簡單易懂的IGBT驅動電路

 IGBT目前被廣泛使用的高功率開關，廣泛應用于各行業的電子器件中。IGBT的工作狀態直接影響電子產品的性能，IGBT驅動電路對整個系統顯得很重要，為避免IGBT發生常見的過流而使IGBT損壞問題，本文主要研究了IGBT的驅動和短路保護問題，就其工作原理進行分析，設計出具有過流保護功能的驅動電路。
  
 IGBT驅動電路圖如下:

 

 
  本IGBT驅動電路具有的作用

  (1)該驅動電路能夠為IGBT提供+15v和-5V驅動電壓確保IGBT的開通和關斷。
  (2)具有過流保護功能，當過流時，保護電路起作用，及時的關斷IGBT，防止IGBT損壞。
  (3)本電路的可根據負載的需要動態調節最大電流，可以有很廣的使用范圍。
  (4)本驅動電路采用分立元件組成驅動電路，降低整個系統的成本。
 
  IGBT驅動電路功能詳解

  圖1中，高速光耦6N137實現輸入輸出信號的電氣隔離，能夠達到很好的電氣隔離，適合高頻應用場合。驅動主電路采用推挽輸出方式，有效地降低了驅動電路的輸出阻抗，提高了驅動能力，使之適合于大功率IGBT的驅動，過流保護電路運用退集電極飽和原理，在發生過流時及時的關斷IGBT，其中V1.V3.V4構成驅動脈沖放大電路。V1和R5構成一個射極跟隨器，該射極跟隨器提供了一個快速的電流源，減少了功率管的開通和關斷時間。利用集電極退飽和原理，D1、R6、R7和V2構成短路信號檢測電路.其中D1采用快速恢復二極管，為了防止IGBT關斷時其集電極上的高電壓竄入驅動電路。為了防止靜電使功率器件誤導通，在柵源之間并接雙向穩壓管D3和D4。如是IGBT的門極串聯電阻。
  正常工作時:
  當控制電路送來高電平信號時，光耦6N137導通，V1、V2截止，V3導通而V4截止，該驅動電路向IBGT提供+15V的驅動開啟電壓，使IGBT開通。

當控制電路送來低電平信號時，光耦6N137截至，VI、V2導通。V4導通而v3截止，該驅動電路向IBGT提供-5v的電壓，使IGBT關閉。
  當過流時:

  當電路出現短路故障時，上、下橋直通此時+15V的電壓幾乎全加在IGBT上.產生很大的電流，此時在短路信號檢測電路中v2截止，A點的電位取決于D1、R6、R7和Vces的分壓決定，當主電路正常工作時，且IGBT導通時，A點保持低電平，從而低于B點電位。所有A1輸出低電平，此時V5截止，而c點為高電平，所以正常工作時。輸入到光耦6N137的信號始終和輸出保持一致。當發生過流時，IGBT集電極退飽和，A點電位升高，當高于B電位(即是所設置的電位)時，即是當電流超過設計定值時，A1翻轉而輸出高電平，V5導通，從而將C點的電位箝在低電位狀態，使與門4081始終輸出低電平，即無論控制電路送來是高電平或是低電平，輸人到光耦6N137的信號始終都是低電平，從而關斷功率管。從而達到過流保護。直到將電路的故障排除后，重新啟動電路。
  IGBT驅動電路設計過程:

  IGBT是電壓型控制器件，為了能使IGBT安全可靠地開通和關斷.其驅動電路必須滿足以下的條件:
  IGBT的柵電容比VMOSFET大得多，所以要提高其開關速度，就要有合適的門極正反向偏置電壓和門極串聯電阻。

  (1)門極電壓

  任何情況下，開通狀態的柵極驅動電壓都不能超過參數表給出的限定值(一般為20v)，最佳門極正向偏置電壓為15v土10%。這個值足夠令IGBT飽和導通;使導通損耗減至最小。雖然門極電壓為零就可使IGBT處于截止狀態，但是為了減小關斷時間，提高IGBT的耐壓、dv/dt耐量和抗干擾能力，一般在使IGBT處于阻斷狀態時.可在門極與源極之間加一個-5~-15v的反向電壓。

  (2)門極串聯電阻心

  選擇合適的門極串聯電阻Rg對IGBT的驅動相當重要，Rg對開關損耗的影響見圖2。

 

 
  IGBT的輸入阻抗高壓達109~1011，靜態時不需要直流電流.只需要對輸入電容進行充放電的動態電流。其直流增益可達108~109，幾乎不消耗功率。為了改善控制脈沖的前后沿陡度和防止振蕩，減少IGBT集電極大的電壓尖脈沖，需在柵極串聯電阻Rg，當Rg增大時，會使IGBT的通斷時間延長，能耗增加;而減少RF又會使di/dt增高，可能損壞IGBT。因此應根據IGBT電流容量和電壓額定值及開關頻率的不同，選擇合適的Rg，一般選心值為幾十歐姆至幾百歐姆。具體選擇Rg時.要參考器件的使用手冊。

  (3)驅動功率的要求

  IGBT的開關過程要消耗一定的來自驅動電源的功耗，門極正反向偏置電壓之差為△Vge，工作頻率為f，柵極電容為Cge，則
  電源的最少峰值電流為:

 

  驅動電源的平均功率為:

 

  (4)驅動電路須具有保護功能

  IGBT的過流保護就是當上、下橋臂直通時，電源電壓幾乎全加在了開關管兩端，此時將產生很大的短路電流，IGBT飽和壓降越小，其電流就會越大，從而損壞器件。當器件發生過流時，將短路電流及其關斷時的I—V運行軌跡限制在IGBT的短路安全工作區，用在損壞器件之前，將IGBT關斷來避免開關管的損壞。

  IGBT驅動電路仿真實驗:

  本IGBT驅動電路在orCAD軟件的仿真圖形如下:

  向驅動電路輸入，高電平為+15v，低電平為-5v的方波信號。IGBT的輸出波形如圖3所示:

 

圖3:IGBT輸出信號波形圖

  根據前面的原理和分析，該電路的實際電路輸出波形如圖4所示: