IGBT的开关过电压保护电路研究
IGBT驱动电路原理与保护电路
IGBT驱动电路原理与保护电路IGBT（Insulated-Gate Bipolar Transistor）驱动电路主要由三部分组成：信号隔离部分、驱动信号放大部分和保护电路。
信号隔离部分是将输入信号与输出信号进行隔离，防止输入信号中的噪声和干扰对输出信号产生影响。
常用的信号隔离方法有变压器隔离、光电隔离和互感器隔离等。
其中，光电隔离是最常用的方法之一，它通过输入端的光电耦合器将电信号转换成光信号，通过光电隔离再将光信号转换为电信号输出。
这样可以有效防止输入信号中的噪声和干扰对输出信号产生干扰，提高系统的稳定性和可靠性。
驱动信号放大部分是将输入信号进行放大，以驱动IGBT的门极电压，控制IGBT的导通和关断。
驱动信号放大部分一般采用功放电路，常用的放大器有晶体管放大器和运放放大器。
通过合理选择放大器的工作点和增益，可以将输入信号进行适当放大，提高系统的灵敏度和响应速度，以确保IGBT的正常工作。
保护电路是为了保护IGBT免受电路中的过电流、过电压等异常情况的损害而设计的。
保护电路一般包括过流保护、过压保护、过温保护和短路保护等功能。
过流保护通过在电路中增加电流传感器来检测电流的变化，一旦电流超过设定值就会触发保护，例如通过切断电源来防止IGBT损坏。
过压保护通过在电路中增加电压传感器来检测电压的变化，一旦电压超过设定值就会触发保护，例如通过切断电源来防止IGBT损坏。
过温保护通过在IGBT芯片上增加温度传感器来检测芯片温度的变化，一旦温度超过设定值就会触发保护，例如通过减小驱动信号的幅度来降低功耗和温度。
短路保护通过在电路中增加短路检测电路，一旦检测到短路就会触发保护，例如通过立即切断电源来防止IGBT损坏。
总之，IGBT驱动电路的原理是通过信号隔离部分将输入信号与输出信号进行隔离，通过驱动信号放大部分将输入信号进行放大，以驱动IGBT的门极电压，控制其导通和关断。
同时，通过保护电路对IGBT进行多重防护，保证其在电路异常情况下的正常工作，提高系统的可靠性和稳定性。
实验二 IGBT管的驱动、保护电路的测试及直流斩波降压电路的研究
实验二 IGBT管的驱动、保护电路的测试及直流斩波降压电路的研究一、实验目的1．掌握IGBT驱动与保护电路的基本要求，熟悉驱动模块EXB841电路的驱动与保护环节的测试；2．掌握脉宽调制信号发生原理，能对脉宽调制电路的调试及负载电压波形进行分析；3．熟悉直流斩波降压电路的工作原理。
二、预习要求1．了解IGBT驱动的隔离和功率放大的要求；2．了解脉宽调制信号的发生原理；3．了解直流斩波电路的基本原理。
三、实验设备1．IGBT直流斩波电路实验装置单元2．示波器3．万用表四、实验原理及说明该实验由三个部分组成：直流斩波电路，IGBT的驱动和保护电路以及脉宽调制信号发生电路。
下面分别予以介绍。
1．直流斩波电路如图2-1所示，220V单相交流电经整流变压器TR，降为50V交流电，再经整流滤波后变为直流电，其幅值在45V～70V之间，视负载电流大小而定。
直流电路的负载为220V、15W白炽灯，用绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为开关管，来控制直流电路的通断，以调节负载上平均电压的大小。
图2-1 IGBT 直流斩波电路2．IGBT管的驱动和保护电路（1）IGBT管IGBT管是一个复合元件，它的前半部分类似绝缘栅场效应管（是电压控制型，具有输入阻抗高的优点），后半部分类似双极管晶体管（具有输出阻抗小、导通压降小、承受电流大的优点）。
它兼有场效应管和双极晶体管的优点，因而获得日益广泛的应用。
（2）IGBT的驱动电路IGBT具有显著的优点，已日益广泛应用于通用变频调速器，位置控制和不间断电源领域。
目前有多种IGBT驱动模块。
现以EXB841为例，来介绍IGBT驱动电路的工作原理。
EBX841型模块，可驱动300A/1200V IGBT元件，驱动延迟时间小于1μs，最高工作频率可达40～50kHz。
它只需要外部提供一个+20V的单电源（它内部自生反偏电压）。
模块采用高速光电耦合（隔离）输入，信号电压经电压放大和推挽（射极跟随）功率放大输出，并有过电流保护环节。
保护电路设计方法 - 过电压保护
保护电路设计方法- 过电压保护2.过电压保护⑴过电压的产生及抑制方法①过电压产生的原因对于IGBT开关速度较高，IGBT关断时及FWD逆向恢复时，产生很高的di/dt，由于模块周围的接线的电感，就产生了L di/dt电压（关断浪涌电压）。
这里，以IGBT关断时的电压波形为例，介绍产生原因和抑制方法，以具体电路（均适用IGBT/FWD）为例加以说明。
为了能观测关断浪涌电压的简单电路的图6中，以斩波电路为例，在图7中示出了IGBT关断时的动作波形。
关断浪涌电压，因IGBT关断时，主电路电流急剧变化，在主电路分布电感上，就会产生较高的电压。
关断浪涌电压的峰值可用下式求出：V CESP=E d＋(-L dI c/dt)式中dl c/dt为关断时的集电极电流变化率的最大值；V CESP为超过IGBT的C-E间耐压(V CES)以至损坏时的电压值。
②过电压抑制方法作为过电压产生主要因素的关断浪涌电压的抑制方法有如下几种：1.在IGBT中装有保护电路（=缓冲电路）可吸浪涌电压。
缓冲电路的电容，采用薄膜电容，并靠近IGBT配置，可使高频浪涌电压旁路。
2.调整IGBT的驱动电路的V CE或R C，使di/dt最小。
3.尽量将电件电容靠近IGBT安装，以减小分布电感，采用低阻抗型的电容效果更佳。
4.为降低主电路及缓冲电路的分布电感，接线越短越粗越好，用铜片作接线效果更佳。
⑵缓冲电路的种类和特缓冲电路中有全部器件紧凑安装的单独缓冲电路与直流母线间整块安装缓冲电路二类。
①个别缓冲电路为个别缓冲电路的代表例子，可有如下的缓冲电路1.RC缓冲电路2.充放电形RCD缓冲电路3.放电阻止形RCD缓冲电路表3中列出了每个缓冲电路的接线图。
特点及主要用途。
表3 单块缓冲电路的接线圈特点及主电用途②整体缓冲电路作为这类缓冲电路的代表例子，有下面几种缓冲电路1.C缓冲电路2.RCD缓冲电路最近，为简化缓冲电路的设计，大多采用整体缓冲电路。
IGBT的工作原理和工作特性
IGBT的工作原理和工作特性IGBT的工作原理和工作特性IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通。
反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT关断。
IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。
当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N一层的空穴（少子），对N一层进行电导调制，减小N一层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。
IGBT的工作特性包括静态和动态两类：1．静态特性IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。
IGBT的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。
输出漏极电流比受栅源电压Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。
它与GTR的输出特性相似．也可分为饱和区1、放大区2和击穿特性3部分。
在截止状态下的IGBT，正向电压由J2结承担，反向电压由J1结承担。
如果无N+缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT的某些应用范围。
IGBT的转移特性是指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs之间的关系曲线。
它与MOSFET的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th)时，IGBT处于关断状态。
在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内，Id与Ugs呈线性关系。
最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。
IGBT的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。
IGBT处于导通态时，由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管，所以其B值极低。
尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET 的电流成为IGBT总电流的主要部分。
此时，通态电压Uds(on)可用下式表示:Uds(on)＝Uj1＋Udr＋IdRoh （2－14）式中Uj1——JI结的正向电压，其值为0.7～IV；Udr——扩展电阻Rdr上的压降；Roh——沟道电阻。
几种IGBT驱动电路的保护电路原理图
几种IGBT驱动电路的保护电路原理图第一种驱动电路EXB841/840EXB841工作原理如图1,当EXB841的14脚和15脚有10mA的电流流过1us以后IGBT 正常开通，VCE下降至3V左右，6脚电压被钳制在8V左右，由于VS1稳压值是13V,所以不会被击穿，V3不导通，E点的电位约为20V,二极管VD,截止，不影响V4和V5正常工作。
当14脚和15脚无电流流过，则V1和V2导通，V2的导通使V4截止、V5导通，IGBT 栅极电荷通过V5迅速放电，引脚3电位下降至0V,是IGBT 栅一射间承受5V左右的负偏压，IGBT可靠关断，同时VCE的迅速上升使引脚6悬空.C2的放电使得B点电位为0V,则V S1仍然不导通，后续电路不动作，IGBT正常关断。
如有过流发生，IGBT的V CE过大使得VD2截止，使得VS1击穿，V3导通，C4通过R7放电，D点电位下降，从而使IGBT的栅一射间的电压UGE降低,完成慢关断，实现对IGBT的保护。
由EXB841实现过流保护的过程可知，EXB841判定过电流的主要依据是6脚的电压，6脚的电压不仅与VCE 有关，还和二极管VD2的导通电压Vd有关。
典型接线方法如图2,使用时注意如下几点：a、IGBT栅-射极驱动回路往返接线不能太长(一般应该小于1m)，并且应该采用双绞线接法，防止干扰。
b、由于IGBT集电极产生较大的电压尖脉冲，增加IGBT栅极串联电阻RG有利于其安全工作。
但是栅极电阻RG不能太大也不能太小，如果RG增大，则开通关断时间延长，使得开通能耗增加;相反，如果RG太小，则使得di/dt增加，容易产生误导通。
c、图中电容C用来吸收由电源连接阻抗引起的供电电压变化，并不是电源的供电滤波电容，一般取值为47 F.d、6脚过电流保护取样信号连接端，通过快恢复二极管接IGBT集电极。
e、14、15接驱动信号，一般14脚接脉冲形成部分的地，15脚接输入信号的正端，15端的输入电流一般应该小于20mA,故在15脚前加限流电阻。
IGBT——过流、短路保护
IGBT——过流、短路保护短路与过流之前我们介绍过IGBT的短路测试，今天我们来聊聊IGBT短路和过流时该如何保护。
首先一点，对IGBT的过流或短路保护响应时间必须快，必须在10us以内完成。
一般来说，过电流是IGBT电力电子线路中经常发生的故障和损坏IGBT的主要原因之一，过流保护应当首先考虑。
过流与短路保护是两个概念，它们既有联系也有区别。
过流大多数是指某种原因引起的负载过载；短路是指桥臂直通，或主电压经过开关IGBT的无负载回路，它们的保护方法也有一定区别。
如过流保护常用电流检也传感器，短路保护常通过检测IGBT饱和压降，配合驱动电路来实现。
不同的功率有不同的方法来实现过流或短路保护。
短路分为一类及二类两种，但这两种短路都有一个共同点，那就是，IGBT会出现“退饱和现象”，当IGBT一旦退出饱和区，它的损耗会成百倍的往上升，那么允许持续这种状态的时会非常苛刻了，只有10us，我们需要靠驱动器发现这一行为并关掉门极。
IGBT过流的情况则是，回路电感较大，电流爬升很慢（相对于短路），IGBT不会发生退饱和现象，但是由于电流比正常工况要高很多，因此经过若干个开关周期后，IGBT的损耗也会比较高，结温也会迅速上升，从而导致失效。
在这时，IGBT驱动器一般是不能及时发现这一现象的，因为IGBT的饱和压降的变化很微弱，驱动器通常识别不到这种变化。
所以需要靠电流传感器来感知电流的数值，对系统进行保护。
所以，我们认为，IGBT驱动器是为了解决短路保护，而过流保护则是由电流传感器来完成。
IGBT发生短路时，描述短路电流的数学表达式如下，这是一个线性方程。
它表示，在短路发生时，电流的绝对值与电压，回路中的电感量，及整个过程持续的时间有关系。
绝大部分的短路母线电压都是在额定点的影响短路电流的因素主要是“短路回路中的电感量”。
因此对短路行为进行分类定义时，短路回路中的电感量是主要的分类依据。
如果短路回路中的电感量再继续增大，那么电流变化率就变得更低，此时就不是短路了，变成“过流”了。
IGBT保护电路设计
关于IGBT保护电路设计必知问题绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Tramistor，IGBT）是MOSFET与GTR的复合器件，因此，它既具有MOSFET的工作速度快、开关频率高、输入阻抗高、驱动电路简单、热温度性好的优点，又包含了GTR的载流量大、阻断电压高等多项优点．是取代GTR的理想开关器件。
IGBT目前被广泛使用的具有自关断能力的器件，广泛应用于各类固态电源中。
IGBT的工作状态直接影响整机的性能，所以合理的驱动电路对整机显得很重要，但是如果控制不当，它很容易损坏，其中一种就是发生过流而使IGBT损坏，本文主要研究了IGBT 的驱动和短路保护问题，就其工作原理进行分析，设计出具有过流保护功能的驱动电路，并进行了仿真研究。
二IGBT的驱动要求和过流保护分析1 IGBT的驱动IGBT是电压型控制器件，为了能使IGBT安全可靠地开通和关断．其驱动电路必须满足以下的条件：IGBT的栅电容比VMOSFET大得多，所以要提高其开关速度，就要有合适的门极正反向偏置电压和门极串联电阻。
（1）门极电压任何情况下，开通状态的栅极驱动电压都不能超过参数表给出的限定值（一般为20v），最佳门极正向偏置电压为15v土10％。
这个值足够令IGBT饱和导通；使导通损耗减至最小。
虽然门极电压为零就可使IGBT处于截止状态，但是为了减小关断时间，提高IGBT的耐压、dv／dt耐量和抗干扰能力，一般在使IGBT处于阻断状态时．可在门极与源极之间加一个-5~-15v的反向电压。
（2）门极串联电阻心选择合适的门极串联电阻Rg对IGBT的驱动相当重要，Rg对开关损耗的影响见图1。
图1 Rg对开关损耗的影响IGBT的输入阻抗高压达109~1011，静态时不需要直流电流．只需要对输入电容进行充放电的动态电流。
其直流增益可达108~109，几乎不消耗功率。
为了改善控制脉冲的前后沿陡度和防止振荡，减少IGBT集电极大的电压尖脉冲，需在栅极串联电阻Rg，当Rg 增大时，会使IGBT的通断时间延长，能耗增加；而减少RF又会使di／dt增高，可能损坏IGBT。
igbt 保护电路原理
igbt 保护电路原理
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种常用的功率开
关器件，常用于电力电子设备中。
为了保护IGBT免受异常电压、电流和温度影响，需要设计相应的保护电路。
一种常见的IGBT保护电路是过电压保护电路。
该保护电路通
过使用电压传感器检测IGBT的电压，当电压超过设定的阈值时，保护电路会迅速关断IGBT，以防止电压过高损坏器件。
另一种常见的IGBT保护电路是过电流保护电路。
该保护电路
通过使用电流传感器检测IGBT的电流，当电流超过设定的阈
值时，保护电路会迅速关断IGBT，以防止电流过大造成烧毁。
此外，温度保护也是重要的一种保护电路。
该保护电路通过使用温度传感器检测IGBT的温度，当温度超过设定的阈值时，
保护电路会迅速关断IGBT，以防止过热损坏器件。
以上是几种常见的IGBT保护电路原理。
这些保护电路的设计
和实现，旨在保护IGBT免受异常工作条件的影响，确保其可
靠稳定的工作。
一种脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路的设计研究
一种脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路的设计研究脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路是一种广泛应用于电力电子领域的关键技术，能够有效实现IGBT开关管的高效驱动和隔离保护。
本文将对脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路进行设计研究，探讨其原理、设计方法和应用。
一、脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路原理脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路由输入端、隔离变压器、信号处理电路、输出端等部分组成。
其工作原理如下：输入信号经过信号处理电路进行信号调理和隔离，然后通过隔离变压器进行电气隔离，并通过输出端输出给IGBT管进行控制。
由于脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路具有电气隔离、抗干扰能力强等优点，因此在高压、高功率的电力电子设备中得到广泛应用，如逆变器、变频器、交流电源等。
二、脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路设计方法1.选择合适的隔离变压器：隔离变压器是脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路中的关键部件，其质量直接影响到整个电路的性能。
因此在设计电路时应选择符合要求的隔离变压器，需考虑其绕组匝数、匝比、耐压等参数。
2.设计信号处理电路：信号处理电路对输入信号进行处理和隔离，以适应IGBT的工作要求。
通常包括滤波器、隔离元件、整流电路等部分，保证输入信号干净稳定。
3.设计输出端电路：输出端电路主要是将隔离后的信号输出给IGBT 管，需要考虑输出端的电压、工作频率、功率等参数，以确保可靠且高效地驱动IGBT。
4.搭建和调试电路：设计完成后需要进行电路搭建和调试，检查电路连接是否正确、各部分工作是否正常，如果有问题及时排除。
三、脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路应用脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路广泛应用于各种高压、高功率电力电子设备中，如逆变器、变频器、交流电源等。
通过电气隔离和高效驱动，提高了电路的稳定性和可靠性，减小了电路对外部干扰的敏感度，在高电压、高频率的环境下能够更好地发挥作用。
综上所述，脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路设计研究对于提高电力电子设备的性能和可靠性具有重要意义。
大功率IGBT模块并联特性及缓冲电路研究
大功率IGBT模块并联特性及缓冲电路研究1. 本文概述随着现代电力电子技术的快速发展，大功率绝缘栅双极晶体管（IGBT）模块在电力系统、工业控制、新能源等领域中发挥着越来越重要的作用。
特别是在高电压、大电流的应用场合，单个IGBT模块往往难以满足系统的功率需求，将多个IGBT模块并联使用成为了一种常见的解决方案。
IGBT模块在并联运行时会出现诸如均压均流问题、热平衡问题以及开关特性不一致等问题，这些问题不仅影响系统的稳定性和可靠性，还可能缩短模块的寿命。
本文针对大功率IGBT模块并联运行时的特性和问题展开研究，重点分析并联模块之间的电压和电流分配不均的机理，以及由此引发的热平衡问题和开关特性不一致现象。
进一步地，本文将探讨缓冲电路的设计和优化，以解决并联运行中的这些问题。
缓冲电路能够有效地抑制电压和电流的峰值，降低开关过程中的损耗，从而提高系统的效率和可靠性。
本文将通过理论分析和仿真验证，提出一种适用于大功率IGBT模块并联运行的缓冲电路设计方案，并对该设计方案的性能进行评估。
本文的结构安排如下：介绍IGBT模块的基本原理和工作特性，以及并联运行时的问题和挑战分析并联模块间电压和电流分配不均的机理，以及热平衡问题和开关特性不一致现象的产生原因接着，详细阐述缓冲电路的设计原理和优化方法通过仿真实验验证所提出缓冲电路设计方案的有效性和可行性总结全文并提出进一步的研究方向。
2. 模块基础理论绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一种高压、大电流的功率半导体器件，广泛应用于电力电子装置中。
IGBT模块的工作原理涉及三个基本过程：导通、截止和开关。
在导通状态下，IGBT作为一个功率开关，允许电流流过而在截止状态下，则阻止电流流过。
IGBT的开关速度和效率是其关键性能指标。
当IGBT模块并联使用时，可以实现更高的功率输出。
模块间的并联特性对整体性能有显著影响。
IGBT的过电压保护及其缓冲电路
块， 以充分运 用其保护 功能。Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ 由于 饱和
压 降相对 比较低 ， 会使得短 路电流比较大 ， 因
在 电路 内增设缓冲 电路。缓冲电路类型的选取
应该综 合考虑 多方 面因素确定 。一般而 言 ， 在 低频 小功率的时候 ． 电容吸收电路 即能够 满足 性能上 的要求 ， 而如果伴 随功率 的进一步增大 ， 电容将 和 电路 内的寄 生 电感 产生 谐振 。Ｒ Ｃ Ｄ
电。
【 关键词 】Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ缓 冲电路 过电压保护
作 当中 ， 负载 亦吸收掉部 分能量 ， 故而在一个
周期 中 Ｒ ｓ消耗 的能量要 比计算 的小 。而 Ｒ ｓ参 数 的选 择 ， 其实 并无很特 别的要 求 ， 只要 能够 确保 ： 一 则 Ｒｓ 功率满足要求 ， 不至在泄放 的时 候被 烧掉 ；二则 在 Ｉ ＧＢ Ｔ最小周 期 中 Ｃｓ的电
４ Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ 的过流保护
为有效 避免 电路过流给 Ｉ ＧＢ Ｔ元件造成损 坏， 就应设过流保护 电路 ， 在 出现过流 的时候 ， 及 时的检测 到过流 的情况 并切断 Ｉ ＧＢ Ｔ。在对 驱 动 电路 进 行设计 的时 候要运 用集 成驱动 模
． ４快恢复二极管Ｖ Ｄ ｓ 常大 ， 很 容易在 开关 二端 出现很 高 的 ｄ ｕ ／ ｄ ｔ 以 １ 在吸收 电路 内 ， Ｖ Ｄｓ的额定 电压要和被保 护的 Ｉ ＧＢ Ｔ额定 电压差不 多大才行 ， 电流的峰
常可靠的工作的一个重要前提 。
中， 从而能够 降低 回路 的杂散 电感 。
参考文献
［ １ 】 田健 ，郭会 军等 ．大功率 Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ瞬态保 护
研究 【 Ｊ ］ ．电 力 电子 技 术 ， ２ ０ ０ ４（ ０ ４ ） ．
讨论开关电源的过流保护电路
讨论开关电源的过流保护电路
1．3 采用基极驱动电路的限流电路
在一般情况下，利用基极驱动电路将电源的控制电路和开关晶体管隔离开。
控制电路与输出电路共地，限流电路可以直接与输出电路连接，工作原理如图3所示，当输出过载或者短路时，V1导通，R3两端电压增大，并与比较器反相端的基准电压比较。
控制PWM信号通断。
1．4 通过检测IGBT的Vce
当电源输出过载或者短路时，IGBT的Vce值则变大，根据此原理可以对电路采取保护措施。
对此通常使用专用的驱动器EXB841，其内部电路能够很好地完成降栅以及软关断，并具有内部延迟功能，可以消除干扰产生的误动作。
其工作原理如图4所示，含有IGBT过流信息的Vce不直接发送到EXB841的集电极电压监视脚6，而是经快速恢复二极管VD1，通过比较器IC1输出接到EXB841的脚6，从而消除正向压降随电流不同而异的情况，采用阈值比较器，提高电流检测的准确性。
假如发生了过流，驱动器：EXB841的低速切断电路会缓慢关断IGBT，从而避免集电极电流尖峰脉冲损坏IGBT器件。
2 结束语
近年来，开关电源的应用广泛，对其可靠性也有了更高的要求。
一旦电子产品出现了故障，如果电子产品输入端短路或者输出端开路，则电源必须关闭其输出电压，才能保护功率MOSFET和输出端设备等不被烧毁，否则可能引起电子产品的进一步损坏，甚至引起操作人员的触电及火灾等。
所以开关电源的过流保护功能一定要完善。
IGBT驱动电路设计分析
IGBT驱动电路设计分析发表时间：2020-08-12T10:03:54.100Z 来源：《电力设备》2020年第10期作者：龚喆[导读] 摘要：IGBT在变流器中应用广泛，而驱动器对安全、可靠应用器件至关重要。
（中车株洲电力机车研究所有限公司）摘要：IGBT在变流器中应用广泛，而驱动器对安全、可靠应用器件至关重要。
文章分析了IGBT驱动电路主要的功能及工作原理并通过试验对部分功能进行验证分析，对驱动电路设计有一定指导意义。
关键词：IGBT；驱动电路；保护电路0引言IGBT驱动电路的任务是将控制器输出的PWM信号，转换为作用在IGBT栅射极之间的电压信号，从而使IGBT导通或关断。
性能良好的驱动电路，不仅可以缩短IGBT的开关时间，减小损耗，而且保护电路可以抑制过电压，并在故障时关断IGBT以保护器件和维护整个系统的安全。
本文从IGBT特性出发，针对IGBT驱动板，分析其主要的功能及工作原理并通过试验对部分功能进行验证分析。
1.IGBT工作特性IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件[1]，简化等效电路见图1，是压控型器件。
但IGBT存在着结电容及杂散电感，使得IGBT的驱动波形与理想驱动波形有差异。
图1 N沟道IGBT简化等效电路图IGBT的开关是由栅极电压来控制的。
当在栅极加正向电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，进而使IGBT导通。
当在栅极上施加反向电压时MOSFET的沟道消除，PNP晶体管和基极电流被切断，IGBT被关断。
图2驱动电路结构图2 .IGBT驱动电路结构及功能介绍2.1IGBT驱动结构框图本文基于英飞凌FZ1600R17KE3器件，进行驱动电路设计。
驱动电路结构如图2所示：在框图中电源电路既实现了电源的隔离又为驱动电路提供了合适的正负电压；下方的驱动电路接收PWM信号，其通过信号隔离进入逻辑和功率放大电路，进而驱动IGBT的通断，通过设置有源箝位、短路保护等对器件进行保护。
(国内标准)IGBT驱动保护及典型应用
（国内标准）IGBT驱动保护及典型应用IGBT驱动保护及典型应用Sy摘要IGBT（绝缘栅双极晶体管）是壹种复合了功率场效应管和电力晶体管的优点而产生的壹种新型复合器件,它同时具有MOSFET的高速开关及电压驱动特性和双极晶体管的低饱和电压特性，易实现较大电流的能力，既具有输入阻抗高、工作速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又具有通态电压低、耐压高和承受电流大的优点。
近年来IGBT成为电力电子领域中尤为瞩目的电力电子器件，且得到越来越广泛的应用。
本文主要介绍了IGBT的基本结构、工作原理、驱动电路，同时简要概括了IGBT模块的选择方法和保护措施等，最后对IGBT的实际典型应用进行了分析介绍，通过对IGBT 的学习，来探讨IGBT于当代电力电子领域的广泛应用和发展前景。
关键词：IGBT；绝缘栅双极晶体管；驱动电路；保护电路；变频器；电力电子器件目录引言11、IGBT的基本结构12、IGBT的工作原理32.1 IGBT的工作特性33、IGBT的驱动53.1驱动电路设计要求53.2 几种常用IGBT的驱动电路64、IGBT驱动保护74.1 驱动保护电路的原则74.2 IGBT栅极的保护84.3 IGBT的过电流保护94.3.1 驱动过流保护电路的驱动过流保护原则94.3.2 IGBT过流保护电路设计94.3.3具有过流保护功能的IGBT驱动电路的研究114.5 IGBT的过热保护154.6 IGBT驱动保护设计总结155.IGBT专用集成驱动模块M57962AL介绍16结论20参考文献21引言随着国民经济各领域和国防工业对于电能变换和处理的要求不断提高，以及要满足节能和新能源开发的需求，作为电能变换装置核心部件的功率半导体器件也起着越来越重要的作用。
IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管）自1982年由GE公司和RCA公司宣布以来，引起世界许多半导体厂家和研究者的重视，伴随而来的是IGBT的技术高速发展，其应用领域不断扩展它不仅于工业应用中取代了MOSFET和GTR（GiantTransistor，巨型晶体管），甚至已扩展到SCR（Silicon ControlledRectifier，可控硅整流器）和GTO（GateTurn-OffThyristor，门控晶闸管）占优势的大功率应用领域，仍于消费类电子应用中取代了BJT和MOSFET 功率器件的许多应用领域IGBT额定电压和额定电流所覆盖的输出容量已达到6MVA，商品化IGBT模块的最大额定电流已达到3.6kA，最高阻断电压为6.5kV，且已成功应用于许多中、高压电力电子系统中。
IGBT开关波形
IGBT模块驱动及保护技术[转贴]<br>蒋怀刚,李乔,何志伟(华南理工大学雅达电源实验室,广东广州 510641)摘要:对IGBT栅极驱动特性、栅极串联电阻及其驱动电路进行了探讨.提出了慢降栅压过流保护和过电压吸收的有效方法.关键词:开关电源;绝缘栅双极晶体管;驱动保护1 引言IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件.它既有MOSFET易驱动的特点,又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点.其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间,可正常工作于几十kHz频率范围内,故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位.IGBT是电压控制型器件,在它的栅极-发射极间施加十几V的直流电压,只有μA级的漏电流流过,基本上不消耗功率.但IGBT的栅极-发射极间存在着较大的寄生电容(几千至上万pF),在驱动脉冲电压的上升及下降沿需要提供数A的充放电电流,才能满足开通和关断的动态要求,这使得它的驱动电路也必须输出一定的峰值电流.IGBT作为一种大功率的复合器件,存在着过流时可能发生锁定现象而造成损坏的问题.在过流时如采用一般的速度封锁栅极电压,过高的电流变化率会引起过电压,为此需要采用软关断技术,因而掌握好IGBT的驱动和保护特性是十分必要的.2 栅极特性IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离.由于此氧化膜很薄,其击穿电压一般只能达到20~30V,因此栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一.在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压,但栅极连线的寄生电感和栅极-集电极间的电容耦合,也会产生使氧化层损坏的振荡电压.为此.通常采用绞线来传送驱动信号,以减小寄生电感.在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压.由于IGBT的栅极-发射极和栅极-集电极间存在着分布电容Cge和Cgc,以及发射极驱动电路中存在有分布电感Le,这些分布参数的影响,使得IGBT的实际驱动波形与理想驱动波形不完全相同,并产生了不利于IGBT开通和关断的因素.这可以用带续流二极管的电感负载电路(见图1)得到验证.(a)等效电路(b)开通波形图1 IGBT开关等效电路和开通波形在t0时刻,栅极驱动电压开始上升,此时影响栅极电压uge上升斜率的主要因素只有Rg和Cge,栅极电压上升较快.在t1时刻达到IGBT的栅极门槛值,集电极电流开始上升.从此时开始有2个原因导致uge波形偏离原有的轨迹.首先,发射极电路中的分布电感Le上的感应电压随着集电极电流ic的增加而加大,从而削弱了栅极驱动电压,并且降低了栅极-发射极间的uge的上升率,减缓了集电极电流的增长.其次,另一个影响栅极驱动电路电压的因素是栅极-集电极电容Cgc的密勒效应.t2时刻,集电极电流达到最大值,进而栅极-集电极间电容Cgc开始放电,在驱动电路中增加了Cgc的容性电流,使得在驱动电路内阻抗上的压降增加,也削弱了栅极驱动电压.显然,栅极驱动电路的阻抗越低,这种效应越弱,此效应一直维持到t3时刻,uce降到零为止.它的影响同样减缓了IGBT的开通过程.在t3时刻后,ic达到稳态值,影响栅极电压uge的因素消失后,uge以较快的上升率达到最大值.由图1波形可看出,由于Le和Cgc的存在,在IGBT的实际运行中uge的上升速率减缓了许多,这种阻碍驱动电压上升的效应,表现为对集电极电流上升及开通过程的阻碍.为了减缓此效应,应使IGBT模块的Le和Cgc及栅极驱动电路的内阻尽量小,以获得较快的开通速度.IGBT关断时的波形如图2所示.t0时刻栅极驱动电压开始下降,在t1时刻达到刚能维持集电极正常工作电流的水平,IGBT进入线性工作区,uce开始上升,此时,栅极-集电极间电容Cgc的密勒效应支配着uce的上升,因Cgc耦合充电作用,uge在t1-t2期间基本不变,在t2时刻uge和ic开始以栅极-发射极间固有阻抗所决定的速度下降,在t3时,uge及ic均降为零,关断结束.由图2可看出,由于电容Cgc的存在,使得IGBT的关断过程也延长了许多.为了减小此影响,一方面应选择Cgc较小的IGBT器件;另一方面应减小驱动电路的内阻抗,使流入Cgc的充电电流增加,加快了uce的上升速度.图2 IGBT关断时的波形在实际应用中,IGBT的uge幅值也影响着饱和导通压降:uge增加,饱和导通电压将减小.由于饱和导通电压是IGBT发热的主要原因之一,因此必须尽量减小.通常uge为15~18V,若过高,容易造成栅极击穿.一般取15V.IGBT关断时给其栅极-发射极加一定的负偏压有利于提高IGBT 的抗骚扰能力,通常取5~10V.3 栅极串联电阻对栅极驱动波形的影响栅极驱动电压的上升、下降速率对IGBT开通关断过程有着较大的影响.IGBT的MOS沟道受栅极电压的直接控制,而MOSFET部分的漏极电流控制着双极部分的栅极电流,使得IGBT的开通特性主要决定于它的MOSFET部分,所以IGBT的开通受栅极驱动波形的影响较大.IGBT 的关断特性主要取决于内部少子的复合速率,少子的复合受MOSFET的关断影响,所以栅极驱动对IGBT的关断也有影响.在高频应用时,驱动电压的上升、下降速率应快一些,以提高IGBT开关速率降低损耗.在正常状态下IGBT开通越快,损耗越小.但在开通过程中如有续流二极管的反向恢复电流和吸收电容的放电电流,则开通越快,IGBT承受的峰值电流越大,越容易导致IGBT损害.此时应降低栅极驱动电压的上升速率,即增加栅极串联电阻的阻值,抑制该电流的峰值.其代价是较大的开通损耗.利用此技术,开通过程的电流峰值可以控制在任意值.由以上分析可知,栅极串联电阻和驱动电路内阻抗对IGBT的开通过程影响较大,而对关断过程影响小一些,串联电阻小有利于加快关断速率,减小关断损耗,但过小会造成di/dt过大,产生较大的集电极电压尖峰.因此对串联电阻要根据具体设计要求进行全面综合的考虑.栅极电阻对驱动脉冲的波形也有影响.电阻值过小时会造成脉冲振荡,过大时脉冲波形的前后沿会发生延迟和变缓.IGBT的栅极输入电容Cge随着其额定电流容量的增加而增大.为了保持相同的驱动脉冲前后沿速率,对于电流容量大的IGBT器件,应提供较大的前后沿充电电流.为此,栅极串联电阻的电阻值应随着IGBT电流容量的增加而减小.4 IGBT的驱动电路IGBT的驱动电路必须具备2个功能:一是实现控制电路与被驱动IGBT栅极的电隔离;二是提供合适的栅极驱动脉冲.实现电隔离可采用脉冲变压器、微分变压器及光电耦合器.图3为采用光耦合器等分立元器件构成的IGBT驱动电路.当输入控制信号时,光耦VLC导通,晶体管V2截止,V3导通输出+15V驱动电压.当输入控制信号为零时,VLC截止,V2、V4导通,输出-10V电压.+15V和-10V电源需靠近驱动电路,驱动电路输出端及电源地端至IGBT栅极和发射极的引线应采用双绞线,长度最好不超过0.5m.图3 由分立元器件构成的IGBT驱动电路图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.图4 由集成电路TLP250构成的驱动器5 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.6 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.7 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.(a)RC型(b)RCD型图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.(a)LC型(b)RLCD型(c)RLCD型图7 三种放电阻止型吸收电路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.8 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:——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.——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.——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.——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.参考文献[1] Trivedi M.,John V.,Lipo T.A.,Shenai K..Internal dynamics of IGBT under fault current limiting gate control[C].Industry Applications Conference 2000. Conference Record of the 2000 IEEE, 2000,5:2903-2908.[2] Du T.Mouton H.,Enslin,J.H.R.A resonant turn-off snubber for high power IGBT converters[C]. Industrial Electronics, 1998,Proceedings ISIE′98.IEEE International Symposium on,1998,2:519-523.[3] 王志良.电力电子新器件及其应用技术[M].北京:国防工业出版社,1995.[4] 李爱文,张承慧.现代逆变技术及其应用[M].北京:科学出版社,2000.[5] 丁浩华.带电流和短路保护的IGBT驱动电路研究[J].电力电子技术[J],1997,31(1).作者简介蒋怀刚(1975-),男,硕士研究生,主要研究方向为逆变电源及电力电子技术.李乔(1977-),女,硕士研究生,主要研究方向为电源及电力电子技术何志伟(1954-),男,教授,主要研究方向为高频开关电源及电力电子技术.。
毕业设计 基于IGBT的大功率开关电源设计
1 前言电源是各类电子设备的重要组成部分，没有一部高质量的电源，难以保证电子设备的正常工作，由于高频开关电源在重量、体积和效率等方面是线性电源无可比拟，因此在许多领域中得到广泛应用。
线性电源和开关电源各有自己的特点，线性电源的特点是稳定性好、可靠性高、输出电压精度高、输出纹波电压小。
它的不足之处是要求采用工频变压器和滤波器，它们的重量和体积都很大，并且调整管的功耗较大，使得电源的效率大大降低。
相对于线性电源来说，开关电源具有效率高，可靠性和稳定性较好，体积小，重量轻的优点，它对供电电网电压的波动不敏感，在电网电压波动较大的情况下，仍能维持较稳定的输出，因此，开关电源更能满足现代电子设备的要求。
近些年来，由于新型功率器件和开关集成稳压器的出现，以及电力电子变换技术的进步，使开关电源又有了长足发展。
绝缘栅双极型晶体管IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，因此，可以把其看作是MOS输入的达林顿管。
它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动简单和快速的优点，又具有双极型器件容量大的优点，因而在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用。
本系统采用门极可关断功率全控式电力电子器件IGBT，改变其负载两端的直流平均电压的调制方法采用脉冲调宽的方式，即主开关通断的周期保持不变，而每次通电时间可变。
由于IGBT工作在高频与高电压、大电流的条件下，使得它容易损坏，另外，电源作为系统的前级，因为受电网波动、雷击等原因的影响使得它所承受的应力更大，故IGBT 的可靠性直接关系到电源的可靠性。
因而对IGBT的保护设计是电源设计时需要重点考虑的一个环节。
本次设计采用富士公司的EXB841驱动芯片，利用其单电源，模块化，过流检测，保护软关断等优点，通过单片机控制实现大功率开关电源电路的设计。
2.1 方案论述2.1.1方案一图2.1 开关电源电路框图交流电压经过EMI滤波及整流滤波后，得到直流电压加到半桥变换器上，用TLP250去驱动功率IGBT管。
详解IGBT的过流与过压保护
详解IGBT的过流与过压保护
随着节能环保理念的推行，IGBT模块在电子电路设计中开始变得受欢迎起来。
IGBT在节能、散热、安装维修方面都有着较为突出的表现。
本文将为介绍与IGBT有关的过流保护过压保护等问题，并从实际操作中吸取经验，总结成可行的保护方法。
虽然IGBT拥有上述这些优点，但却在过流与过压能力上存在致命缺点，因此一旦出现此类问题就会导致IGBT损坏，因此非常有必要针对于此进行保护设计，避免不必要的麻烦。
过流保护
通常来说，IGBT所提供的安全工作区是被厂家进行限制的。
且IGBT承受过电流的时间仅为几微秒（SCR、GTR等器件承受过流时间为几十微秒），耐过流量小，因此使用IGBT首要注意的是过流保护。
产生过流的原因大致有：晶体管或二极管损坏、控制与驱动电路故障或干扰等引起误动、输出线接错或绝缘损坏等形成短路、输出端对地短路与电机绝缘损坏、逆变桥的桥臂短路等。
对IGBT的过流检测保护分两种情况：
1、驱动电路中无保护功能。
这时在主电路中要设置过流检测器件。
对于小容量变频器，一般是把电阻R直接串接在主电路中，如图1（a）所示，通过电阻两端的电压来反映电流的大小；对于大中容量变频器，因电流大，需用电流互感器TA（如霍尔传感器等）。
电流互感器所接位置：一是像串电阻那样串接在主回路中，如图1（a）中的虚线所示；二是串接在每个IGBT上，如图1（b）所示。
前者只用一个电流互感器检测流过IGBT的总电流，经济简单，但检测精度较差；后者直接反映每个IGBT的电流，测量精度高，但。