IGBT的驱动和过流保护电路的研究

2022-02-11 11:07分类：电子元器件阅读：

1 前言

　　绝缘层栅双极晶体三极管(Insulated Gate Bipolar Tramistor，IGBT)是MOSFET与GTR的复合型元器件，因而，它既具备MOSFET的运行速度更快、电源开关頻率高、输入电阻高、光耦电路简易、热溫度性好的优势，又包括了GTR的电缆载流量大、阻隔工作电压高多种优势．是替代GTR的理想化电源开关元器件。IGBT现阶段被普遍采用的有着自关闭工作能力的元器件，广泛运用于各种固体开关电源中。IGBT的运行状态立即影响到整机的特性，因此有效的光耦电路对整机看起来很重要，可是要是调节不合理，它比较容易毁坏，在其中一种便是产生过电流进而IGBT毁坏，文中主要是科学研究了IGBT的推动和过流保护难题，就其原理开展剖析，设计方案出具备过电流保护作用的光耦电路，并完成了模拟科学研究。

　　2 IGBT的推动规定和过电流保护剖析

　　1 IGBT的推动

　　IGBT是工作电压型操纵元器件，为了更好地能使IGBT可以信赖地启用和关闭．其光耦电路需要符合下列的标准：

　　IGBT的栅电容器比VMOSFET大很多，因此要增强其电源开关速率，就需要有适合的门极正反面向偏置电压和门极串联电阻。

　　(1)门极工作电压

　　一切状况下，启用情况的栅压推动工作电压都不可以超出性能参数得出的规定值(一般为20v)，最好门极正方向偏置电压为15v土10％。这一值充足令IGBT饱和状态通断；使导通耗损降至最少。尽管门极工作电压为零就可使IGBT处在截至情况，可是为了更好地减少关闭時间，提升IGBT的抗压、dv／dt耐量和抗干扰性，一般在使IGBT处在阻隔模式时．可在门极与源极中间加一个-5~-15v的方向工作电压。

　　(2)门极串联电阻心

　　挑选适宜的门极串联电阻Rg对IGBT的推动非常关键，Rg对开关损耗的危害见图1。

图1 Rg对开关损耗的危害

　　IGBT的输入电阻髙压达109~1011，静态数据时不用直流电流．只必须对键入电容器开展蓄电池充电的动态性电流量。其直流电增益值可以达到108~109，几乎不损耗输出功率。为了更好地改进操纵脉冲信号的前后左右沿陡度和避免震荡，降低IGBT集电结大的工作电压尖单脉冲，需要在栅压串联电阻Rg，当Rg扩大时，会使IGBT的导通時间增加，耗能提升；而降低RF又会使di／dt提高，很有可能毁坏IGBT。因而应依据IGBT电流量容积和工作电压额定电流及电源开关次数的不一样，挑选适宜的Rg，一般选心数值几十欧母至好几百欧母。实际挑选Rg时．要参照元器件的操作手册。

　　(3)推动效率的规定

　　IGBT的电源开关全过程要耗费一定的来源于led驱动器的功能损耗，门极正反面向偏置电压之差为△Vge，输出功率为f，栅压电容器为Cge，则开关电源的至少最高值电流量为:

　　led驱动器的平均功率为:

　　2 IGBT的过电流保护

　　IGBT的过电流保护便是当上、下桥臂直达时，电源电压基本上全加在了开关管两边，这时将发生较大的短路容量，IGBT饱和状态损耗越小，其电流量便会越大，进而毁坏元器件。当元器件产生过电流时，将短路容量以及关闭时的I—V运作运动轨迹限定在IGBT的短路故障安全工作区，用在毁坏元器件以前，将IGBT关闭来防止开关管的毁坏。

　　3 IGBT的推动和过电流保护电路分析

　　依据上面的剖析．本设计方案指出了一个具备过电流保护作用的光耦隔离的IGBT光耦电路，如图2。

图2 IGBT推动和过电流保护电源电路

　　图2中，高速光耦6N137完成I/O数据信号的电气隔离，可以实现不错的电气隔离，合适高频率运用场所。推动主控制电路选用推挽输出方法，合理地减少了光耦电路的输出阻抗，提升了推动工作能力，使之合适于功率大的IGBT的推动，过电流保护电源电路应用退集电结饱和状态基本原理，在产生过电流时立即的关闭IGBT，在其中V1．V3．V4组成推动单脉冲运算放大器。V1和R5组成一个射极跟随器，该射极跟随器给予了一个迅速的电流源，降低了整流管的开启和关闭時间。运用集电结退饱和状态基本原理，D1、R6、R7和V2组成短路故障信号检测电源电路．在其中D1选用迅速修复二极管，为了更好地避免IGBT关闭时其集电结上的高电压窜进光耦电路。为了更好地预防静电感应使电力电子器件欺诈通，在栅源中间并接双重稳压极管D3和D4。如果是IGBT的门极串联电阻。

　　一切正常运行时：

　　当控制回路送过来上拉电阻数据信号时，光电耦合器6N137通断，V1、V2截至，V3通断而V4截至，该光耦电路向IBGT给予 15V的推动打开工作电压，使IGBT启用。

　　当控制回路送过来低电频讯号时，光电耦合器6N137截止到，VI、V2通断。V4通断而v3截至，该光耦电路向IBGT给予-5v的工作电压，使IGBT关掉。

　　曾当过流时：

　　当电源电路发生断路常见故障时，上、下桥直达这时 15V的工作电压基本上全加在IGBT上．造成较大的电流量，这时在短路故障信号检测电源电路中v2截至，A点的电位差在于D1、R6、R7和Vces的分压电路决策，当主电源电路正常的运行时，且IGBT通断时，A点维持低电频，进而小于B点电位差。全部A1輸出低电频，这时V5截至，而c点为上拉电阻，因此一切正常运行时。键入到光电耦合器6N137的数据信号自始至终和輸出保持一致。当产生过电流时，IGBT集电结退饱和状态，A点电位差上升，当高过B电位差(就是所设定的电位差)时，就是当工作电流超出设计方案时间常数时，A1旋转而輸出上拉电阻，V5通断，进而将C点的电位差箝在低电位差情况，使跟门4081自始至终輸出低电频，即不管控制回路送过来是上拉电阻或者低电频，输人在光电耦合器6N137的数据信号自始至终全是低电频，进而关闭整流管。进而做到过电流保护。直至将电源电路的常见故障消除后，重启电源电路。

　　4 模拟仿真与试验

　　本设计方案电源电路在orCAD手机软件的模拟仿真图型以下：

　　向光耦电路键入，上拉电阻为 15v，低电频为-5v的波形数据信号。IGBT的输入输出波型如图所示3所显示：