSFET基本相同，它是一种场控器件，其开通和关断是由栅射电压uGE决定的，当uGE为正且大于开启电压UGE（th）时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流，进而使IGBT导通。
由于前面提到的电导调制效应，使得电阻RN减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。
当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。
上述PNP晶体管与N沟道MOSFET组合而成的IGBT称为N沟道IGBT，记为N-IGBT，其电气图形符号如图1（c）所示。
关于IGBT保护电路设计必知问题绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Tramistor，IGBT）是MOSFET与GTR的复合器件，因此，它既具有MOSFET的工作速度快、开关频率高、输入阻抗高、驱动电路简单、热温度性好的优点，又包含了GTR的载流量大、阻断电压高等多项优点．是取代GTR的理想开关器件。
IGBT目前被广泛使用的具有自关断能力的器件，广泛应用于各类固态电源中。
IGBT的工作状态直接影响整机的性能，所以合理的驱动电路对整机显得很重要，但是如果控制不当，它很容易损坏，其中一种就是发生过流而使IGBT损坏，本文主要研究了IGBT 的驱动和短路保护问题，就其工作原理进行分析，设计出具有过流保护功能的驱动电路，并进行了仿真研究。
二IGBT的驱动要求和过流保护分析1 IGBT的驱动IGBT是电压型控制器件，为了能使IGBT安全可靠地开通和关断．其驱动电路必须满足以下的条件：IGBT的栅电容比VMOSFET大得多，所以要提高其开关速度，就要有合适的门极正反向偏置电压和门极串联电阻。
（1）门极电压任何情况下，开通状态的栅极驱动电压都不能超过参数表给出的限定值（一般为20v），最佳门极正向偏置电压为15v土10％。
这个值足够令IGBT饱和导通；使导通损耗减至最小。
虽然门极电压为零就可使IGBT处于截止状态，但是为了减小关断时间，提高IGBT的耐压、dv／dt耐量和抗干扰能力，一般在使IGBT处于阻断状态时．可在门极与源极之间加一个-5~-15v的反向电压。
（2）门极串联电阻心选择合适的门极串联电阻Rg对IGBT的驱动相当重要，Rg对开关损耗的影响见图1。
图1 Rg对开关损耗的影响IGBT的输入阻抗高压达109~1011，静态时不需要直流电流．只需要对输入电容进行充放电的动态电流。
其直流增益可达108~109，几乎不消耗功率。
为了改善控制脉冲的前后沿陡度和防止振荡，减少IGBT集电极大的电压尖脉冲，需在栅极串联电阻Rg，当Rg 增大时，会使IGBT的通断时间延长，能耗增加；而减少RF又会使di／dt增高，可能损坏IGBT。
IGBT的特点、应⽤及未来的研究⽅向近年来，IGBT被⼴泛关注，随着技术的发展，其应⽤前景被⼴泛看好，作为国家战略性新兴产业IGBT，在很多领域应⽤⼴泛。
什么是IGBT？IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的⾼输⼊阻抗和GTR的低导通压降两⽅⾯的优点。
GTR饱和压降低，载流密度⼤，但驱动电流较⼤；MOSFET驱动功率很⼩，开关速度快，但导通压降⼤，载流密度⼩。
IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率⼩⽽饱和压降低。
⾮常适合应⽤于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
IGBT的原理IGBT是将强电流、⾼压应⽤和快速终端设备⽤垂直功率MOSFET的⾃然进化。
由于实现⼀个较⾼的击穿电压BVDSS需要⼀个源漏通道，⽽这个通道却具有很⾼的电阻率，因⽽造成功率MOSFET具有RDS(on)数值⾼的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。
虽然最新⼀代功率MOSFET 器件⼤幅度改进了RDS(on)特性，但是在⾼电平时，功率导通损耗仍然要⽐IGBT 技术⾼出很多。
较低的压降，转换成⼀个低VCE(sat)的能⼒，以及IGBT的结构，同⼀个标准双极器件相⽐，可⽀持更⾼电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。
IGBT模块的特点与应⽤IGBT模块是由IGBT(绝缘栅双极型晶体管芯⽚)与FWD(续流⼆极管芯⽚)通过特定的电路桥接封装⽽成的模块化半导体产品，封装后的IGBT模块直接应⽤于变频器、UPS不间断电源等设备上。
IGBT模块具有节能、安装维修⽅便、散热稳定等特点，当前市场上销售的多为此类模块化产品，⼀般所说的IGBT也指IGBT模块。
随着节能环保等理念的推进，此类产品在市场上将越来越多见。
应用于风力发电的大功率IGBT驱动保护电路随着风力发电技术的不断进步，越来越多的风力发电机被投入使用。
在风力发电中，IGBT（绝缘栅双极晶体管）被广泛应用于风力发电机的变频器中，用于控制电机的电能输出和风力发电的整个过程。
而大功率IGBT驱动保护电路则是保护这些IGBT的关键部分。
一、大功率IGBT驱动保护电路的意义大功率IGBT驱动保护电路是为了保护风力发电机变频器中的IGBT而设计的一种电路。
IGBT作为风力发电机变频器的核心部件，负责将电能转换成机械能，并进行不同频率、不同电压的输出。
在风力发电的过程中，变频器中的IGBT受到的电压和电流都是很大的，同时高频电源的电压也对IGBT产生了很大的压力，如果IGBT的运行不能被有效保护，就有可能会引起其烧毁或损坏，从而对风力发电机的正常运行产生不利影响。
因此，大功率IGBT驱动保护电路是非常必要的。
二、大功率IGBT驱动保护电路的基本原理大功率IGBT驱动保护电路的基本原理是在IGBT的驱动电路中加入过流、过压、过热等保护电路。
在系统的设计中，IGBT的故障通常是由于内部电热、电压电流等因素引起的，因此，大功率IGBT驱动保护电路需要在这些方面进行有效的保护。
（1）过流保护在变频器的运行过程中，IGBT受到电流冲击时，可能会产生较大的能量，引起其过热烧毁，因此，过流保护是很必要的。
对于系统中的IGBT，可以通过电流传感器进行测量，通过对电流大小的测量，在IGBT的驱动电路中加入保护电路，当电流大小超过一定的阀值时，保护电路就会起到保护作用。
（2）过压保护风力发电机的变频器在运行过程中，如果瞬间出现高电压，就很可能会对IGBT造成损伤。
因此，过压保护是非常必要的。
在大功率IGBT驱动保护电路中，可以使用Zener二极管或压敏电阻作为过压保护器件，当电压突然上升时，就会使得这些保护器件在短时间内短路，从而保护IGBT。
（3）过热保护IGBT的运行温度较高，通常需要对其进行过热保护。
IGBT驱动保护电路的详细的设计与如何测试该文章讲述了IGBT驱动保护电路的详细的设计与如何测试应用1 引言（欢迎来电咨询变频器维修|：）IGBT集功率MOSFET和双极型功率晶体管的优点于一体，具有电压控制、输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快且通态压降低，易高压大电流等特点。
在IGBT的应用中，驱动和保护一直都是研究的关键技术，特别是过流保护方面。
IGBT 器件本身以及它在电路中运行条件的特点，决定了其过流保护和其他开关器件相比有很大的差别。
IGBT的过流保护电路直接关系到整个系统的工作性能和运行安全。
2 IGBT驱动电路IGBT的开关特性由图1所示IGBT的等效电路和器件的内部结构可知，IGBT的开关控制是通过和MOSFET类似的栅极结构来完成的，因此IGBT和MOSFET的开关进程大致相似。
图2为IGBT硬开关时VGE、ICE和VCE的波型。
开通时，当VGE达到开通门限后，到t2时间，ICE达到最大值，VCE下降进程中，由于和MOSFET一样的密勒电容CGC的作用，栅极电压大体恒定，延缓了IGBT的开通进程，当VCE下降结束，ICE达到稳态值，CGC 作用消失，VGE以较快的上升率达到最大值。
为了降低此效应，应该使栅极驱动源的内阻足够小，增加流经CGC的电流，加速开通速度。
关断时，同样由于密勒电容的效应，当VCE上升的过程中，VGE有一段近似恒定的时间，影响关断的过程。
另外，由于IGBT是双极性器件，在关断过程中有一个少子复合过程，造成关断时的拖尾电流，这是IGBT和MOSFET开关最大的不同点，如图2所示，这也是影响IGBT工作频率的最主要原因。
IGBT驱动电路的要求开通正栅压（欢迎来电咨询网址：变频器维修：）IGBT静态特性曲线所示，IGBT正栅压VGE越大，导通电阻越低，损耗越小。
但是，如果VGE过大，一但IGBT过流，会造成内部寄生晶闸管的静态擎柱效应，造成IGBT失效。
IPM驱动和保护电路的研究摘要：介绍了IPM的基本工作特性和常用IPM驱动和保护电路的设计方法，并给出了一个驱动和保护电路的设计实例。
关键词：IGBT(绝缘栅双极性晶体管) IPM(智能功率模块) PIC(功率集成电路)智能功率模块(IPM)是Intelligent Power Module的缩写，是一种先进的功率开关器件，具有GTR(大功率晶体管)高电流密度、低饱和电压和耐高压的优点，以及MOSFET(场效应晶体管)高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。
而且IPM内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，使用起来方便，不仅减小了系统的体积以及开发时间，也大大增强了系统的可靠性，适应了当今功率器件的发展方向——模块化、复合化和功率集成电路(PIC)，在电力电子领域得到了越来越广泛的应用。
本文以三菱公司PM100DSA120为例，介绍IPM的基本特性，然后着重介绍IPM的驱动和保护电路的设计。
1 IPM的基本工作特性1.1 IPM的结构IPM由高速、低功率的IGBT芯片和优选的门级驱动及保护电路构成，如图1所示。
其中，IGBT是GTR和MOSFET的复合，由MOSFET驱动GTR，因而IGBT具有两者的优点。
IPM根据内部功率电路配置的不同可分为四类：H型(内部封装一个IGBT)、D型(内部封装两个IGBT)、C型(内部封装六个IGBT)和R型(内部封装七个IGBT)。
小功率的IPM使用多层环氧绝缘系统，中大功率的IPM使用陶瓷绝缘。
1.2 IPM内部功能机制IPM的功能框图如图2所示。
IPM内置驱动和保护电路，隔离接口电路需用户自己设计。
IPM内置的驱动和保护电路使系统硬件电路简单、可靠，缩短了系统开发时间，也提高了故障下的自保护能力。
与普通的IGBT模块相比，IPM在系统性能及可靠性方面都有进一步的提高。
保护电路可以实现控制电压欠压保护、过热保护、过流保护和短路保护。
如果IPM模块中有一种保护电路动作，IGBT栅极驱动单元就会关断门极电流并输出一个故障信号(FO)。
深度剖析IGBT的工作原理及作用
本文通过等效电路分析，通俗易懂的讲解IGBT的工作原理和作用，并精简的指出了IGBT的特点。
可以说，IGBT是一个非通即断的开关，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR 的低导通压降两方面的优点。
GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。
IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。
非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
目前国内缺乏高质量IGBT模块，几乎全部靠进口。
绝缘栅双极晶体管(IGBT)是高压开关家族中最为年轻的一位。
由一个15V高阻抗电压源即可便利的控制电流流通器件从而可达到用较低的控制功率来控制高电流。
IGBT的工作原理和作用通俗易懂版：IGBT就是一个开关，非通即断，如何控制他的通还是断，就是靠的是栅源极的电压，当栅源极加+12V(大于6V,一般取12V 到15V)时IGBT导通，栅源极不加电压或者是加负压时，IGBT关断，加负压就是为了可靠关断。
IGBT没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路。
文章编号:1007-6735(2004)03-0283-03 收稿日期:2004-01-05 基金项目:上海市教委青年基金资助项目(02GQ29) 作者简介:郝润科(1963-),男,副教授.绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动及保护电路的研究郝润科, 杨一波(上海理工大学电气工程学院,上海 200093)摘要:介绍了绝缘栅双极型晶体管(IG B T )模块的电气特性和对栅极驱动的要求,结合IG B T 模块的电气特性对IG B T 驱动电路和保护电路的设计进行了分析和讨论,并给出了一些典型电路以供大家参考.关键词:绝缘栅双极型晶体管;驱动;保护中图分类号:TN 386 文献标识码:AStudy on IGBT drive and protection circuitHAO Run 2ke , YANG Y i 2bo(College of Elect ric Engineering ,U niversity of S hanghai f or Science and Technology ,S hanghai 200093,China )Abstract :The electric features of IG B T and the requirement for gate drive are introduced.The analysis and discussion on the design of IG B T and protection circuit are mainly focused and some typical circuits are presented for reference.K ey w ords :I GB T ;drive ;protect 绝缘栅双极型晶体管(IG B T )是近年来发展起来的半导体器件,它集功率场效应管MOSFET 和功率晶体管GTR 的优点于一身,具有输入阻抗高、开关频率高(10～40kHz )、峰值电流容量大、自关断、低功耗和易于驱动等特点,是目前发展最为迅速的新一代电力电子器件之一,被广泛用于各种电机控制驱动、不间断电源、医疗设备和逆变焊机等领域.IG B T 的驱动和保护是其应用中的关键技术,本文就此进行了较详细的研究.1 IG B T 的电气特性IG B T 是在功率MOSFET 漏区加入P +N 结构构成的,导通电阻降低到普通功率MOSFET 的1/10,其等效电路如图1所示[1,2].其中R 是厚基区调制电阻,IG B T 可认为是由具有高输入阻抗、高速MOSFET 驱动的双极型晶体管.图2(见下页)为IG B T 的电气特性(IG B T 为200A/1200V ),图2a 是集射电压U CE 与集电极电流I C 的关系,图2b 是栅极电压U GE 与集电极电流I C 的关系曲线.图1 IG B T 的等效电路Fig.1 Equivalent circuit of IG B T上海理工大学学报 第26卷 第3期J.University of Shanghai for Science and TechnologyVol.26 No.3 2004 图2 IG B T 的电气特性Fig.2 Electric feature of IG B T2 IG B T 栅极驱动2.1 驱动电压的幅值 IG B T 为电压控制器件,从其电气特性图2b 可知,当U GE ≥U GE (th )(U GE (th )为阈值电压)时,IG B T 即可开通,一般情况下U GE (th )=5～6V.由图2a 可知,当U GE 增加时,通态电压U CE 减小,通态损耗减小,IG B T 承受短路电流能力减小;当U GE 太大时,可能会引起栅极电压振荡,损坏栅极.所以,在实际应用中应折中考虑栅极电压的选取,为获得通态压降小,同时IG B T 又具有较好的承受短路电流的能力,U GE 应折中取12～15V 为宜,12V 最佳. 在需要IG B T 关断期间,为提高IG B T 的抗干扰能力及承受d i /d t 上升率能力(其中i 为电流,t 为时间),保证其可靠地关断,最好给栅射极间加5～10V 的负偏压,过大的反向偏压会造成IG B T 栅射极反向击穿.2.2 栅极串联电阻为抑制栅极脉冲前后沿陡度和防止振荡,减小开关d i /d t 和IG B T 集电极尖峰电压,应在栅极串联一个电阻R G .在选取R G 值时,应根据IG B T 电流容量和电压额定值以及开关频率选取.当R G 过大时,IG B T 的开关时间延长,开关损耗加大;R G 减小时,IG B T 的开关时间和开关损耗减小;但当R G 过小时,可导致栅源之间振荡,IG B T 集电极d i /d t 增加,引起IG B T 集电极尖峰电压,使IG B T 损坏.通常选取R G 值在几欧姆到十几欧姆之间,如10Ω、15Ω、27Ω等.2.3 栅射极并联电阻在IG B T 开通期间,其集电极会经常出现振荡电压,通过栅-集电容的联系,栅极电压也会受到影响,可能导致U GE 超过阈值电压U GE (th ),引起IG B T 误导通,而且当U GE 一旦产生过电压(IG B T 栅极耐压约20V )就会损坏IG B T.为防止这类现象的发生,可采取在栅射极之间并联稳压二极管或电阻R GE 的方法.因稳压二极管有很大的结电容,影响IG B T 的开关速度,所以并联稳压二极管的方法在IG B T 高速工作时需要增大驱动电流.3 IG B T 的保护电路3.1 过压保护 IG B T 关断时的换相过电压,主要决定于主电路的杂散电感及关断时的d i /d t .在正常工作时d i /d t 较低,通常不会造成IG B T 损坏,但在过流故障状态时,d i /d t 会迅速增大产生较高的过电压,所以应尽量减小主电路布线杂散电感,以减小因d i /d t 过大产生的过电压.可以采取的措施有:直流环节的滤波电容应靠近IG B T 模块,滤波电容至IG B T 模块的正负极连线尽量靠近;采用RCD 电路吸收过电压尖峰,而且电容和电阻均应采用无感电容和无感电阻,吸收二极管D 应为快速恢复器件,吸收电路直接连接到IG B T 的相应端子上.3.2 过电流保护当过电流小于工作电流的2倍时,可采用瞬时封锁栅极脉冲的方法来实现保护.当过电流的倍数较高时,尤其是发生负载短路故障时,加瞬时封锁栅极脉冲会使d i /d t 很大,在回路杂散电感上感应出较高的尖峰电压,RCD 吸收电路很难彻底吸收此尖峰电压.为此,在保护中应采取软关断措施使栅极电压在2～5μs 降至零电压,目前常用的IG B T 驱动模块内部均具有此过流软关断功能.482 上海理工大学学报2004年第26卷 4 驱动电路4.1 分立元件构成的驱动电路 图3是由分立元件构成的IG B T 驱动电路.光耦采用小延时高速型光耦,T 1和T 2组成图腾结构的对管(T 1、T 2选用三级管的放大倍数β>100的开关管),D Z1选用5V/1W 的稳压管.当输入信号到来时,T 2截止,T 1导通,对IG B T 施加+12V 栅极电压;当输入信号消失时,T 1截止,T 2导通,5V 稳压管为IG B T 提供反向关断电压;稳压二极管D Z2、D Z3的作用是限制加在IG B T 栅射间的电压,避免过高的栅射电压击穿栅极.此电路结构简单,可用于驱动小功率变换器中的IG BT.图3 IG B T 驱动电路Fig.3Drive circuit of IG B T4.2 驱动模块电路目前生产IG B T 的几个主要厂家都开发了与之配套的驱动模块电路.如富士的EX B 系列、东芝的T K 系列、莫托罗拉的MPD 系列和惠普HCPL 系列等.这类模块均具备过流软关断、高速光耦隔离、欠压锁定和故障信号输出的功能.应用这类模块可提高产品的可靠性能.图4是EX B841模块驱动IG B T 的应用电路[3].EX B841是日本富士公司设计的可驱动高达400A/600V 和300A/1200V 的IG B T ,最高工作频率为40kHz.内装用于高隔离电压的光耦合器,采用+20V 直流单电源供电,可产生+15V 开栅电压和-5V 关栅电压,内部装有过流检测电路和软关断电路,过流检测电路可按驱动信号与集电极电压之间的关系检测过流,当IG B T 的电流超过设定值时,软关断电路低速切断电路,保护IG B T 不被损坏.在图4中,端脚6用于监测集电极电压,从图2a 可知,当U GE 不变,通态电压U CE 随集电极电流增大而增高,所以可用检测U CE 作为过流的判断信号,当IG B T 的U CE 过高(一般达7V )时则出现过流信号,此信号经过流检测电路10μs 检查(IG B T 能抵抗10μs 短路电流),滤除其中的干扰信号,确定为过流时,端脚5信号由高电平变为低电平,光耦TL P521工作,发出过流保护输出,封锁驱动输入信号,切断IG B T.此电路在作者研制的3kW 磁阻电机调速系统中应用效果良好.图4 EX B841驱动模块应用电路Fig.4 Applied circuit of EX B841drive mode5 结束语本文介绍了IG B T 的结构和电气特性,讨论了设计IG B T 驱动电路的要求和注意事项,分析了正确选取栅极驱动电压的范围,d i /d t 对栅压的影响和应采取的措施,给出了典型驱动电路,对正确使用IG B T 具有一定的参考价值.参考文献:[1] 张立.现代电力电子技术基础[M ].北京:高等教育出版社,2000.[2] 何希才.现代电力电子技术[M ].北京:国防工业出版社,1996.[3] 郝润科,刘贵卿.开关磁阻电动机开关元件的选择与研究[J ].太原工业大学学报,1997,28(3):27～30.582 第3期郝润科等:绝缘栅双极型晶体管(IG B T )驱动及保护电路的研究 。
