IGBT驅(qū)動與短路保護解析
一、IGBT 簡介
IGBT 是一種新型功率器件，兼具電壓和電流容量高的優(yōu)勢。其開關(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
集電極電流拖尾問題 ：IGBT 的集電極電流存在一個較長的拖尾現(xiàn)象，導(dǎo)致關(guān)斷時間相對較長。通常，在關(guān)斷過程中需要加入負電壓以加速關(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)較大短路電流時像保護 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。這會因引腳和回路雜散電感的影響，使 UCE 感應(yīng)出高電壓，進而損壞 IGBT。
三、IGBT 短路保護策略
IGBT 的短路保護主要通過檢測 CE 極的飽和壓降來實現(xiàn)。當(dāng)集電極電流過大或發(fā)生短路時，IGBT 會退出飽和區(qū)，進入放大區(qū)。此時，直接快速關(guān)斷 IGBT 并非明智之舉，我們可以通過降低柵極電壓的方式來減小集電極電流。這樣做既可以延長保護時間的耐量，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 的短路耐量僅有 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，降柵壓的時間不宜過快，通常應(yīng)控制在 2μS 左右。如此一來，集電極電流從很大的短路電流降至過載保護的 1.2 - 1.5 倍所需時間也能得到合理控制。如果在過載保護的延時內(nèi)短路情況消失，IGBT 可以自動恢復(fù)；若短路電流依然超過過載保護電流，則由過載保護電路負責(zé)關(guān)斷 IGBT。
鑒于此，IGBT 的短路保護通常與過載保護協(xié)同工作。下面展示一個 TLP250 增加慢降柵壓的驅(qū)動和短路保護的應(yīng)用電路圖：
在正常工作狀態(tài)下，因 D2 的導(dǎo)通，ZD1 的負端電位不足以使 ZD1 導(dǎo)通，進而 Q1 截止；同時，D1 的負端為高電平，Q3 也處于截止狀態(tài)。此時，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)動信號變?yōu)楦唠娖綍r，ZD1 被擊穿，C2 能使 Q1 的開通產(chǎn)生一小段延時。這樣，在 Q3 導(dǎo)通時，可以擁有一小段下降時間，有效避免了正常工作時保護電路的誤保護。
ZD1 被擊穿后，得益于 C2 的存在，Q1 經(jīng)過短暫延時后導(dǎo)通。隨后，C1 開始通過 R4、Q1 充電，D1 的負端電位隨之下降。當(dāng) D1 的負端電位降至 D1 與 Q3be 結(jié)的壓降之和時，Q3 開始導(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，ZD2 被擊穿，C1 停止充電，降柵壓過程結(jié)束，柵極電壓被鉗位在一個固定電平上。此時，Q3 的集電極電流也被降低至一個固定水平。
四、IGBT 過電流保護
IGBT 的過電流保護旨在將短路電流限制在安全工作范圍內(nèi)，防止 IGBT 因過流而損壞。當(dāng)上下電極同時導(dǎo)通時，電源電壓幾乎全部施加在開關(guān)上，此時高短路電流極易損壞器件。
以下是一種包含隔離光耦和過電流保護的 IGBT 驅(qū)動電路：
（一）隔離光耦（6N137）
高速隔離光耦 6N137 實現(xiàn)了輸入和輸出信號之間的電氣隔離，特別適用于高頻應(yīng)用場合。
（二）驅(qū)動電路
采用推挽輸出配置的驅(qū)動電路能夠有效降低輸出阻抗，增強驅(qū)動能力，使其適用于高功率 IGBT 的驅(qū)動需求。
（三）過電流保護
過電流保護電路依據(jù)集電極飽和原理工作。當(dāng)過電流發(fā)生時，IGBT 將被關(guān)閉。該保護機制涉及 V1、V3、V4、D1、R6、R7 和 V2 等組件，它們協(xié)同檢測和響應(yīng)過電流條件。此外，電路中還配備有額外的雙向電壓穩(wěn)壓器（D3 和 D4），用于保護電源器件免受靜電放電的損害。
IGBT 的驅(qū)動與保護電路設(shè)計對于其穩(wěn)定、安全運行至關(guān)重要。通過合理的電路設(shè)計與保護策略，可以充分發(fā)揮 IGBT 的性能優(yōu)勢，同時有效避免因短路、過流等問題導(dǎo)致的器件損壞，對于提高電力電子系統(tǒng)的可靠性具有重要意義。
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