IGBT驅(qū)動(dòng)與短路保護(hù)解析
一、IGBT 簡(jiǎn)介
IGBT 是一種新型功率器件，兼具電壓和電流容量高的優(yōu)勢(shì)。其開(kāi)關(guān)速度雖較雙極型晶體管快，但略遜于 MOS 管，因此在各類電源領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，IGBT 也存在一些不足之處。
二、IGBT 的缺點(diǎn)
集電極電流拖尾問(wèn)題 ：IGBT 的集電極電流存在一個(gè)較長(zhǎng)的拖尾現(xiàn)象，導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。通常，在關(guān)斷過(guò)程中需要加入負(fù)電壓以加速關(guān)斷。
抗 DI/DT 能力差 ：與 MOS 管不同，IGBT 的抗 DI/DT 能力較弱。若在出現(xiàn)較大短路電流時(shí)像保護(hù) MOS 管一樣快速關(guān)斷 IGBT，很可能在集電極引發(fā)很高的 DI/DT。這會(huì)因引腳和回路雜散電感的影響，使 UCE 感應(yīng)出高電壓，進(jìn)而損壞 IGBT。
三、IGBT 短路保護(hù)策略
IGBT 的短路保護(hù)主要通過(guò)檢測(cè) CE 極的飽和壓降來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)集電極電流過(guò)大或發(fā)生短路時(shí)，IGBT 會(huì)退出飽和區(qū)，進(jìn)入放大區(qū)。此時(shí)，直接快速關(guān)斷 IGBT 并非明智之舉，我們可以通過(guò)降低柵極電壓的方式來(lái)減小集電極電流。這樣做既可以延長(zhǎng)保護(hù)時(shí)間的耐量，又能減小集電極的 DI/DT。
若不采取降低柵極電壓的措施，不同飽和壓降的 IGBT 的短路耐量差異顯著：
2V 以下飽和壓降的 IGBT 的短路耐量?jī)H有 5μS。
3V 飽和壓降的 IGBT 的短路耐量約為 10 - 15μS。
4 - 5V 飽和壓降的 IGBT 的短路耐量約為 30μS。
此外，降低柵極電壓時(shí)，降柵壓的時(shí)間不宜過(guò)快，通常應(yīng)控制在 2μS 左右。如此一來(lái)，集電極電流從很大的短路電流降至過(guò)載保護(hù)的 1.2 - 1.5 倍所需時(shí)間也能得到合理控制。如果在過(guò)載保護(hù)的延時(shí)內(nèi)短路情況消失，IGBT 可以自動(dòng)恢復(fù)；若短路電流依然超過(guò)過(guò)載保護(hù)電流，則由過(guò)載保護(hù)電路負(fù)責(zé)關(guān)斷 IGBT。
鑒于此，IGBT 的短路保護(hù)通常與過(guò)載保護(hù)協(xié)同工作。下面展示一個(gè) TLP250 增加慢降柵壓的驅(qū)動(dòng)和短路保護(hù)的應(yīng)用電路圖：
在正常工作狀態(tài)下，因 D2 的導(dǎo)通，ZD1 的負(fù)端電位不足以使 ZD1 導(dǎo)通，進(jìn)而 Q1 截止；同時(shí)，D1 的負(fù)端為高電平，Q3 也處于截止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)，C1 未充電，兩端電位為 0。一旦 IGBT Q3 短路，它將退出飽和狀態(tài)，集電極電位迅速上升，導(dǎo)致 D2 由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止。
當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，ZD1 被擊穿，C2 能使 Q1 的開(kāi)通產(chǎn)生一小段延時(shí)。這樣，在 Q3 導(dǎo)通時(shí)，可以擁有一小段下降時(shí)間，有效避免了正常工作時(shí)保護(hù)電路的誤保護(hù)。
ZD1 被擊穿后，得益于 C2 的存在，Q1 經(jīng)過(guò)短暫延時(shí)后導(dǎo)通。隨后，C1 開(kāi)始通過(guò) R4、Q1 充電，D1 的負(fù)端電位隨之下降。當(dāng) D1 的負(fù)端電位降至 D1 與 Q3be 結(jié)的壓降之和時(shí)，Q3 開(kāi)始導(dǎo)通，Q2、Q4 的基極電位下降，Q3 的柵極電壓也隨之降低。
當(dāng) C1 充電至 ZD2 的擊穿電壓時(shí)，ZD2 被擊穿，C1 停止充電，降柵壓過(guò)程結(jié)束，柵極電壓被鉗位在一個(gè)固定電平上。此時(shí)，Q3 的集電極電流也被降低至一個(gè)固定水平。
四、IGBT 過(guò)電流保護(hù)
IGBT 的過(guò)電流保護(hù)旨在將短路電流限制在安全工作范圍內(nèi)，防止 IGBT 因過(guò)流而損壞。當(dāng)上下電極同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電源電壓幾乎全部施加在開(kāi)關(guān)上，此時(shí)高短路電流極易損壞器件。
以下是一種包含隔離光耦和過(guò)電流保護(hù)的 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路：
（一）隔離光耦（6N137）
高速隔離光耦 6N137 實(shí)現(xiàn)了輸入和輸出信號(hào)之間的電氣隔離，特別適用于高頻應(yīng)用場(chǎng)合。
（二）驅(qū)動(dòng)電路
采用推挽輸出配置的驅(qū)動(dòng)電路能夠有效降低輸出阻抗，增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，使其適用于高功率 IGBT 的驅(qū)動(dòng)需求。
（三）過(guò)電流保護(hù)
過(guò)電流保護(hù)電路依據(jù)集電極飽和原理工作。當(dāng)過(guò)電流發(fā)生時(shí)，IGBT 將被關(guān)閉。該保護(hù)機(jī)制涉及 V1、V3、V4、D1、R6、R7 和 V2 等組件，它們協(xié)同檢測(cè)和響應(yīng)過(guò)電流條件。此外，電路中還配備有額外的雙向電壓穩(wěn)壓器（D3 和 D4），用于保護(hù)電源器件免受靜電放電的損害。
IGBT 的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路設(shè)計(jì)對(duì)于其穩(wěn)定、安全運(yùn)行至關(guān)重要。通過(guò)合理的電路設(shè)計(jì)與保護(hù)策略，可以充分發(fā)揮 IGBT 的性能優(yōu)勢(shì)，同時(shí)有效避免因短路、過(guò)流等問(wèn)題導(dǎo)致的器件損壞，對(duì)于提高電力電子系統(tǒng)的可靠性具有重要意義。
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