IGBT驱动过流保护电路的设计方法
|
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。
2、2 模块驱动过流保护电路 以EXB841系列为例，模块驱动过流保护电路〔9-10〕如图2。图2中，9脚为参考地，2脚电位为20V，1脚电位为5V，当14脚、15脚之间加上高电平驱动信号时，EXB841中的互补输出级中的上管导通，IGBT导通；反之，输入为低电平时，IGBT关断。EXB841内部过流保护电路通过检测IGBT的集射极电压Vce来判断IGBT是否过流，其判断公式为： Vce V1 VD≥V2（4） 式（4）中，V1为1脚电位；VD为6脚所接二极管D导通压降；V2为EXB841内部二极管击穿电压。如设V1=5V，VD=1V，V2=13V，即Vce=7V时，为过流保护电压阀值，当Vce＜7V时保护电路不工作，其保护功能为：当过流时降低栅射极驱动电压，并与慢关断技术相结合〔11〕。在检测到短路2μS后，开始降低栅极驱动电压，10μS内降到OV。在这段时间内，若短路现象消除，栅极驱动电压恢复到正常值；若故障仍存在，则5脚输出故障信号，通过一定时间的延迟后，IGBT的栅射极电压最终为-5伏，同时封锁输入信号，这样避免立即停止输入信号造成硬关断，产生过电压击穿IGBT。其不足之处为：一、负栅压过低，降低了IGBT的可靠性；二、没有过流信号锁定功能，一旦发生过流故障，并不能在当前工作周期内实现延时保护关断。 另外，IR系列、M579系列和VC37系列模快驱动器的原理与EXB841类似，此处不再赘述，可参阅文献〔12〕、〔13〕、〔14〕和〔15〕。
3、结束语 以上介绍了几种IGBT驱动过流保护电路。分离元件驱动过流保护电路复杂，但设计灵活、保护功面，模块驱动过流保护电路使电路的设计简化并具备了一定的保护功能，但这些保护功能是有限的，用时，还要考虑扩展其功能。至于实际应用中采用哪一种方法，应视实际情况而言。 |
