IGBT因其飽和壓降低和工作頻率高等優(yōu)點而成為大功率開關電源等電力電子裝置的首選功率器件，但IGBT和晶閘管一樣，其抗過載能力不高〔1-2〕。因此，如何設計IGBT的驅(qū)動過流保護電路，使之具有完善的驅(qū)動過流保護功能，是設計者必須考慮的問題。本文從應用角度，歸納、總結(jié)了IGBT的驅(qū)動過流保護電路的設計方法。
1、驅(qū)動過流保護電路的驅(qū)動過流保護原則
IGBT的技術資料表明，IGBT在10μS內(nèi)最大可承受2倍的額定電流，但是經(jīng)常承受過電流會使器件過早老化〔3〕，故IGBT的驅(qū)動過流保護電路的設計原則為：一、當過電流值小于2倍額定電流值時，可采用瞬時封鎖柵極電壓的方法來實現(xiàn)保護；二、當過電流值大于2倍額定電流值時，由于瞬時封鎖柵極電壓會使di/dt很大，會在主回路中感應出較高的尖峰電壓，故應采用軟關斷方法使柵極電壓在2μS—5μS的時間內(nèi)降至零電壓〔4〕，至最終為-5伏的反電壓；三、采用適當?shù)臇艠O驅(qū)動電壓。基于上述思想，驅(qū)動過流保護電路現(xiàn)分為分離元件驅(qū)動過流保護電路和模塊驅(qū)動過流保護電路。
2、驅(qū)動過流保護電路的設計
2、1 分離元件驅(qū)動過流保護電路
以多電源驅(qū)動過流保護電路為例，分離元件驅(qū)動過流保護電路〔5〕如圖1。圖1中，T1、T4和T5構(gòu)成IGBT的驅(qū)動電路，DZ1、T3、D2、C4構(gòu)成延時降壓電路。T6、555集成電路和光耦LP2構(gòu)成延時電路。在正常開通時，T1和T4導通，由于D1和R6的作用，B點電路不會超過DZ1擊穿電壓，此時T3截止，D點電位不會下降，延時電路不延時，T2截止。當IGBT流過短路電流時，IGBT的集射極壓降上升，此時C點電位上升，上升時間t1由式（1）求得〔6〕。
式（1）中，VCC是電源電壓，單位為伏特；V1是DZ1擊穿電壓，單位為伏特；τ2=R2×C2，為時間常數(shù)，單位為秒；VC2為電容C2的初始電壓，單位為伏特。
當C點電位上升到DZ1的擊穿電壓時，T3導通，C4放電，D點電位下降，即F點和G點電位下降，IGBT的柵極驅(qū)動電壓下降。同時，光耦LP2導通，延時電路開始計時，此計時時間t2由式（2）求得〔6〕。
式（2）中，VCC是電源電壓，單位為伏特；V2是555翻轉(zhuǎn)電平，單位為伏特；τ2=（R14+R15）×C5，為時間常數(shù)，單位為秒；VC5為電容C5的初始電壓，單位為伏特。
如果過流故障在555計時時間t2內(nèi)消除，則C點電位下降恢復到原來值，DZ1、T3立即截止，同時C4開始充電，F(xiàn)點和G點電位上升，IGBT的柵極電壓恢復到原來的正常值，IGBT繼續(xù)正常工作；如果在555計時時間t2內(nèi)過流故障還沒有消除，則555輸出高電平，經(jīng)T7、CD4043和CD4081驅(qū)動光耦LP1，使A點電位下降并保持，T1截止，T5導通，IGBT的柵射極電壓最終為-5伏，導致IGBT截止，從而實現(xiàn)延時緩降壓過流保護。其從發(fā)生過流故障到徹底關斷IGBT所需的總時間t為
t=t1+t2（3）
式（3）中，t、t1和t2的單位都是秒。
此外，單電源驅(qū)動過流保護電路的原理與上述多電源驅(qū)動過流保護電路類似，可參閱文獻〔7〕。
還應注意〔8〕：（1）選擇合適的柵極驅(qū)動電壓值；正電壓值一般在12V—15V為宜，12V最佳，反向電壓一般在5V—10V；
（2）選擇合適的柵極串聯(lián)電阻值，一般選幾歐姆到十幾歐姆；
?。?）選擇合適的柵射極并聯(lián)電阻值或穩(wěn)壓二極管。
從上述分析可知，分離元件驅(qū)動過流保護電路復雜，但設計靈活。
2、2 模塊驅(qū)動過流保護電路
以EXB841系列為例，模塊驅(qū)動過流保護電路〔9-10〕如圖2。圖2中，9腳為參考地，2腳電位為20V，1腳電位為5V，當14腳、15腳之間加上高電平驅(qū)動信號時，EXB841中的互補輸出級中的上管導通，IGBT導通；反之，輸入為低電平時，IGBT關斷。EXB841內(nèi)部過流保護電路通過檢測IGBT的集射極電壓Vce來判斷IGBT是否過流，其判斷公式為：
Vce+V1+VD≥V2（4）
式（4）中，V1為1腳電位；VD為6腳所接二極管D導通壓降；V2為EXB841內(nèi)部二極管擊穿電壓。如設V1=5V，VD=1V，V2=13V，即Vce=7V時，為過流保護電壓閥值，當Vce＜7V時保護電路不工作，其保護功能為：當過流時降低柵射極驅(qū)動電壓，并與慢關斷技術相結(jié)合〔11〕。在檢測到短路2μS后，開始降低柵極驅(qū)動電壓，10μS內(nèi)降到OV。在這段時間內(nèi)，若短路現(xiàn)象消除，柵極驅(qū)動電壓恢復到正常值；若故障仍存在，則5腳輸出故障信號，通過一定時間的延遲后，IGBT的柵射極電壓最終為-5伏，同時封鎖輸入信號，這樣避免立即停止輸入信號造成硬關斷，產(chǎn)生過電壓擊穿IGBT。其不足之處為：一、負柵壓過低，降低了IGBT的可靠性；二、沒有過流信號鎖定功能，一旦發(fā)生過流故障，并不能在當前工作周期內(nèi)實現(xiàn)延時保護關斷。
另外，IR系列、M579系列和VC37系列模快驅(qū)動器的原理與EXB841類似，此處不再贅述，可參閱文獻〔12〕、〔13〕、〔14〕和〔15〕。
3、結(jié)束語
以上介紹了幾種IGBT驅(qū)動過流保護電路。分離元件驅(qū)動過流保護電路復雜，但設計靈活、保護功面，模塊驅(qū)動過流保護電路使電路的設計簡化并具備了一定的保護功能，但這些保護功能是有限的，用時，還要考慮擴展其功能。至于實際應用中采用哪一種方法，應視實際情況而言。
