三种IGBT驱动电路和保护方法详解

IGBT应用时需要做哪些保护措施由于IGBT工作在高频与高电压、大电流的条件下，因而，IGBT 除了要作降额考虑外，对IGBT的保护设计需要重点考虑。

(一)IGBT的工作原理IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定：——IGBT栅极与发射极之间的电压;——IGBT集电极与发射极之间的电压;——流过IGBT集电极-发射极的电流;——IGBT的结温。

如果IGBT栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过高超过栅极-发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏;同样，如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极-发射极之间的耐压，流过IGBT集电极-发射极的电流超过集电极-发射极允许的最大电流，IGBT的结温超过其结温的允许值，IGBT都可能会永久性损坏。

(二)保护措施(1) IGBT栅极的保护IGBT的栅极-发射极驱动电压VGE的保证值为±20V，如果超出保证值的电压，则可能会损坏IGBT，因此，在IGBT的驱动电路中设置栅压限幅电路。

另外，若IGBT的栅极与发射极间开路，由于栅极与集电极和发射极之间寄生电容的存在，使得栅极电位升高，集电极-发射极有电流流过。

这时若集电极和发射极间处于高压状态时，可能会使IGBT发热甚至损坏。

为防止此类情况发生，应在IGBT的栅极与发射极间并接一只几十kΩ的电阻，此电阻应尽量靠近栅极与发射极。

由于IGBT其栅极为MOS结构，对于静电压也是十分敏感的，故而对IGBT进行装配焊接作业时也必须注意以下事项：——在需要用手接触IGBT前，，必须接触时要保证此时人体上所带的静电已全部放掉;——在焊接作业时，为了防止静电可能损坏IGBT，焊机一定要可靠地接地。

(2) 集电极与发射极间的过压保护(2.1)直流过压产生的原因是由于前一级输入发生异常。

解决的办法是在选取IGBT时，进行降额设计;另外，可在检测出这一过压时分断IGBT的输入，保证IGBT的安全。

(2.2) 浪涌电压的保护因为电路中分布电感的存在，加之IGBT的开关速度较高，当IGBT 关断时及与之并接的反向恢复二极管逆向恢复时，就会产生很大的浪涌电压Ldi/dt。

IGBT高压大功率驱动和保护电路的应用解析引言IGBT在以变频器及各类电源为代表的电力电子装置中得到了广泛应用。

IGBT集双极型功率晶体管和功率MOSFET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、通断速度快和工作频率高等优点。

但是，IGBT和其它电力电子器件一样，其应用还依赖于电路条件和开关环境。

因此，IGBT的驱动和保护电路是电路设计的难点和重点，是整个装置运行的关键环节。

为解决IGBT的可靠驱动问题，国外各IGBT生产厂家或从事IGBT应用的企业开发出了众多的IGBT 驱动集成电路或模块，如国内常用的日本富士公司生产的EXB8系列，三菱电机公司生产的M579系列，美国IR公司生产的IR21系列等。

但是，EXB8系列、M579系列和IR21系列没有软关断和电源电压欠压保护功能，而惠普生产的HCLP一316J有过流保护、欠压保护和1GBT软关断的功能，且价格相对便宜，因此，本文将对其进行研究，并给出1700V，200～300AIGBT的驱动和保护电路。

1、IGBT的工作特性IGBT是一种电压型控制器件，它所需要的驱动电流与驱动功率非常小，可直接与模拟或数字功能块相接而不须加任何附加接口电路。

IGBT的导通与关断是由栅极电压UGE来控制的，当UGE大于开启电压UGE（th）时IGBT导通，当栅极和发射极间施加反向或不加信号时，IGBT被关断。

IGBT与普通晶体三极管一样，可工作在线性放大区、饱和区和截止区，其主要作为开关器件应用。

在驱动电路中主要研究IGBT的饱和导通和截止两个状态，使其开通上升沿和关断下降沿都比较陡峭。

2、IGBT驱动电路要求在设计IGBT驱动时必须注意以下几点。

1）栅极正向驱动电压的大小将对电路性能产生重要影响，必须正确选择。

当正向驱动电压增大时，．IGBT的导通电阻下降，使开通损耗减小；但若正向驱动电压过大则负载短路时其短路电流IC随UGE增大而增大，可能使IGBT出现擎住效应，导致门控失效，从而造成IGBT的损坏；若正向驱动电压过小会使IGBT退出饱和导通区而进入线性放大区域，使IGBT过热损坏；使用中选12V≤UGE≤18V为好。

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。

1．3．2 IGBT短路保护电路策略从IGBT短路波形图可知，当IGBT短路发生时，电流上升至IGBT的4倍额定电流，驱动保护电路要将这个电流关断，这时的电流值比逆变器正常电流高4倍以上，势必产生很高的电压尖峰。

为了防止电压尖峰损坏IGBT，需要引入有源钳位电路。

因此，大功率IGBT短路保护电路的控制策略：(1)短路保护电路；(2)有源钳位电路。

1．3．3 大功率IGBT驱动电路的设计规范大功率IGBT驱动电路的设计规范：(1)采用隔离变压器；(2)采用Vcesat饱和压降进行短路检测和管理，包括软关断动作，以及采用不同的门极电阻进行开通和关断。

由于大功率IGBT驱动电路复杂，本文以瑞士CONCEPT公司最新推出的第二代SCALE-2模块2SC0435T作为核心部件，设计驱动电路。

与第一代SCALE-1模块2SD315A比较，2SC0435T改进了短路保护功能，增加了有源钳位功能。

2 大功率IGBT短路保护电路设计2．1 SCALE模块的内部结构SCALE模块内部主要由三个功能模块构成，即逻辑驱动转化接口LDI、电气隔离模块和智能栅极驱动IGD。

第一个功能模块是由辅助电源和信号输入两部分组成。

其中信号输入部分主要将控制器的PWM信号进行整形放大，并根据需要进行控制，之后传递到信号变压器，同时检测从信号变压器返回的故障信号，将故障信号处理后发送到故障输出端；辅助电源的功能是将输入的直流电压经过单端反激式变换电路，转换成两路隔离电源供给输出驱动放大器使用。

第二个功能模块是电气隔离模块，由两个传递信号的脉冲变压器和传递功率的电源变压器组成。

防止功率驱动电路中大电流、高电压对一次侧信号的干扰。

第三个功能模块是驱动信号输出模块，IGD主要对信号变压器的信号进行解调和放大，对IGBT的短路和过流进行检测，并进行故障存储和短路保护。

2．2 一代SCALE-1短路保护电路图3所示为CONCEPT第一代SCALE-1的经典IGBT保护电路，工作原理是：(1)当IGBT关断时，T1导通，电流源1被T1旁路，Ca的点位被钳在低位，比较器不翻转。

IGBT的保护方法IGBT有两个电流：电子流和空穴流。

电子流：E极的N+区-------栅极和P型半导体接触面的沟道------很厚的N-区-----P+区C极。

空穴流：C极P+区---------很厚的N-区--------穿过弧形的PN结J2结（J2的PN结对空穴有吸引力、加速作用）--------到达弧形的P区-------在弧形P区内向上-------到达发射极。

发射极金属层把发射区N+和弧形P区的上端短路，使J1的PN结两侧的发射N+和弧形P区上部短路，发射区N+区内的电子，受到PN结的阻挡，不能跨过圆弧状的P区,只能从圆弧P区与栅极之间的沟道流出发射区到达N-区-------P+区的C极。

空穴电流，流过J1---J2之间的弧形P区，向上到达发射，在P区内流动是，P区的电子极小，在P区产生的压降很低，极上图右的Rs很小，PNP管空穴电流在Rs上压降小于0.6V，保证NPN管不导通。

上图右是IGBT的等效电路图：发射极区的电子，通过沟道------即图中的NMOS管------到达PNP管的B极-----PNP 管导通-------产生空穴流：IGBT的C极--------PNP管的发射极------PNP管的C极------Rs------IGBT的E极。

因为Rs 极小-------Rs上压降极低-------NPN管不导通。

当过流和过热时，流过Rs的电流特大------Rs上电压超过0.6V------NPN导通-------加速PNP导通-------可控硅直通--------IGBT损坏。

为什么IGBT具有大电流、低内阻、饱和压降低的特点：因为有注入区P+层，G极加高电平后，形成N沟道，发射区N+区内高浓度的电阻从N沟道跑出来，形成电子流，给PNP管提供了基极电流，PNP管导通，注入区P+区向N-区漂移区（电阻率很大）注入空穴，致使漂移区N-区电阻率下降到很低，内阻很低，在饱和导通时饱和电流特大，饱和压降特低。

1．IGBT驱动电路的要求驱动电路的作用是将单片机输出的脉冲进行功率放大，以驱动IGBT，保证IGBT的可靠工作，驱动电路起着至关重要的作用，图1为典型的PWM信号控制图腾柱电路以驱动IGBT开通与关断。

对IGBT驱动电路的基本要求如下：图1 IGBT典型驱动电路○1触发脉冲要有足够快的上升速度和下降速度，即脉冲沿前后要陡峭；○2栅极串联电阻Rg要恰当，Rg过小，关断时间过短，关断时产生的集电极尖峰电压过高，Rg过大，器件开关速度降低，开关损耗增大。

○3栅极-射极电压(V GE)要恰当，增大删射正偏压对减小开通损耗与导通损耗有利，但也会使IGBT承受短路时间变短，续流二极管反向恢复电压增大。

因此正偏压要适当，通常为+15V。

为了保证在C-E间遇到噪声时可靠关断，关断时必须在栅极施加负偏压，以防止受到干扰时误开通和加快关断速度，减小关断损耗，幅值一般为-（5~10）V。

○4当IGBT处于负载短路或过流状态时，能在IGBT允许的时间内通过逐渐降低栅极电压自动抑制故障电流，实现IGBT的软关断。

驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响。

下面从以上四个方面分析三种驱动模块电路（驱动电路EXB841/840、SD315A集成驱动模块、M57959L/M57962L厚膜驱动电路）的特性。

2.驱动电路EXB841/8402.1．EXB841驱动芯片的内部特性及其原理EXB841驱动芯片是可作为600V400A或者1200V300A以下的IGBT驱动电路，具有单电源、正负偏压、过流检测及保护、软关断等特性。

驱动模块导通与关断时间都在1.5µs以内。

最大允许的开关频率为40KHz。

EXB 系列驱动器的各引脚功能如下：脚 1 ：连接用于反向偏置电源的滤波电容器；脚 2 ：电源（＋ 20V ）；脚 3 ：驱动输出；脚4 ：用于连接外部电容器，以防止过流保护电路误动作（大多数场合不需要该电容器）；脚 5 ：过流保护输出；脚 6 ：集电极电压监视；脚 7 、 8 ：不接；脚 9 ：电源地；脚 10 、 11 ：不接；脚 14 、 15 ：驱动信号输入（一，＋）；图2驱动电路EXB841/840EXB841 由放大部分、过流保护部分和5V 电压基准部分组成。

三电平逆变器IGBT驱动和保护电路的实现由于三电平电压型逆变器对主元件的耐压要求可降低一半，而且输出波形好，因而一出现就显示了巨大的优越性。

本设计方案中三电平电压型逆变器由12个IGBT单元和钳位二极管等组成中性点钳位电路。

有三个电平(+E、0和-E)输出，在直流中间环节电容分压对称时，就有27种不同的输出状态。

由于主电路中有12只IGBT，因此需要12路驱动电路。

如果每路驱动电路采用独立开关电源+驱动模块+IGBT的常用模式，则成本非常高。

在这种情况下，就很有必要设计一种廉价、实用且有效的IGBT驱动保护电路，既能降低成本，又不至于削弱电路的各种性能。

IGBT对驱动电路的基本要求作为三电平逆变器的主要功率开关器件，IGBT的工作状态直接关系到整个系统的性能。

所以设计合理的驱动电路显得尤为重要。

理想的驱动电路应具有以下基本性能：1. 要求驱动电路为IGBT提供一定幅值的正反向栅极电压Vge。

正向Vge越高，器件Vces 越低，越有利于降低器件的通态损耗。

但为了限制短路电流幅值，一般不允许Vge超过+20V。

关断IGBT时，必须为器件提供-5V~-15V的反向Vge，以便尽快抽取器件内部的存储电荷，缩短关断时间，提高IGBT的耐压和抗干扰能力。

2. 要求驱动电路具有隔离输入输出信号的功能，同时要求在驱动电路内部信号传输无延时或延时很小。

3. 要求在栅极回路中必须串联合适的栅极电阻Rg，用以控制Vge的前后沿陡度，进而控制器件的开关损耗。

Rg增大，Vge前后沿变缓，IGBT开关过程延长，开关损耗增加；Rg减小，Vge前后沿变陡，器件开关损耗降低，同时集电极电流变化率增大。

因此，Rg的选择应根据IGBT的电流容量、额定电压及开关频率，一般取几欧姆到几十欧姆。

4. 驱动电路应具有过压保护和dv/dt保护能力。

当发生短路或过流故障时，理想的驱动电路还应该具备完善的短路保护功能。

IGBT驱动和保护电路的实现根据以上对IGBT驱动及短路保护电路的讨论，本文设计了一种具有完善短路保护功能的隔离式IGBT驱动和保护电路，如图1所示。

IGBT驱动原理目录一、简介二、工作原理三、技术现状四、测试方法五、选取方法简介：绝缘栅双极晶体管 IGBT 是第三代电力电子器件，安全工作,它集功率晶体管 GTR 和功率场效应管MOSFET 的优点于一身，具有易于驱动、峰值电流容量大、自关断、开关频率高（10—40 kHz) 的特点，是目前发展最为迅速的新一代电力电子器件。

广泛应用于小体积、高效率的变频电源、电机调速、 UPS 及逆变焊机当中。

IGBT 的驱动和保护是其应用中的关键技术。

1 IGBT 门极驱动要求1.1 栅极驱动电压因 IGBT 栅极 - 发射极阻抗大，故可使用 MOSFET 驱动技术进行驱动，但 IGBT 的输入电容较 MOSFET 大，所以 IGBT 的驱动偏压应比 MOSFET 驱动所需偏压强。

图 1 是一个典型的例子。

在+20 ℃情况下,实测 60 A ， 1200 V 以下的 IGBT 开通电压阀值为 5 ～ 6 V ，在实际使用时，为获得最小导通压降,应选取Ugc ≥ (1.5 ～ 3）Uge(th） ,当 Uge 增加时，导通时集射电压 Uce 将减小，开通损耗随之减小,但在负载短路过程中 Uge 增加,集电极电流 Ic 也将随之增加，使得 IGBT 能承受短路损坏的脉宽变窄，因此 Ugc 的选择不应太大，这足以使 IGBT 完全饱和，同时也限制了短路电流及其所带来的应力（在具有短路工作过程的设备中，如在电机中使用 IGBT 时， +Uge 在满足要求的情况下尽量选取最小值，以提高其耐短路能力）。

1。

2 对电源的要求对于全桥或半桥电路来说,上下管的驱动电源要相互隔离，由于 IGBT 是电压控制器件，所需要的驱动功率很小,主要是对其内部几百至几千皮法的输入电容的充放电,要求能提供较大的瞬时电流,要使 IGBT 迅速关断，应尽量减小电源的内阻，并且为防止 IGBT 关断时产生的 du/dt 误使 IGBT 导通，应加上一个 -5 V 的关栅电压，以确保其完全可靠的关断（过大的反向电压会造成 IGBT 栅射反向击穿，一般为 -2 ～ 10 V 之间 ) .1。

IGBT驱动保护及典型应用S y摘要IGBT（绝缘栅双极晶体管）是一种复合了功率场效应管和电力晶体管的优点而产生的一种新型复合器件,它同时具有MOSFET的高速开关及电压驱动特性和双极晶体管的低饱和电压特性，易实现较大电流的能力，既具有输入阻抗高、工作速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又具有通态电压低、耐压高和承受电流大的优点。

近年来IGBT成为电力电子领域中尤为瞩目的电力电子器件，并得到越来越广泛的应用。

本文主要介绍了IGBT的基本结构、工作原理、驱动电路，同时简要概括了IGBT模块的选择方法和保护措施等，最后对IGBT的实际典型应用进行了分析介绍，通过对IGBT 的学习，来探讨IGBT在当代电力电子领域的广泛应用和发展前景。

关键词：IGBT；绝缘栅双极晶体管；驱动电路；保护电路；变频器；电力电子器件目录引言 (1)1、IGBT的基本结构 (1)2、IGBT的工作原理 (3)2.1 IGBT的工作特性 (3)3、 IGBT的驱动 (5)3.1驱动电路设计要求 (5)3.2 几种常用IGBT的驱动电路 (6)4、IGBT驱动保护 (7)4.1 驱动保护电路的原则 (7)4.2 IGBT栅极的保护 (8)4.3 IGBT的过电流保护 (9)4.3.1 驱动过流保护电路的驱动过流保护原则 (9)4.3.2 IGBT过流保护电路设计 (9)4.3.3具有过流保护功能的IGBT驱动电路的研究 (11)134.5 IGBT的过热保护 (15)4.6 IGBT驱动保护设计总结 (15)5.IGBT专用集成驱动模块M57962AL介绍 (16)19结论 (20)参考文献 (21)引言随着国民经济各领域与国防工业对于电能变换和处理的要求不断提高，以及要满足节能与新能源开发的需求，作为电能变换装置核心部件的功率半导体器件也起着越来越重要的作用。

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）自1982年由GE公司和RCA公司宣布以来，引起世界许多半导体厂家和研究者的重视，伴随而来的是IGBT的技术高速发展，其应用领域不断扩展它不仅在工业应用中取代了MOSFET和GTR（Giant Transistor，巨型晶体管），甚至已扩展到SCR（Silicon Controlled Rectifier，可控硅整流器）和GTO（Gate Turn-Off Thyristor，门控晶闸管）占优势的大功率应用领域，还在消费类电子应用中取代了BJT和MOSFET功率器件的许多应用领域IGBT额定电压和额定电流所覆盖的输出容量已达到6MVA，商品化IGBT模块的最大额定电流已达到3.6 kA，最高阻断电压为6.5kV，并已成功应用在许多中、高压电力电子系统中。