IGBT的驱动与保护电路

实验二 1 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 实验二 2 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。其功能原理图如图2-2图所示，图2-3为驱动电路图接线图。

IGBT驱动电路原理与保护电路

IGBT（Insulated-Gate Bipolar Transistor）驱动电路主要由三部分组成：信号隔离部分、驱动信号放大部分和保护电路。

信号隔离部分是将输入信号与输出信号进行隔离，防止输入信号中的噪声和干扰对输出信号产生影响。常用的信号隔离方法有变压器隔离、光电隔离和互感器隔离等。其中，光电隔离是最常用的方法之一，它通过输入端的光电耦合器将电信号转换成光信号，通过光电隔离再将光信号转换为电信号输出。这样可以有效防止输入信号中的噪声和干扰对输出信号产生干扰，提高系统的稳定性和可靠性。

驱动信号放大部分是将输入信号进行放大，以驱动IGBT的门极电压，控制IGBT的导通和关断。驱动信号放大部分一般采用功放电路，常用的放大器有晶体管放大器和运放放大器。通过合理选择放大器的工作点和增益，可以将输入信号进行适当放大，提高系统的灵敏度和响应速度，以确保IGBT的正常工作。

保护电路是为了保护IGBT免受电路中的过电流、过电压等异常情况的损害而设计的。保护电路一般包括过流保护、过压保护、过温保护和短路保护等功能。过流保护通过在电路中增加电流传感器来检测电流的变化，一旦电流超过设定值就会触发保护，例如通过切断电源来防止IGBT损坏。过压保护通过在电路中增加电压传感器来检测电压的变化，一旦电压超过设定值就会触发保护，例如通过切断电源来防止IGBT损坏。过温保护通过在IGBT芯片上增加温度传感器来检测芯片温度的变化，一旦温度超过设定值就会触发保护，例如通过减小驱动信号的幅度来降低功耗和温度。短路保护通过在电路中增加短路检测电路，一旦检测到短路就会触发保护，例如通过立即切断电源来防止IGBT损坏。 总之，IGBT驱动电路的原理是通过信号隔离部分将输入信号与输出信号进行隔离，通过驱动信号放大部分将输入信号进行放大，以驱动IGBT的门极电压，控制其导通和关断。同时，通过保护电路对IGBT进行多重防护，保证其在电路异常情况下的正常工作，提高系统的可靠性和稳定性。

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的驱动电路VLA517的改进(全文)

摘要：大功率的IGBT广泛地应用在各类电力变换装置中。为了保障IGBT器件和VLA517可靠地工作，必须有效地设计与合理地使用IGBT保护电路。

关键词：IGBT；VLA517；驱动电路；保护电路

TG434.1A1006-3315（2022）11-179-001

IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是一种新型复合型器件。它具有高输入阻抗、低导通压降、热稳定性好、驱动电路简单、耐压高等几个方面的优点。IGBT专用高速驱动器VLA517是常用的集成驱动电路，它是EXB841的改进型。

一、VLA517的工作原理剖析

VLA517是IGBT驱动专用模块，它由放大电路、过流保护、5V基准电压和输出等部分组成。工作电压为+20V，采用高速光耦实现隔离。其结构和工作原理如下。

（一）导通过程

（二）关断过程

（三）过流保护动作

（一）降低过流保护的阈值

在快速恢复二极管后面串接相同规格的二极管，其个数根据保护阈值而定，或者反相串接一个稳压管[2]，以保证在IGBT轻度过流时，就能发现并有效地关断。连接电路如图2所示，。该电路是在快恢复二极管后串联了一个3V的稳压管IN4727，以降低过流保护的阈值。 （二）VLA517内部1号和9号管脚内的稳压二极管易损问题的解决办法

VLA517的管脚1和9间的稳压二极管VZ2的额定功率为0.5W，易于损坏[3]。VZ2损坏以后，1号管脚将悬空。通过设计外部电路，可以避免VZ2的损坏。具体做法是在VLA517的管脚2和9之间串接一个电阻和一个稳压管，利用IN4733向IGBT的E极提供的5V电位。这样，即使VZ1已损坏，VLA517仍然可以正常使用，只需更换VZ1即可。如图2所示，C2和R3构成吸收回路。

图2改进后的VLA517的驱动电路图

总之，通过降低过流保护阈值，确保了IGBT的安全性；通过外加电路改造了VLA517，使稳压管损坏后便于更换，因而降低了成本，使用更安全、可靠。改进后的电路已经用于配电单项接地的故障信号源的发生器中。