大功率IGBT驱动电路的设计与实现

基于光耦HCPL316J的大功率IGBT驱动电路研究

IGBT 驱动电阻 光耦

1 引言

绝缘栅型双极性晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor-IGBT）是一种电压控制型功率器件，需要的驱动功率小，控制电路简单，导通压降低，且具有较大的安全工作区和短路承受能力，在中功率以上的逆变器中逐渐取代了POWER MOSFET和POWER BJT成为功率开关器件的重要一员。IGBT等功率器件占到逆变器整体成本60%以上，如何有效地驱动和保护IGBT，使其安全高效地工作，成了当前电力电子领域的一个重要课题。本文以光耦HCPL316J为核心，从IGBT功率与驱动电路输出功率的关系，驱动电路电源以及保护电路设计等方面对IGBT驱动电路进行了研究，设计具有保护功能的驱动电路，并进行了实验。

图1 IGBT驱动原理图

2 IGBT门极驱动电压

IGBT是电压控制型器件，开通和关断由栅极和发射极间的电压UGE决定，当在栅极和发射极加一大于开启电压UGE(th)的正电压时，IGBT导通，当栅极施加一负偏压或者栅压低于门限电压时，IGBT就关断[1]。典型的IGBT驱动原理图如图1所示，+UGE为正向开通电压，-UGE为关断电压。当UGE较小时，IGBT通态压降会变大，IGBT就容易发热，随着UGE增大，通态压降就降低，IGBT的通态损耗就降低，当UGE很大时，容易造成栅极的击穿，并且还容易产生擎住效应，无法关断IGBT，损坏器件。根据器件手册，一般UGE=±20V选取范围为15V~18V。当关断IGBT时，为了实现快速关断，-UGE取负偏压，为了降低关断损耗和du/dt误触发，-UGE不应该太小，一般在-5V以下，典型的取值为-5V、-8V和-10V。

3 IGBT门极驱动电阻的计算

IGBT是通过门极电容的充放电来控制开通和关断，门极电容的充放电通过门极驱动电阻来控制。门极驱动电阻的大小影响IGBT的开关时间、开关损耗、反向偏压安全工作区、短路安全工作区等[2][3]，还与电路的EMI、du/dt、di/dt等有着密切的关系，门极驱动电阻的选择是驱动电路设计的重要部分。附表[3]是驱动电阻的变化与驱动电路参数的关系。

ISSN100020054CN1122223󰃗N　清华大学学报(自然科学版)JTsinghuaUniv(Sci&Tech),2001年第41卷第9期2001,Vol.41,No.914󰃗3255258　一种大功率IGBT实用驱动及保护电路卫三民,　李发海(清华大学电机工程与应用电子技术系,北京100084)

收稿日期:2000206223作者简介:卫三民(19732),男(汉),山西,博士研究生。摘　要:对大功率IGBT驱动和保护电路的原理进行了分析。提出了一种新的延迟搜索过电流保护实现方法。采用高速模拟开关器件,可方便地调节保护电路的参数、保护电路动作的电流值、延迟时间、搜索时间及2倍以上过流时的慢速关断时间等。针对不同的大功率IGBT,只需进行简单计算就可确定电路参数。文中给出了详细电路,对正常工作和过流故障时的原理进行了分析。最后给出了仿真和试验结果。针对三菱公司的1200V󰃗600AIGBT设计的实际电路已在某研究所大功率离心机上可靠运行。关键词:IGBT;驱动电路;保护电路;大功率中图分类号:TM301.2文章编号:100020054(2001)0920055204文献标识码:AHighpowerIGBTdriveandprotectioncircuitWEISanmin,LIFahai(DepartmentofElectricalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084)Abstract:　ThetheoryofthedriveandprotectioncircuitofhighpowerIGBTswasanalyzedtodevelopanewcircuitwhichsearchestheovercurrentwiththeallowabletimedelaytoavoidpseudoovercurrent.Thecircuituseshighspeedanalogswitchessothecircuitparameterscanbeeasilydesigned.Forexample,parameterssuchasthecurrenttostarttheprotection,thedelaytimetolowerthegatevoltage,thetimetoshuntofftheIGBTatlowspeed,etc.canbeeasilysetfordifferentkindsofIGBT.Detailedcircuit,analysis,andsimulationresultsaregiven.Thecircuitworkswellinahighpowercentrifugesystemusinga1200V󰃗600AIGBT.Keywords:　IGBT;drivecircuit;protectioncircuit;highpower 随着全控器件IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)朝着大电流、高电压、快通断、易触发等方向的不断发展,它在大功率变流系统中得到了广泛应用。目前,投入市场的有IGBT模块,也有集成了IGBT、系统自保护、自诊断等功能的智能功率模块IPM。但是,IPM功率相对较小,在大功率场合应用受到了限制。对于投入市场的独立集成驱动模块,驱动能力有限,而且由于考虑到通用性,驱动模块的过流保护和时间参数往往调节困难或能调节的参数少,给具体应用带来了不便。所以,对于大功率IGBT的驱动和保护电路进行研究具有一定的实用价值。1　IGBT门极驱动方法对于大功率IGBT,选择驱动电路应该基于以下的参数要求:器件关断偏置、门极电荷、耐固性和电源情况等。由于双电源驱动方法可使得IGBT稳定工作,性能可靠,所以被大量采用。双电源驱动电路设计时,应考虑驱动电路的正偏电压+Vge、负偏电压-Vge及门极电阻R的影响[2]。表1给出了门极驱动条件与器件特性之间的关系。其中,Vces,ton,toff,Vce分别为集电极2发射极饱和压降、开通时间、关断时间和集电极2发射极电压。↑、-、↓分别表示增加、不变、减少。表1　IGBT驱动条件和器件特性的关系特性Vcestontoff短路能力dVce󰃗dt电流+Vge↑↓↓-↓↑-Vge↑--↓-↓R↑-↑↑-↓2　保护电路2.1　过流保护检测IGBT饱和压降的“延时搜索过电流保护”是一种比较好的方法。它可迅速检测出IGBT是否过流并采取保护措施。原理如图1、2所示。图1是IGBT饱和压降和集电极电流之间的关系,图2为门极电压和IGBT允许过电流、允许过流持续时间的对应关系。

IGBT驱动保护电路的详细的设计与如何测试

过流保护：

1.过流检测器设计：使用电流传感器来检测IGBT的电流，常见的传感器有霍尔效应传感器和电阻式传感器。根据检测到的电流信号，设计一个比较器电路，比较检测到的电流值与预设的过流阈值。当电流超过阈值时，比较器输出高电平，触发保护电路。

2.过流保护电路设计：采用一级或多级的电流保护电路，例如使用可控整流器电路、继电器电路或熔断器电路来切断IGBT的电源。

过温保护：

1.过温检测器设计：通过温度传感器监测IGBT的温度。可选用NTC热敏电阻或热电偶等传感器。根据检测到的温度信号，设计一个比较器电路，将检测到的温度值与预设的过温阈值进行比较。当温度超过阈值时，比较器输出高电平，触发保护电路。

2.过温保护电路设计：使用温度控制器（例如PID控制器）来降低IGBT的温度。可以通过减小机箱内部温度、增加散热和降低IGBT占空比等方式来实现。

过压保护：

1.过压检测器设计：使用电压传感器来检测IGBT的输入电压。可以选用正弦波电流互感器等传感器。设计一个比较器电路，将检测到的电压值与预设的过压阈值进行比较。当电压超过阈值时，比较器输出高电平，触发保护电路。 2.过压保护电路设计：可以采用电压降压器或直流开关等方法来控制IGBT的输入电压，将其降低到安全范围内。

1.过电流测试：在设计过程中，设置合理的过电流阈值。通过电流源提供过电流信号，触发保护电路，验证保护电路的响应时间和准确性。

2.过温测试：在设计过程中，设置合理的过温阈值。通过加热IGBT器件，提高其温度，触发保护电路，验证保护电路的响应时间和准确性。

3.过压测试：在设计过程中，设置合理的过压阈值。通过提供超过预设阈值的电压信号，触发保护电路，验证保护电路的响应时间和准确性。

4.短路测试：将IGBT的输出端短接，触发保护电路，验证保护电路的响应时间和准确性。

5.整体测试：在实际应用中，应全面测试保护电路的性能。将其与IGBT驱动电路相结合，模拟实际工作环境，验证保护电路的稳定性和可靠性。

IGBT驱动保护电路的详细的设计与如何测试

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）驱动保护电路是一种用于保护IGBT的电路设计。IGBT驱动保护电路的设计目的是保护IGBT免受过电流、过压、过温等异常状态的损害，以确保其稳定和可靠的工作。以下是IGBT驱动保护电路的设计与测试步骤：

设计步骤：

1.确定设计指标：根据具体应用的需求，确定IGBT的额定电流、额定电压、最大工作温度等参数，以此为基础进行设计。

2.过电流保护设计：设计过电流保护电路以保护IGBT免受过大电流的损害。常见的过电流保护电路设计包括电流检测电路、比较电路和触发电路。电流检测电路通过测量电流大小来判断是否超过额定值，并将信号传递给比较电路。比较电路将检测到的电流信号与设定的阈值进行比较，并产生触发信号。触发信号通过触发电路，将其送往IGBT控制电路以实现保护。

3.过压保护设计：设计过压保护电路以保护IGBT免受过大电压的损害。过压保护电路的设计包括电压检测电路、比较电路和触发电路。电压检测电路通过测量电压大小来判断是否超过额定值，并将信号传递给比较电路。比较电路将检测到的电压信号与设定的阈值进行比较，并产生触发信号。触发信号通过触发电路，将其送往IGBT控制电路以实现保护。

4.过温保护设计：设计过温保护电路以保护IGBT免受过高温度的损害。过温保护电路的设计包括温度检测电路和触发电路。温度检测电路通过传感器测量IGBT温度，并将信号传递给触发电路。触发电路将检测到的温度信号与设定的阈值进行比较，并产生触发信号。触发信号通过触发电路，将其送往IGBT控制电路以实现保护。

测试步骤：

1.测试过电流保护：将设计好的过电流保护电路连接到实际的IGBT驱动电路中。通过改变输入电流，观察过电流保护电路是否能够及时检测到过大电流，并触发保护动作。可以通过示波器检测并记录信号的变化情况。

2.测试过压保护：同样将设计好的过压保护电路连接到实际的IGBT驱动电路中。通过改变输入电压，观察过压保护电路是否能够及时检测到过大电压，并触发保护动作。可以通过示波器检测并记录信号的变化情况。