三电平逆变器IGBT驱动和保护电路的实现

摘    要：本文针对IGBT对驱动电路的要求，提出并分析了一种廉价的、适用于三电平逆变器的IGBT驱动和保护电路，并给出了设计时需要注意的问题。
关键词：三电平逆变器； IGBT； 驱动保护

引言
由于三电平电压型逆变器对主元件的耐压要求可降低一半，而且输出波形好，因而一出现就显示了巨大的优越性。本设计方案中三电平电压型逆变器由12个IGBT单元和钳位二极管等组成中性点钳位电路。有三个电平(+E、0和-E)输出，在直流中间环节电容分压对称时，就有27种不同的输出状态。由于主电路中有12只IGBT，因此需要12路驱动电路。如果每路驱动电路采用独立开关电源+驱动模块+IGBT的常用模式，则成本非常高。在这种情况下，就很有必要设计一种廉价、实用且有效的IGBT驱动保护电路，既能降低成本，又不至于削弱电路的各种性能。

IGBT对驱动电路的基本要求
作为三电平逆变器的主要功率开关器件，IGBT的工作状态直接关系到整个系统的性能。所以设计合理的驱动电路显得尤为重要。理想的驱动电路应具有以下基本性能：
1. 要求驱动电路为IGBT提供一定幅值的正反向栅极电压Vge。正向Vge越高，器件Vces越低，越有利于降低器件的通态损耗。但为了限制短路电流幅值，一般不允许Vge超过+20V。关断IGBT时，必须为器件提供-5V~-15V的反向Vge，以便尽快抽取器件内部的存储电荷，缩短关断时间，提高IGBT的耐压和抗干扰能力。
2. 要求驱动电路具有隔离输入输出信号的功能，同时要求在驱动电路内部信号传输无延时或延时很小。
3. 要求在栅极回路中必须串联合适的栅极电阻Rg，用以控制Vge的前后沿陡度，进而控制器件的开关损耗。Rg增大，Vge前后沿变缓，IGBT开关过程延长，开关损耗增加；Rg减小，Vge前后沿变陡，器件开关损耗降低，同时集电极电流变化率增大。因此，Rg的选择应根据IGBT的电流容量、额定电压及开关频率，一般取几欧姆到几十欧姆。
4. 驱动电路应具有过压保护和dv/dt保护能力。当发生短路或过流故障时，理想的驱动电路还应该具备完善的短路保护功能。

IGBT驱动和保护电路的实现
根据以上对IGBT驱动及短路保护电路的讨论，本文设计了一种具有完善短路保护功能的隔离式IGBT驱动和保护电路，如图1所示。
驱动电路
驱动电路由两部分组成：载波部分和驱动部分。
载波部分由74HC02、晶振、74LS74、75452和脉冲变压器组成。利用调制解调的原理，脉冲变压器既利用高频信号传递能量，同时又对驱动信号进行调制。由或非门74HC02和晶振构成多谐振荡器，产生2MHz的高频载波信号。由于脉冲变压器工作在推挽方式下，因此需要两个相位相差180男藕牛珼触发器74LS74的两个反相输出端提供两个反相信号驱动75452。75452是—个集成驱动器。当驱动信号PWM1和故障信号GZ1同时为高电平时，与门74HC08输出高电平，75452选通，高频载波信号驱动变压器，将驱动功率和驱动信号同时传递到驱动部分。当PWM1和GZ1中有一个为低电平时，封锁高频载波信号，驱动级靠储存的能量维持工作。同时，脉冲变压器工作在推挽方式下，还可以将驱动器75452的压降钳位在2倍的工作电压(即10V)上，以防止过电压烧坏75452。
驱动部分由VD1~VD6、C5~C8、VZ1、VZ2、C1、R1、V2、R3、V3和V4组成。其中，VD3~VD6作为全桥整流，C5~C8为滤波电容，将高频载波信号中的能量储存在电容中，用来提供驱动功率。VDl和VD2实现反向全波整流，既避免了与正向全桥整流竞争，又可用于分辨驱动信号。VZ1和VZ2用于稳压，为后级电路提供一个稳定的