解读各种IGBT驱动电路和IGBT保护方法

2SD315A内部主要有三大功能模块构成，分别是LDI(Logic To Driver Interface,逻辑驱动转换接口)、IGD(Intelligent Gate Driver,智能门极驱动)和输入与输出相互绝缘的DC/DC转换器。当外部输入PWM信号后，由LDI进行编码处理，为保证信号不受外界条件的 干扰，处理过的信号在进入IGD前需用高频隔离变压器进行电气隔离。从隔离变压器另一侧接收到的信号首先在IGD单元进行解码，并把 解码后的PWM信号进行放大(±15V/±15A)以驱动外接大功率IGBT.当智能门极驱动单元IGD内的过流和短路保护电路检测到IGBT发生过 流和短路故障时，由封锁时间逻辑电路和状态确认电路产生相应的响应时间和封锁时间，并把此时的状态信号进行编码送到逻辑控制单 元LDI.LDI单元对传送来的IGBT工作状态信号进行解码处理，使之在控制回路中得以处理。为防止2SD315A的两路输出驱动信号相互干扰 ,由DC/DC转换器提供彼此隔离的电源供电。

2SD315使用时注意事项：

a、工作模式

驱动模块的模式选择端MOD外接+15V电源，输入引脚RC1和RC2接地，为直接工作模式。逻辑控制电平采用+15V,信号输入管脚InA、InB连 接在一起接收来自单片机的脉冲信号。2SD315A的SO1和SO2两只管脚输出通道的工作状态。当MOD接地时，MOD接地。通常半桥模式都是驱动一个直流母线上的一个桥臂，为避免上下桥臂直通必须设置死区时间，在死区时间里两个 管子同时关断。因此，RC 1, RC2端子必须根据要求外接RC网络来产生死区时间，死区时间一般可以从100n,到几个ms.图中所示的RC 1, RC2分别连接lOk.的电阻和100pF的电容，这样产生的死区时间大约是500ns.

b、端口VL/Reset

这个端子是用来定义具有施密特性质的输入InA和InB的，使得输入在2/3VL时开通，在I/3 VL时作为关断信号。当PWM信号是TTL电平时， 该端子连接如图3-5所示，当输入InA和InB信号为15V的时候，该端子应该通过一个大约1K左右的电阻连接到++15V电源上，这样开启和关 断电压分别应该是lov和5V.另外，输入UL/Reset端还有另外的功能：如果其接地，则逻辑驱动接口单元l.DI001内的错误信息被清除。

c、门极输出端

门极输出Gx端子接电力半导体的门极，当SCALE驱动器用15V供电的时候，门极输出土15V.负的门极电压由驱动器内部产生。使用如图3-6 结构的电路可以实现开通和关断的速度的不一样，增加了用户使用的灵活性。

d、布局和布线

驱动器应该尽可能近的和功率半导体放在一起，这样从驱动器到电力晶体管的引线就会尽可能的短，一般来说驱动器的连线尽量不要长 过10厘米。同时一般要求到集电极和发射极的引线采用绞合线，还有可以在IGBT的门极和发射极之间连接一对齐纳稳压二极管(15~18V) 来保护IGBT不会被击穿。

驱动模块的模式选择端MOD外接+15V电源，输入引脚RC1和RC2接地，为直接工作模式。逻辑控制电平采用+15V,信号输入管脚InA、InB连 接在一起接收来自单片机的脉冲信号，进行同步控制。2SD315A的SO1和SO2两只管脚外接三极管和光耦用来向单片机输出两输出通道的 工作状态，其输出端结构皆为集电极开路输出，可以通过外接上拉电阻以适用于各种电平逻辑。在管脚SO1、SO2和电源之间，以及VisoX 和LSX之间加发光二极管进行故障指示。正常情况下SO1和SO2输出皆为高电平，上电后D3和D4先亮，延时几秒后熄灭，同时D8和D15发亮。

当检测到故障信号时，SO1和SO2的输出电平被拉低到地，即D3和D4发亮，同时D8和D15闪烁。2SD315A是通过监测UCE(sat)来判断回路是否 短路和过流，当检测到一路或两路发生过流现象时，检测电路会把异常状态回馈到驱动模块，驱动模块内部会产生一个故障信号并将它 锁存，锁存时间为1s,在这段时间内，驱动模块不再输出信号，而是将两组IGBT及时关断予以保护。同时，状态输出管脚SO1和SO2的高电平 被拉低，光耦TLP521导通，两路状态信号通过或门74LS32送给单片机。为防止因关断速度太快在IGBT的集电极上产生很高的反电动势，在 门极输出端采用如图3.11所示的电路结构实现开通和关断速度的不同。开通时门极电阻为3.4Ω，关断时电阻为6.8Ω，二极管采用快恢 复型，这样就使关断速度下降到安全水平。这是一张缩略图，点击可放大。按住CTRL,滚动鼠标滚轮可自由缩放

IGBT短路失效机理

IGBT负载短路下的几种后果

(1) 超过热极限：半导体的本征温度极限为250℃，当结温超过本征温度，器件将丧失阻断能力，IGBT负载短路时，由于短路电流时结温升 高，一旦超过其热极限时，门级保护也相应失效。

(2) 电流擎住效应：正常工作电流下，IGBT由于薄层电阻Rs很小，没有电流擎住现象，但在短路状态下，由于短路电流很大，当Rs上的压降 高于0.7V时，使J1正偏，产生电流擎住，门级便失去电压控制。

(3) 关断过电压：为了抑制短路电流，当故障发生时，控制电路立即撤去正门级电压，将IGBT关断，短路电流相应下降。由于短路电流大， 因此，关断中电流下降率很高，在布线电感中将感生很高的电压，尤其是在器件内封装引线电感上的这种感应电压很难抑制，它将使器件 有过电流变为关断过电压而失效

IGBT过流保护方法

(1) 减压法：是指在故障出现时，降低门级电压。由于短路电流比例于外加正门级电压Ug1,因此在故障时，可将正门级电压降低。

(2) 切断脉冲方法：由于在过流时，Uce电压升高，我们利用检测集电极电压的方法来判断是否过流，如果过流，就切断触发脉冲。同时尽 量采用软关断方式，缓解短路电流的下降率，避免产生过电压造成对IGBT的损坏。