IGBT驱动保护电路的设计与测试.doc

IGBT驱动保护电路的设计与测试 胡 宇 吕征宇 浙江大学电气工程学院 310027 摘要：本文在分析IGBT的动态开关特性和过流状态下的电气特性的基础上，通过对常规的IGBT推挽驱动电路进行改进，得到了具有良好过流保护特性的IGBT驱动电路。该电路简单，可靠，易用，配合DSP等控制芯片能达到很好的驱动效果。 Abstract: Based on the studies on the dynamic switching and over-current characteristics of IGBT,this paper makes some improvments to the original push-pull driving circuit, obtains a new IGBT driving circuit which has a good over-current protection function.The circuit is simple,reliable and easy to use.Combined with controlling chips such as DSP it will do a great job in driving applications. 关键词：IBGT；开关特性；驱动；过流保护； Key Words:IGBT;switching characteristics;driving;over-current protection 1 引言 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 2.1 IGBT的开关特性 图1 IGBT等效电路 图2 IGBT开关波型 图3 IGBT静态特性曲线 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的开关过程大致相似。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下降过程中，由于和MOSFET一样的密勒电容CGC的作用，栅极电压基本恒定，延缓了IGBT的开通过程，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，加快开通速度。 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。 2.2 IGBT驱动电路的要求 2.2.1 开通正栅压 如图3 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。相反如果VGE过小，可能会使IGBT的工作点落入线性放大区，最终导致器件的过热损坏，比较理想的IGBT驱动电压范围是12VVGE18V。 2.2.2 关断栅压选择 IGBT的关断过程可能会承受很大的dv/dt，伴随关断浪涌电流，干扰栅极的关断电压，可能造成器件的误开通。为提高驱动电路的抗干扰能力，在关断时栅极加适当的负偏压，一般取为-10VVGE-5V。 2.2.3 栅极串联电阻Rg的选择 从IGBT的开关特性的分析可以看出，Rg直接影响IGBT的工作情况。为提高开关频率，Rg取值应该尽量小。但如果Rg取值过小，会导致栅射极之间的充放电时间常数小，开通瞬间电流较大，从而损坏IGBT；而若Rg取值过大，虽然在抑制dv/dt方面很有效果，但增加了IGBT的开关时间和开关损耗，严重影响IGBT的性能和工作状态。Rg的取值大概是十几欧到几百欧之间，具体的值应该根据应用的实际情况选取最佳值。 3 驱动电路的保护 3.1 过流保护 3.1.1 过电流损坏内部有寄生晶闸管，在规定漏极电流范围内，正偏压不足以使晶体管导通，漏极电流大到一定程度，正偏压足以使晶体管导通，近而使寄生晶闸管开通，栅极失去控制，发生效应集电极