IGBT保护电路的过流保护设计方案
一种IGBT过流保护方法和装置[发明专利]
![一种IGBT过流保护方法和装置[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/a3001f79daef5ef7bb0d3cd8.png)
专利名称：一种IGBT过流保护方法和装置
专利类型：发明专利
发明人：贺之渊,客金坤,白建成,吕铮,冯静波,许航宇,邓卫华申请号：CN201710428369.6
申请日：20170608
公开号：CN107342755A
公开日：
20171110
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种IGBT过流保护方法和装置，该方法包括：获取待保护IGBT的当前结温和所述当前结温与集电极发射极电压集电极电流特性的对应关系；根据所述对应关系，通过预设的集电极过流保护电流值获取对应的集电极发射极电压值作为集电极发射极过流保护电压值。
由此，可以使IGBT发生过流动作时的实际Ic更接近设定的过流保护Ic值。
申请人：全球能源互联网研究院
地址：102211 北京市昌平区小汤山镇大东流村路270号
国籍：CN
代理机构：北京三聚阳光知识产权代理有限公司
代理人：吴黎
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一种简单的IGBT驱动和过流保护电路
一种简单的IGBT驱动和过流保护电路王永，沈颂华（北京航空航天大学，北京100083）摘要：讨论了IGBT驱动电路对其静态和动态特性的影响以及对驱动电路与过流保护电路的要求。
利用IGBT的通态饱和压降与集电极电流呈近似线性关系的特性，设计了一个具有完善的过流保护功能的IGBT驱动电路。
经分析和实验表明，该电路具有简单、实用、可靠性高等优点。
关键词：IGBT；驱动电路；过流保护中图分类号：TM131.4文献标识码：B文章编号：1001-1390（2004）04-0025-03Wang Yong，Shen Songhua(Beihang University，Beijing100083，China)Abstract:The infiuence of static state and dynamic characteristic by IGBT drive circuit and the reguirements for drive and over-current protection circuit are described.A new circuit of IGBT drive and over-current protection circuit with perfect performance is de-veioped.It based on the principie of coiiector-emitter saturation voitage-drop approxi-mateiy proportion to the coiiector current.Anaiysis and experiment resuits show that the new circuit has the advantages of simpie，reiiabie，great appiication vaiue and so on. Key words:IGBT；driving circuit；over-current protectionA simple IGBT drive and over-current protection circuit0前言绝缘门极双极型晶体管（Isoiated Gate Bipoiar Transistor）简称IGBT，也被称为绝缘门极晶体管。
IGBT的保护
IGBT的保护摘要：通过对IGBT损坏机理的分析，根据其损坏的原因，采取相应措施对其进行保护，以保证其安全可靠工作。
关键词：IGBT；MOSFET；驱动；过压；浪涌；缓冲；过流；过热；保护0 引言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。
在中大功率的开关电源装置中，IGBT由于其控制驱动电路简单、工作频率较高、容量较大的特点，已逐步取代晶闸管或GTO。
但是在开关电源装置中，由于它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，由于受电网波动、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，在选择IGBT时除了要作降额考虑外，对IGBT的保护设计也是电源设计时需要重点考虑的一个环节。
1 IGBT的工作原理IGBT的等效电路如图1所示。
由图1可知，若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOS FET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。
图1 IGBT的等效电路由此可知，IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定：——IGBT栅极与发射极之间的电压；——IGBT集电极与发射极之间的电压；——流过IGBT集电极－发射极的电流；——IGBT的结温。
如果IGBT栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低，则IGBT不能稳定正常地工作，如果过高超过栅极－发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏；同样，如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极－发射极之间的耐压，流过IGBT集电极－发射极的电流超过集电极－发射极允许的最大电流，I GBT的结温超过其结温的允许值，IGBT都可能会永久性损坏。
IGBT的一种驱动和过流保护电路的设计
IGBT的一种驱动和过流保护电路的设计图2 IGBT驱动和过流庇护电路图2中，高速光耦6N137实现输入输出信号的电气隔离，能够达到很好的电气隔离，适合高频应用场合。
驱动主电路采纳推挽输出方式，有效地降低了驱动电路的输出阻抗，提高了驱动能力，使之适合于大功率IGBT的驱动，过流庇护电路运用退集电极饱和原理，在发生过流时准时的关断IGBT，其中V1．V3．V4构成驱动脉冲放大电路。
V1和R5构成一个射极尾随器，该射极尾随器提供了一个迅速的电流源，削减了功率管的开通和关断时光。
利用集电极退饱和原理，D1、R6、R7和V2构成短路信号检测电路．其中D1采纳迅速复原，为了防止IGBT关断时其集电极上的高电压窜入驱动电路。
为了防止静电使功率器件误导通，在栅源之间并接双向稳压管D3和D4。
如是IGBT的门极串联电阻。
正常工作时：当控制电路送来高电平信号时，光耦6N137导通，V1、V2截止，V3导通而V4截止，该驱动电路向IBGT提供+15V的驱动开启电压，使IGBT 开通。
当控制电路送来低电平信号时，光耦6N137截至，VI、V2导通。
V4导通而v3截止，该驱动电路向IBGT提供-5v的电压，使IGBT关闭。
当过流时：当电路浮现短路故障时，上、下桥直通此时+15V的电压几乎全加在IGBT上．产生很大的电流，此时在短路信号检测电路中v2截止，A点的电位取决于D1、R6、R7和Vces的分压打算，当主电路正常工作时，且IGBT导通时，A点保持低电平，从而低于B点电位。
全部A1输出低电平，此时V5截止，而c点为高电平，所以正常工作时。
输入到光耦6N137的信号始终和输出保持全都。
当发生过流时，IGBT集电极退饱和，A点电位上升，当高于B电位（即是所设置的电位）时，即是当电流超过设计定值时，A1翻转而输出高电平，V5导通，从而将C点的电位箝在低电位状态，使与门4081始终输出低电平，即无论控制电第1页共2页。
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。
最经典的IGBT资料大全,技术详解,设计技巧,应用案例
最经典的IGBT资料大全，技术详解，设计技巧，应用案例IGBT系统的介绍就IGBT的定义、工作原理、等效电路、特性参数、设计技巧等作全面介绍……设计技巧IGBT的驱动和过流保护电路的研究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。
隔离驱动IGBT和Power MOSFET等功率器件所需要的一些技巧对隔离驱动IGBT和Power MOSFET等功率器件出现的一些常见问题的汇总和解答功率器件IGBT应用中的常见问题解决方法随着现代电力电子技术的高频大功率化的发展，IGBT在应用中潜在的问题越来越凸出，开关过程引起的电压、电流过冲，影响到了逆变器的工作效率和工作可靠性。
为解决以上问题，过电流保护、散热及减少线路电感等措施被积极采用，缓冲电路和软开关技术也得到了广泛的研究，取得了迅速的进展。
本文就针对这方面进行了分析。
使用栅极电阻控制IGBT的开关IGBT的动态性能可通过栅极电阻值来调节。
栅极电阻影响IGBT的开关时间、开关损耗及各种其他参数，从电磁干扰EMI到电压和电流的变化率。
因此，栅极电阻必须根据具体应用的参数非常仔细地选择和优化。
杂散电感对高效IGBT逆变器设计的影响当工作在相同条件下，IGBT针对提高软度需求的设计优化将会付出开关损耗提高的代价。
除开关损耗外，开通和关断速度、电流突变和振荡(EMI)的发生也越来越受到重视。
寄生杂散电感对直流母线谐振频率和二极管电流突变起到了重要作用。
至少从EMI角度考虑，二极管电流突变将会对通过增加杂散电感或提高IGBT开通速度来降低开通损耗有所限制新型IGBT系统电路保护设计的解决方案在研究IGBT失效机理的基础上，通过整合系统内外部来突破设计瓶颈。
IGBT驱动保护电路的详细的设计与如何测试
IGBT驱动保护电路的详细的设计与如何测试过流保护：1.过流检测器设计：使用电流传感器来检测IGBT的电流，常见的传感器有霍尔效应传感器和电阻式传感器。
根据检测到的电流信号，设计一个比较器电路，比较检测到的电流值与预设的过流阈值。
当电流超过阈值时，比较器输出高电平，触发保护电路。
2.过流保护电路设计：采用一级或多级的电流保护电路，例如使用可控整流器电路、继电器电路或熔断器电路来切断IGBT的电源。
过温保护：1.过温检测器设计：通过温度传感器监测IGBT的温度。
可选用NTC 热敏电阻或热电偶等传感器。
根据检测到的温度信号，设计一个比较器电路，将检测到的温度值与预设的过温阈值进行比较。
当温度超过阈值时，比较器输出高电平，触发保护电路。
2.过温保护电路设计：使用温度控制器（例如PID控制器）来降低IGBT的温度。
可以通过减小机箱内部温度、增加散热和降低IGBT占空比等方式来实现。
过压保护：1.过压检测器设计：使用电压传感器来检测IGBT的输入电压。
可以选用正弦波电流互感器等传感器。
设计一个比较器电路，将检测到的电压值与预设的过压阈值进行比较。
当电压超过阈值时，比较器输出高电平，触发保护电路。
2.过压保护电路设计：可以采用电压降压器或直流开关等方法来控制IGBT的输入电压，将其降低到安全范围内。
1.过电流测试：在设计过程中，设置合理的过电流阈值。
通过电流源提供过电流信号，触发保护电路，验证保护电路的响应时间和准确性。
2.过温测试：在设计过程中，设置合理的过温阈值。
通过加热IGBT 器件，提高其温度，触发保护电路，验证保护电路的响应时间和准确性。
3.过压测试：在设计过程中，设置合理的过压阈值。
通过提供超过预设阈值的电压信号，触发保护电路，验证保护电路的响应时间和准确性。
4.短路测试：将IGBT的输出端短接，触发保护电路，验证保护电路的响应时间和准确性。
5.整体测试：在实际应用中，应全面测试保护电路的性能。
IGBT过流保护电路设计
IGBT过流保护电路设计张海亮;陈国定;夏德印【摘要】In order to solve the over-current breakdown problem of insulated gate bipolar transistor (IGBT) in practical applications, short-circuit protection circuit and overload protection circuits were proposed according to the IGBT's collector current, after the analysis of IGBT's characteristics and over-current measures. When overload protection circuits detected over-current, it switched off IGBT immediately, IGBT's drive signal can be blocked continuously, for fixed time or for a single cycle based on different overload protection requirements; short-circuit protection circuit detected the over-current by measuring IGBT's on-state voltage drop, using dropping the grid voltage, soft switch-off and reducing IGBT's working frequency the circuit can decrease short-circuit current and switch off IGBT safely. Detailed elaboration of circuits' operating mechanism was given. The over-current testing of the all designed protection circuits was done. The waveform graphs were obtained. The experimental results indicate that protection circuits can detect over-current in time and response accurately, IGBT is protected reliably under different over—current conditions.%为解决绝缘栅双极性晶体管(IGBT)在实际应用中经常出现的过流击穿问题,在分析了IGBT过流特性和过流检测方法的基础上,根据过流时IGBT集电极电流的大小分别设计了过载保护电路和短路保护电路.过载保护电路在检测到过载时立即关断IGBT,根据不同的过载保护要求可实现持续封锁、固定时间封锁及单周期封锁IGBT的驱动信号；短路保护电路通过检测IGBT通态压降判别短路故障,利用降栅压、软关断和降频综合保护技术降低短路电流并安全关断IGBT.详细阐述了保护电路的保护机制及电路原理,最后对设计的所有保护电路进行了对应的过流保护测试,给出了测试波形图.试验结果表明,IGBT 保护电路能及时进行过流检测并准确动作,IGBT在不同的过流情况下都得到了可靠保护.【期刊名称】《机电工程》【年(卷),期】2012(029)008【总页数】5页(P966-970)【关键词】绝缘栅双极性晶体管;过流保护;降栅压;软关断【作者】张海亮;陈国定;夏德印【作者单位】浙江工业大学信息工程学院,浙江杭州310023;浙江工业大学信息工程学院,浙江杭州310023;浙江工业大学信息工程学院,浙江杭州310023【正文语种】中文【中图分类】TN386.2;TM130 引言IGBT既具有功率MOSFET的高速开关及电压驱动特性，又具有巨型晶体管（GTR）的低饱和电压特性及易实现较大电流的能力，广泛应用于电机调速、UPS、开关电源等领域。
IGBT的保护
IGBT的保护将IGBT用于变换器时，应采取保护措施以防损坏器件，常用的保护措施有：通过检出的过电流信号切断门极控制信号，实现过电流保护；利用缓冲电路抑制过电压并限制du/dt；利用温度传感器检测IGBT的壳温，当超过允许温度时主电路跳闸，实现过热保护。
下面着重讨论因短路而产生的过电流及其保护措施。
前已述及，IGBT由于寄生晶闸管的影响，当流过IGBT的电流过大时，会产生不可控的擎住效应。
实际应用中应使IGBT的漏极电流不超过额定电流，以避免出现擎住现象。
一旦主电路发生短路事故，IGBT由饱和导通区进入放大区，集电极电流I C并未大幅度增加，但此时漏极电压很高，IGBT的功耗很大。
短路电流能持续的时间t则由漏极功耗所决定。
这段时间与漏极电源电压U DD、门极电压U GS及结温T j密切相关。
图1给出了允许短路时间t和电源电压U DD的关系曲线。
图1(a)中示出了测试电路和U GS、i D的波形，测试条件为：受试元件为50A/1000V的IGBT，R G为24Ω，T j为25℃，U GS为15V。
图1(b)为允许短路时间与电源电压的关系曲线，由图可知，随着电源电压的增加，允许短路过电流时间t减小。
在负载短路过程中，漏极电流i D也随门极电压+U GS的增加而增加，并使IGBT允许的短路时间缩短。
由于允许的短路时间随门极电压的增加而减小。
所以，在有短路过程的设备中，IGBT的+U GS应选用所必须的最小值。
必须指出，在允许的短路时间内，IGBT工作在放大区，漏极电流波形与门极输入电压波形很相似。
对IGBT的过电流保护可采用集射极电压识别的方法，在正常工作时，IGBT的通态饱和电压降U on与集电极电流i C呈近似线性变化的关系，识别U on的大小即可判断IGBT集电极电流的大小。
IGBT的结温升高后，在大电流情况下通态饱和压降增加，这种特性有利于过电流识别保护。
图2为过电流保护电路，由图可知，集电极电压与门极驱动信号相“与”后输出过电流信号，将此过电流信号反馈至主控电路切断门极信号，以保护IGBT不受损坏。
IGBT驱动电路原理及设计方案方法
IGBT驱动电路原理及设计方法本文着重介绍三个IGBT驱动电路。
驱动电路的作用是将单片机输出的脉冲进行功率放大，以驱动IGBT，保证IGBT的可靠工作，驱动电路起着至关重要的作用，对IGBT驱动电路的基本要求如下：（1）提供适当的正向和反向输出电压，使IGBT可靠的开通和关断。
（2）提供足够大的瞬态功率或瞬时电流，使IGBT能迅速建立栅控电场而导通。
（3）尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率。
（4）足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘。
（5）具有灵敏的过流保护能力驱动电路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。
■- ■ ―- ■ —«■www.d i angon. com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、I GBT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。
大功率电压型逆变器新型组合式IGBT过流保护方案
０
引起 ＩＢ Ｇ Ｔ失效的原 因有 ：
收稿 日期 ：０ ２— ｌ一 ２ ２０ ０ ２
１ ６ （ ６ ９ １）
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ＩＢ Ｇ Ｔ等 效 电路
维普资讯
大功 率电压型 逆 变器新型 组合 式 Ｉ Ｂ Ｇ Ｔ过 流保 护方 案
Ｃ Ｐ Ｐ Ｎ
般都是利用这些瞬时过电流保护信号， 通过触发器时 序逻辑电路的记忆功能 ，构成记 Ｅ锁定保护电路 ，以避 免保 护 电路在过 流时的频 繁动作 ，实 现可取 的过 流保
一
护。 本文分析 了大功率 可控整流电压型逆变器中封锁驱 动及整流拉逆变式双重保护 电路结 构。
２ ＩＢ Ｇ Ｔ失效原 因和 保护 方法
最 高允许的工作温度 为 １Ｏ ３℃左右 。 ２ ）超 出关断安全工作 区引起 擎住效应而损坏 擎 住效应分静态擎住效应和动态擎住 效应 。Ｇ Ｔ为 Ｐ Ｐ １Ｂ ＮＮ ４ 层结构 ， 其等效 电路如图 ｌ 所示。 内存在一个寄生晶 体 闸管 ，在 Ｎ Ｎ晶体管的基极与发射极之 间并有一个体 Ｐ 区扩展 电阻 兄， Ｐ型体 内的横 向空穴 电流 在 兄 上会产 生
１ 引 言
随着 电力电子器件制造技术 的发展 ，高性能 、太容 量的绝缘栅双极晶￣ （Ｇ Ｔ 因其具有电压型控制 、 １Ｂ ） 输
１ ）过热损 坏
集 电极 电流过 大引起的瞬时过热及
其它原 因，如散热不 良导致 的持续过热均会使 ＩＢ Ｇ Ｔ损 坏 如果器件持续短路 ， 大电流产生的功耗将 引起温升 ， 由于芯片 的热容量小 ， 其温度迅速上升 ， 若芯片温度超 过硅本 ｆ温度 （ ２０Ｃ）器件将失去阻断能力 ， 控 约 ５￣ ， 栅极
基于矩阵变换器IGBT的集中式过流保护电路设计
Ｉ Ｂ 的过 载范 围往 往会 受到 限制 。这不 仅是过 载 ＧＴ 时节温 的绝 对值 ，而 且连 过载 时的 温度变 化 范 围
都是 限制 因素。
１ ． 短路 电流保 护 ２
保护 电路 进 行设 计 就 足 以保 证Ｉ Ｂ 的可 靠 运行 。 ＧＴ
但 是 ，在矩 阵变 换器 中 ， 由于整 流级 和逆 变级 的 Ｉ Ｂ 数 量 较 多 。而 对 逐 个Ｉ Ｂ 过 流保 护 电路 进 ＧＴ ＧＴ 行设 计较为 繁琐 ，故 可 以采 用集 中式 过 流保 护 电 路 ．以达到精 简和优 化 电路 的效果 。 另外 ，由于Ｉ Ｂ ￣ 够承受 一定 时 间的短路 电 ＧＴ 流 ．所 承受 短路 电流 的时 问与短 路 电流 的大小 有 关 ，短 路 电流 相 ￣ Ｉ Ｂ 的 额定 电流 越 大 ，Ｉ Ｂ ｈＧ Ｔ ＧＴ 能承 受 的时 问也 就 越短 。故在Ｉ Ｂ 短 路 烧 毁前 ， ＧＴ
定 运行 。
数 （．～ ．倍 ）的 过 载 电 流 ；另 一 类 是 高 倍 数 １ １ ２ ５
ｆ 达８ ｌ倍１的短路 电流 。 高 ～０ １１ 过载 电流保 护 ． 原 则上 ，Ｉ Ｂ 在过 流时 的开关 和通 态特性 与 Ｇ Ｔ
其在额 定条 件下 运行 时 的特性相 比并 没有 什 么不
第１卷 ２
第５ 期
电 子元 嚣 件 盔 用
Ｅｌｃｒ ｎｉ ｍ ｐ ｎｅ ｅ ｔｏ ｃＣｏ ｏ ｎｔ＆ Ｄｅ ｉｅＡｐ ｉ ａｉｎｓ ｖｃ ｐｌｃ ｔｏ
Ｖ０ ．２ Ｎ ． １ ｏ５ １
Ｍａ ． ２ ０ ｖ ０１
２ １ 年５ ０ ０ 月
ｄ ｉ Ｏ３ ６ ／ｉ ｎ１ ６ － ７ ５ ０ ００ ．１ ｏ： ． ９ ．ｓ ．５ ３ ４ ９ ． １ ．５０ ０ ｌ ９ ｊｓ ２
三种IGBT驱动电路和保护方法详解
三种IGBT驱动电路和保护方法详解IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种功率开关器件，具有高压能力和快速开关速度，广泛应用于各类电力电子设备中。
为了保证IGBT的正常工作和延长寿命，需要合理设计驱动电路和采取保护措施。
以下将详细介绍三种常见的IGBT驱动电路和保护方法。
1.全桥驱动电路：全桥驱动电路使用四个驱动器来控制IGBT的开关动作，通过驱动信号的控制确保IGBT的正确触发。
全桥驱动电路的优点是开关速度快、电流能力高、噪音抵抗能力强。
驱动信号的产生可以通过模拟电路或数字电路实现，后者具有更高的可靠性和精准性。
在全桥驱动电路中，还会配备隔离变压器，用于提供与主电源隔离的驱动信号。
保护方法：（1）过温保护：通过测量IGBT芯片的温度，一旦温度超过设定值，即切断IGBT的驱动信号，防止过热损坏。
（2）过流保护：通过监测IGBT输入电流，当电流超过额定值时，切断IGBT的驱动信号，避免损坏。
（3）过压保护：检测IGBT的输入电压，当电压超过设定值时，中断驱动信号，以防止损坏。
（4）过电压保护：通过监测IGBT的输出电压，当电压异常升高时，关闭IGBT的驱动信号，避免对后续电路造成损害。
（5）失控保护：当IGBT因为故障或其他原因丧失了晶体管功能时，立即中断其驱动信号，以保护设备安全。
2.半桥驱动电路：半桥驱动电路仅使用两个驱动器来控制一个IGBT的开关动作。
相比于全桥驱动电路，半桥驱动电路简化了驱动电路的设计，成本更低。
但由于只有单个驱动器来控制IGBT，因此其驱动能力和噪音抵抗能力相对较弱。
保护方法：半桥驱动电路的保护方法与全桥驱动电路类似，包括过温保护、过流保护、过压保护、过电压保护和失控保护等。
可以将这些保护方法集成在半桥驱动电路中，一旦触发保护条件，即切断驱动信号，以保护IGBT和其他电路设备。
3.隔离式驱动电路：隔离式驱动电路通过隔离变压器将主电源与IGBT的驱动信号分隔开，能够提高系统的稳定性和安全性。
IGBT过流保护电路设计
作者简介 ： 张海亮 （９ ７ ）男 ， １８ 一 ， 浙江余姚人 ， 主要从事 电力电子与智能电源方面的研究 ． — ｉ ｚ ０ １３ ＠１３ｃｒ Ｅ ｍａｌ ｉ ５ ０ ５ ６ ． ｎ ：ｖ ｏ 通信联 系人 ： 陈国定 ， ， 男 教授 ， 博士．Ｅ ｍａｌｇｃ ｅ＠ｚｕ． ｕｃ — ｉ：ｄ ｈｎ ｊｔｄ ． ｅ ａ
Ｏ 引 言
Ｉ Ｂ 既具有功率 Ｍ Ｓ Ｅ 的高速开关及 电压驱 ＧＴ ＯＦＴ 动特性 ， 又具有 巨型晶体管（ Ｔ ） Ｇ Ｒ 的低饱和电压特性
及 易实现 较大 电流 的能力 ， 泛应 用 于电机 调速 、 广 Ｕ Ｓ 开关 电源等 领域 。 Ｐ、 在 ＩＢ Ｇ Ｔ的应 用 中 ， 流 保 护 是 其 中 的一 项 关 键 过 技 术 。过 流保 护 电路 不仅 关 系 到 ＩＢ Ｇ Ｔ本 身 的工 作性 能和运 行 安 全 ， 也影 响 到整 个 系统 的性 能及安 全 。 可
第２ 卷第８ ９ 期
２ １ 年 ８月 ０２
机
电
工
程
Ｖｏ ．２ ． １ ９ Ｎｏ８
Ａｕ ｇ．２ ２ ０１
Ｊｕ ｎ ｌｏ ｃ ａ ｉａ ｏ ｒａ ｆＭｅ ｈ ｎｃ ｌ＆ Ｅｌｃｒ ａ ｎ ｉｅ ｒ ｇ ｅ ｔ ｃ ｌＥ ｇｎ ｅ ｎ ｉ ｉ
IGBT驱动器EXB841保护电路的设计
３ 外 部 过流 保 护 电路
由上述分析 可知 ， ＸＢ８ １内部短路保护功能是通 Ｅ ４ 过检测 Ｉ Ｔ的集射 电压 ＧＢ 的大小来判 断是否发生 了
过流现象 ， 根据 图 ２， 以得到 Ｅ 可 ＸＢ８ １的 ６脚 电压 ４ 和Ｉ ＧＢＴ集射 电压 之 间存在 以下关系 ：
图２ Ｅ Ｂ ４ Ｘ ８ １内部原理 图［ ３ ］
也极有 可能使 Ｉ Ｔ损坏 。同时， ＧＢ 由于此时 Ｅ ＸＢ８ １内 ４ 部没有 锁定输入 信号 的功 能 ， 因此 ， 流还会进 一步损 过
坏Ｅ ＸＢ８ 。 ４ｌ
与此 同时 导通 ， ２ Ｃ 通过 更快放 电， Ｂ点和 Ｃ点 将
电位箱制在 ０ 使 Ｖ，
正 常关 断。
仍不通 ， 后续 电路不会动作 ，Ｇ Ｔ ＩＢ
５ Ｖ。在发生过
即 当 Ｉ 集射 电压 ， ＢＴ Ｇ 升现象 ， 通过 Ｖ 的击穿使得 Ｚ１ Ｄ点电位下降 ， 而关断 Ｉ 进 ＧＢＴ。
一
当信号输人端 没有信号时 ， ＸＢ ４ 的光耦 Ｔ Ｐ ５ Ｅ ８１ Ｌ ５０
关闭， Ａ点 电位上升 ， Ｖ ， ２导通 ； ２导通使互补推 使 １ Ｖ Ｖ
般情况下 ，Ｇ Ｔ在正常导通时集射压 降为 ３ 当 ＩＢ Ｖ， ７ ５ ，Ｇ Ｔ 已经严重过流 ， ． 时 ＩＢ 即使此时关断 Ｉ Ｂ Ｇ Ｔ，
挽 电路 中 Ｖ 截止 ， ５导通 ，ＧＢ ４ Ｖ Ｉ Ｔ栅极 电荷通过 Ｖ ５迅 速放 电， Ｅ ８ １ １ 电位迅速下降至 Ｏ 使 Ｉ Ｂ 使 ＸＢ ４ 的 脚 Ｖ， Ｇ Ｔ 可靠关断。 迅速上升 ， Ｅ ８ １ ６脚 “ 使 ＸＢ ４ 的 悬空” 。
Ｖ 截止 ， ２截止使 Ｄ点 电位上升至 ＥＸ ４ ２ Ｖ Ｂ８ １的工作 电 压 （０ ， ２ Ｖ） 因此 ， 补推挽 电路 中 Ｖ 导通 ， ５ 互 ４ Ｖ 截止 ， 导通 的 Ｖ 使 电流从工作 电源经过 Ｖ ， ４ ４ 流向栅极 电阻 ， 给
IGBT驱动的欠压保护电路及过流保护电路
IGBT驱动的欠压保护电路及过流保护电路作者：海飞乐技术时间：2017-06-19 14:321.欠压保护电路一般情况下，IGBT栅极电压V GE需要+15V才能使IGBT进入深饱和。
如果V GE低于10V时，IGBT将工作在线性区，并且很快因过热而被烧坏。
lGBT驱动要求电源电压为正电压不低于10V，负电压不低于-12V，一般欠压保护常用稳压管检测电源电压以保护IGBT。
欠压保护电路如图1所示，采用两只稳压值分别为12V和10V的稳压管Z1和Z2。
图1 欠压保护电路当正负电压均不欠压时，三极管Q6进入饱和导通，比较器LM193反向端电压被拉低，比较器正向电压由电阻分压得到，为5V左山。
所以比较器输出高电平，无欠压故障信号。
当正电压欠压时(低于10V)，10V稳压管Z2不能被击穿，使得Q6截止，比较器反向端电压升高，比较器输出低电平故障信号。
当负电压欠压时(低于-12V)，12V稳压管Z1阴极大于0，,使得Q6基极电压被拉低而截止，比较器也会输出电平故障信号。
2.过流保护电路通过对流保护检测及措施的研究，驱动电路采用如下过流保护电路：(1)采用饱和压降V CC(sat)检测法，来检测过流和短路情况，并且过流阈值可调，检测过流范围IGBT额定集电极电流1.2倍到10倍；(2)过流保护采用软关断的方法。
即检测到过流发生时，立即缓慢降低栅极电压，限制集电极电流继续上升，并软关断lGBT，经过固定延时后，再硬关断IGBT(此时软关断电路退出，保证故障情况下可靠关断IGBT)。
图2 过流保护电路图2所示为设计的过流保护电路。
其中RC_refA和PWM信号反向，与IGBT开通时，RC_refA变低，比较器正向端电压V ref由RCA端电压决定，其中通过改变RCA电阻和电容值，可以调节V ref大小以及参考时间长短(即电压下降时间)，V ref可调范围为0V-15V。
比较器反向端通过连接检测二极管来检测IGBT饱和压降，IGBT关断时检测的V ce(sat)上升到稳压管Z3电压10V。
IGBT过流保护
IGBT模块的过流保护发布时间: 2009-01-12 09:12:40IGBT模块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模块驱动器的输入脉冲，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模块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模块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模块允许承受的短路时间小于5μs，而饱和压降3V的IGBT模块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模块的阻抗也降低，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模块。
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。
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IGBT保护电路的过流保护设计方案
2012年01月26日[责任编辑：sandyxu] 中心议题：
* 论述IGBT的过流保护、过压保护与过热保护相关问题
* 从实际应用中总结出各种保护方法
解决方案：
* 尽可能减少电路中的杂散电感
* 采用吸收回路
* 适当增大栅极电阻Rg
本文论述了IGBT的过流保护、过压保护与过热保护相关问题，并从实际应用中总结出各种保护方法，这些方法实用性强，保护效果好，是IGBT保护电路设计必备知识。
IGBT（绝缘栅双极性晶体管）是一种用MOS来控制晶体管的新型电力电子器件，具有电压高、电流大、频率高、导通电阻小等特点，因而广泛应用在变频器的逆变电路中。
但由于IGBT的耐过流能力与耐过压能力较差，一旦出现意外就会使它损坏。
为此，必须但对IGBT 进行相关保护。
过流保护
生产厂家对IGBT提供的安全工作区有严格的限制条件，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，但需6个电流互感器。
过电流检测出来的电流信号，经光耦管向控制电路输出封锁信号，从而关断IGBT的触发，实现过流保护。
图1 IGBT的过流检测
（2）驱动电路中设有保护功能。
如日本英达公司的HR065、富士电机的EXB840～844、三菱公司的M57962L等，是集驱动与保护功能于一体的集成电路（称为混合驱动模块），其电流检测是利用在某一正向栅压Uge下，正向导通管压降Uce（ON）与集电极电流Ie成正比的特性，通过检测Uce（ON）的大小来判断Ie的大小，产品的可靠性高。
不同型号的混
合驱动模块，其输出能力、开关速度与du/dt的承受能力不同，使用时要根据实际情况恰当选用。
由于混合驱动模块本身的过流保护临界电压动作值是固定的（一般为7～10V），因而存在着一个与IGBT配合的问题。
通常采用的方法是调整串联在IGBT集电极与驱动模块之间的二极管V的个数，如图2（a）所示，使这些二极管的通态压降之和等于或略大于驱动模块过流保护动作电压与IGBT的通态饱和压降Uce（ON）之差。
图2 混合驱动模块与IGBT过流保护的配合
上述用改变二极管的个数来调整过流保护动作点的方法，虽然简单实用，但精度不高。
这是因为每个二极管的通态压降为固定值，使得驱动模块与IGBT集电极c之间的电压不能连续可调。
在实际工作中，改进方法有两种：
（1）改变二极管的型号与个数相结合。
例如，IGBT的通态饱和压降为2.65V，驱动模块过流保护临界动作电压值为7.84V时，那么整个二极管上的通态压降之和应为7.84-2.65=5.19V，此时选用7个硅二极管与1个锗二极管串联，其通态压降之和为0.7×7+0.3×1=5.20V（硅管视为0.7V，锗管视为0.3V），则能较好地实现配合
（2）二极管与电阻相结合。
由于二极管通态压降的差异性，上述改进方法很难精确设定IGBT过流保护的临界动作电压值如果用电阻取代1～2个二极管，如图2（b），则可做到精确配合。
另外，由于同一桥臂上的两个IGBT的控制信号重叠或开关器件本身延时过长等原因，使上下两个IGBT直通，桥臂短路，此时电流的上升率和浪涌冲击电流都很大，极易损坏IGBT 为此，还可以设置桥臂互锁保护，如图3所示。
图中用两个与门对同一桥臂上的两个IGBT的驱动信号进行互锁，使每个IGBT的工作状态都互为另一个IGBT驱动信号可否通过的制约条件，只有在一个IGBT被确认关断后，另一个IGBT才能导通，这样严格防止了臂桥短路引起过流情况的出现。
图3 IGBT桥臂直通短路保护
过压保护
IGBT在由导通状态关断时，电流Ic突然变小，由于电路中的杂散电感与负载电感的作用，将在IGBT的c、e两端产生很高的浪涌尖峰电压uce=L dic/dt，加之IGBT的耐过压能力
较差，这样就会使IGBT击穿，因此，其过压保护也是十分重要的。
过压保护可以从以下几个方面进行：
（1）尽可能减少电路中的杂散电感。
作为模块设计制造者来说，要优化模块内部结构（如采用分层电路、缩小有效回路面积等），减少寄生电感；作为使用者来说，要优化主电路结构（采用分层布线、尽量缩短联接线等），减少杂散电感。
另外，在整个线路上多加一些低阻低感的退耦电容，进一步减少线路电感。
所有这些，对于直接减少IGBT的关断过电压均有较好的效果。
（2）采用吸收回路。
吸收回路的作用是；当IGBT关断时，吸收电感中释放的能量，以降低关断过电压。
常用的吸收回路有两种，如图4所示。
其中（a）图为充放电吸收回路，（b）图为钳位式吸收回路。
对于电路中元件的选用，在实际工作中，电容c选用高频低感圈绕聚乙烯或聚丙烯电容，也可选用陶瓷电容，容量为2 F左右。
电容量选得大一些，对浪涌尖峰电压的抑制好一些，但过大会受到放电时间的限制。
电阻R选用氧化膜无感电阻，其阻值的确定要满足放电时间明显小于主电路开关周期的要求，可按R≤T/6C计算，T为主电路的开关周期。
二极管V应选用正向过渡电压低、逆向恢复时间短的软特性缓冲二极管。
（3）适当增大栅极电阻Rg。
实践证明，Rg增大，使IGBT的开关速度减慢，能明显减少开关过电压尖峰，但相应的增加了开关损耗，使IGBT发热增多，要配合进行过热保护。
Rg 阻值的选择原则是：在开关损耗不太大的情况下，尽可能选用较大的电阻，实际工作中按Rg=3000/Ic 选取。
图4 吸收回路
除了上述减少c、e之间的过电压之外，为防止栅极电荷积累、栅源电压出现尖峰损坏IGBT，可在g、e之间设置一些保护元件，电路如图5所示。
电阻R的作用是使栅极积累电荷泄放，其阻值可取4.7kΩ；两个反向串联的稳压二极管V1、V2。
是为了防止栅源电压尖峰损坏IGBT。
图5 防栅极电荷积累与栅源电压尖峰的保护
过热保护
IGBT 的损耗功率主要包括开关损耗和导通损耗，前者随开关频率的增高而增大，占整个损耗的主要部分；后者是IGBT控制的平均电流与电源电压的乘积。
由于IGBT是大功率半
导体器件，损耗功率使其发热较多（尤其是Rg选择偏大时），加之IGBT的结温不能超过125℃，不宜长期工作在较高温度下，因此要采取恰当的散热措施进行过热保护。
散热一般是采用散热器（包括普通散热器与热管散热器），并可进行强迫风冷。
散热器的结构设计应满足：Tj=P△（Rjc+Rcs+Rsa）《Tjm式中Tj－IGBT的工作结温
P△－损耗功率
Rjc－结－壳热阻vkZ电子资料网
Rcs－壳－散热器热阻
Rsa－散热器－环境热阻
Tjm－IGBT的最高结温
在实际工作中，我们采用普通散热器与强迫风冷相结合的措施，并在散热器上安装温度开关。
当温度达到75℃～80℃时，通过SG3525的关闭信号停止PMW 发送控制信号，从而使驱动器封锁IGBT的开关输出，并予以关断保护。
原创文章："/article/articleinfo/id/80010769/page/3"
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