IGBT模塊驅動及保護技術

4 IGBT的驅動電路

IGBT的驅動電路必須具備2個功能：一是實現控制電路與被驅動IGBT柵極的電隔離；二是提供合適的柵極驅動脈沖。實現電隔離可采用脈沖變壓器、微分變壓器及光電耦合器。

圖3為采用光耦合器等分立元器件構成的IGBT驅動電路。當輸入控制信號時，光耦VLC導通，晶體管V₂截止，V₃導通輸出＋15V驅動電壓。當輸入控制信號為零時，VLC截止，V₂、V₄導通，輸出－10V電壓。＋15V和－10V電源需靠近驅動電路，驅動電路輸出端及電源地端至IGBT柵極和發射極的引線應采用雙絞線，長度最好不超過0.5m。

圖 3 由 分 立 元 器 件 構 成 的 IGBT驅 動 電 路

圖4為由集成電路TLP250構成的驅動器。TLP250內置光耦的隔離電壓可達2500V，上升和下降時間均小于0.5μs，輸出電流達0.5A，可直接驅動50A/1200V以內的IGBT。外加推挽放大晶體管后，可驅動電流容量更大的IGBT。TLP250構成的驅動器體積小，價格便宜，是不帶過流保護的IGBT驅動器中較理想的選擇。

圖4 由 集 成 電 路TLP250構 成 的 驅 動 器

5 IGBT的過流保護

IGBT的過流保護電路可分為2類：一類是低倍數的（1.2～1.5倍）的過載保護；一類是高倍數（可達8～10倍）的短路保護。

對于過載保護不必快速響應，可采用集中式保護，即檢測輸入端或直流環節的總電流，當此電流超過設定值后比較器翻轉，封鎖所有IGBT驅動器的輸入脈沖，使輸出電流降為零。這種過載電流保護，一旦動作后，要通過復位才能恢復正常工作。

IGBT能承受很短時間的短路電流，能承受短路電流的時間與該IGBT的導通飽和壓降有關，隨著飽和導通壓降的增加而延長。如飽和壓降小于2V的IGBT允許承受的短路時間小于5μs，而飽和壓降3V的IGBT允許承受的短路時間可達15μs，4～5V時可達30μs以上。存在以上關系是由于隨著飽和導通壓降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路電流同時增大，短路時的功耗隨著電流的平方加大，造成承受短路的時間迅速減小。

通常采取的保護措施有軟關斷和降柵壓2種。軟關斷指在過流和短路時，直接關斷IGBT。但是，軟關斷抗騷擾能力差，一旦檢測到過流信號就關斷，很容易發生誤動作。為增加保護電路的抗騷擾能力，可在故障信號與啟動保護電路之間加一延時，不過故障電流會在這個延時內急劇上升，大大增加了功率損耗，同時還會導致器件的di/dt增大。所以往往是保護電路啟動了，器件仍然壞了。

降柵壓旨在檢測到器件過流時，馬上降低柵壓，但器件仍維持導通。降柵壓后設有固定延時，故障電流在這一延時期內被限制在一較小值，則降低了故障時器件的功耗，延長了器件抗短路的時間，而且能夠降低器件關斷時的di/dt，對器件保護十分有利。若延時后故障信號依然存在，則關斷器件，若故障信號消失，驅動電路可自動恢復正常的工作狀態，因而大大增強了抗騷擾能力。

上述降柵壓的方法只考慮了柵壓與短路電流大小的關系，而在實際過程中，降柵壓的速度也是一個重要因素，它直接決定了故障電流下降的di/dt。慢降柵壓技術就是通過限制降柵壓的速度來控制故障電流的下降速率，從而抑制器件的dv/dt和u_ce的峰值。圖5給出了實現慢降柵壓的具體電路。

圖5 實現慢降柵壓的電路