大功率IGBT驱动过流保护电路研究

IGBT因其饱和压降低和工作频率高等优点而成为大功率开关电源等电力电子装置的首选功率器件，但IGBT和晶闸管一样，其抗过载能力不高〔1-2〕。因此，如何设计IGBT的驱动过流保护电路，使之具有完善的驱动过流保护功能，是设计者必须考虑的问题。本文从应用角度，归纳、总结了IGBT的驱动过流保护电路的设计方法。

1、驱动过流保护电路的驱动过流保护原则

IGBT的技术资料表明，IGBT在10μS内最大可承受2倍的额定电流，但是经常承受过电流会使器件过早老化〔3〕，故IGBT的驱动过流保护电路的设计原则为：一、当过电流值小于2倍额定电流值时，可采用瞬时封锁栅极电压的方法来实现保护;二、当过电流值大于2倍额定电流值时，由于瞬时封锁栅极电压会使di/dt很大，会在主回路中感应出较高的尖峰电压，故应采用软关断方法使栅极电压在2μS—5μS的时间内降至零电压〔4〕，至最终为-5伏的反电压;三、采用适当的栅极驱动电压。基于上述思想，驱动过流保护电路现分为分离元件驱动过流保护电路和模块驱动过流保护电路。

2、驱动过流保护电路的设计

2、1 分离元件驱动过流保护电路

以多电源驱动过流保护电路为例，分离元件驱动过流保护电路〔5〕如图1。图1中，T1、T4和T5构成IGBT的驱动电路，DZ1、T3、D2、C4构成延时降压电路。T6、555集成电路和光耦LP2构成延时电路。在正常开通时，T1和T4导通，由于D1和R6的作用，B点电路不会超过DZ1击穿电压，此时T3截止，D点电位不会下降，延时电路不延时，T2截止。当IGBT流过短路电流时，IGBT的集射极压降上升，此时C点电位上升，上升时间t1由式(1)求得〔6〕。

式(1)中，VCC是电源电压，单位为伏特;V1是DZ1击穿电压，单位为伏特;τ2=R2×C2，为时间常数，单位为秒;VC2为电容C2的初始电压，单位为伏特。

当C点电位上升到DZ1的击穿电压时，T3导通，C4放电，D点电位下降，即F点和G点电位下降，IGBT的栅极驱动电压下降。同时，光耦LP2导通，延时电路开始计时，此计时时间t2由式(2)求得〔6〕。

式(2)中，VCC是电源电压，单位为伏特;V2是555翻转电平，单位为伏特;τ2=(R14 R15)×C5，为时间常数，单位为秒;VC5为电容C5的初始电压，单位为伏特。

如果过流故障在555计时时间t2内消除，则C点电位下降恢复到原来值，DZ1、T3立即截止，同时C4开始充电，F点和G点电位上升，IGBT的栅极电压恢复到原来的正常值，IGBT继续正常工作;如果在555计时时间t2内过流故障还没有消除，则555输出高电平，经T7、CD4043和CD4081驱动光耦LP1，使A点电位下降并保持，T1截止，T5导通，IGBT的栅射极电压最终为-5伏，导致IGBT截止，从而实现延时缓降压过流保护。其从发生过流故障到彻底关断IGBT所需的总时间t为

t=t1 t2(3)

式(3)中，t、t1和t2的单位都是秒。

此外，单电源驱动过流保护电路的原理与上述多电源驱动过流保护电路类似，可参阅文献〔7〕。

还应注意〔8〕：(1)选择合适的栅极驱动电压值;正电压值一般在12V—15V为宜，12V最佳，反向电压一般在5V—10V;

(2)选择合适的栅极串联电阻值，一般选几欧姆到十几欧姆;

(3)选择合适的栅射极并联电阻值或稳压二极管。

从上述分析可知，分离元件驱动过流保护电路复杂，但设计灵活。