详解IGBT驱动系统方案

　　图4 由集成电路TLP250构成的驱动器

　　图4为由集成电路TLP250构成的驱动器。TLP250内置光耦的隔离电压可达2500V，上升和下降时间均小于0.5μs，输出电流达0.5A，可直接驱动50A/1200V以内的IGBT。外加推挽放大晶体管后，可驱动电流容量更大的IGBT。TLP250构成的驱动器体积小，价格便宜，是不带过流保护的IGBT驱动器中较理想的选择。

　　IGBT的过流保护

　　IGBT的过流保护电路可分为2类：一类是低倍数的(1.2～1.5倍)的过载保护;一类是高倍数(可达8～10倍)的短路保护。

　　对于过载保护不必快速响应，可采用集中式保护，即检测输入端或直流环节的总电流，当此电流超过设定值后比较器翻转，封锁所有IGBT驱动器的输入脉冲，使输出电流降为零。这种过载电流保护，一旦动作后，要通过复位才能恢复正常工作。

　　IGBT能承受很短时间的短路电流，能承受短路电流的时间与该IGBT的导通饱和压降有关，随着饱和导通压降的增加而延长。如饱和压降小于2V的IGBT允许承受的短路时间小于5μs，而饱和压降3V的IGBT允许承受的短路时间可达15μs，4～5V时可达30μs以上。存在以上关系是由于随着饱和导通压降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路电流同时增大，短路时的功耗随着电流的平方加大，造成承受短路的时间迅速减小。

　　通常采取的保护措施有软关断和降栅压2种。软关断指在过流和短路时，直接关断IGBT。但是，软关断抗骚扰能力差，一旦检测到过流信号就关断，很容易发生误动作。为增加保护电路的抗骚扰能力，可在故障信号与启动保护电路之间加一延时，不过故障电流会在这个延时内急剧上升，大大增加了功率损耗，同时还会导致器件的di/dt增大。所以往往是保护电路启动了，器件仍然坏了。

　　降栅压旨在检测到器件过流时，马上降低栅压，但器件仍维持导通。降栅压后设有固定延时，故障电流在这一延时期内被限制在一较小值，则降低了故障时器件的功耗，延长了器件抗短路的时间，而且能够降低器件关断时的di/dt，对器件保护十分有利。若延时后故障信号依然存在，则关断器件，若故障信号消失，驱动电路可自动恢复正常的工作状态，因而大大增强了抗骚扰能力。

　　上述降栅压的方法只考虑了栅压与短路电流大小的关系，而在实际过程中，降栅压的速度也是一个重要因素，它直接决定了故障电流下降的di/dt。慢降栅压技术就是通过限制降栅压的速度来控制故障电流的下降速率，从而抑制器件的dv/dt和uce的峰值。图5给出了实现慢降栅压的具体电路。

　　图5 实现慢降栅压的电路

　　正常工作时，因故障检测二极管VD1的导通，将a点的电压钳位在稳压二极管VZ1的击穿电压以下，晶体管VT1始终保持截止状态。V1通过驱动电阻Rg正常开通和关断。电容C2为硬开关应用场合提供一很小的延时，使得V1开通时uce有一定的时间从高电压降到通态压降，而不使保护电路动作。

　　当电路发生过流和短路故障时，V1上的uce上升，a点电压随之上升，到一定值时，VZ1击穿，VT1开通，b点电压下降，电容C1通过电阻R1充电，电容电压从零开始上升，当电容电压上升到约1.4V时，晶体管VT2开通，栅极电压uge随电容电压的上升而下降，通过调节C1的数值，可控制电容的充电速度，进而控制uge的下降速度;当电容电压上升到稳压二极管VZ2的击穿电压时，VZ2击穿，uge被钳位在一固定的数值上，慢降栅压过程结束，同时驱动电路通过光耦输出过流信号。如果在延时过程中，故障信号消失了，则a点电压降低，VT1恢复截止，C1通过R2放电，d点电压升高，VT2也恢复截止，uge上升，电路恢复正常工作状态。

　　IGBT开关过程中的过电压

　　关断IGBT时，它的集电极电流的下降率较高，尤其是在短路故障的情况下，如不采取软关断措施，它的临界电流下降率将达到数kA/μs。极高的电流下降率将会在主电路的分布电感上感应出较高的过电压，导致IGBT关断时将会使其电流电压的运行轨迹超出它的安全工作区而损坏。所以从关断的角度考虑，希望主电路的电感和电流下降率越小越好。但对于IGBT的开通来说，集电极电路的电感有利于抑制续流二极管的反向恢复电流和电容器充放电造成的峰值电流，能减小开通损耗，承受较高的开通电流上升率。一般情况下IGBT开关电路的集电极不需要串联电感，其开通损耗可以通过改善栅极驱动条件来加以控制。

　　IGBT的关断缓冲吸收电路

　　为了使IGBT关断过电压能得到有效的抑制并减小关断损耗，通常都需要给IGBT主电路设置关断缓冲吸收电路。IGBT的关断缓冲吸收电路分为充放电型和放电阻止型。充放电型有RC吸收和RCD吸收2种。如图6所示。

　　图6 充放电型IGBT缓冲吸收电路

　　RC吸收电路因电容C的充电电流在电阻R上产生压降，还会造成过冲电压。RCD电路因用二极管旁路了电阻上的充电电流，从而克服了过冲电压。

　　图7 三种放电阻止型吸收电路

　　图7是三种放电阻止型吸收电路。放电阻止型缓冲电路中吸收电容Cs的放电电压为电源电压，每次关断前，Cs仅将上次关断电压的过冲部分能量回馈到电源，减小了吸收电路的功耗。因电容电压在IGBT关断时从电源电压开始上升，它的过电压吸收能力不如RCD型充放电型。

　　从吸收过电压的能力来说，放电阻止型吸收效果稍差，但能量损耗较小。对缓冲吸收电路的要求是：

　　1. 尽量减小主电路的布线电感La;

　　2. 吸收电容应采用低感吸收电容，它的引线应尽量短，最好直接接在IGBT的端子上;

　　3. 吸收二极管应选用快开通和快软恢复二极管，以免产生开通过电压和反向恢复引起较大的振荡过电压。

　　结语

　　本文对IGBT的驱动和保护技术进行了详细的分析，得出了设计时应注意几点事项：

　　1. IGBT由于有集电极-栅极寄生电容的密勒效应影响，能引起意外的电压尖峰损害，所以设计时应让栅极电路的阻抗足够低以尽量消除其负面影响。

　　2. 栅极串联电阻和驱动电路内阻抗对IGBT的开通过程及驱动脉冲的波形都有很大影响。所以设计时应综合考虑。

　　3. 应采用慢降栅压技术来控制故障电流的下降速率，从而抑制器件的dv/dt和uce的峰值，达到短路保护的目的。

　　4. 在工作电流较大的情况下，为了减小关断过电压，应尽量减小主电路的布线电感，吸收电容器应采用低感型。