IGBT驱动保护电路分析

【摘 要】本文对IGBT的驱动保护电路进行了分析，给出了IGBT在驱动过程中要做哪些保护，各采用什么方法，得出了在设计IGBT驱动电路时应注意的事项。

【关键词】IGBT；驱动保护电路；降栅压；吸收回路

1 IGBT的基本结构

IGBT是在电力MOSFET的基础上发展起来的。就IGBT的结构而言，是在N沟道MOSFET的漏极N层上有附加上一层P层的PNPN四层结构。如图1所示。由于IGBT多了一个P层发射极，可形成PN结J1，使得IGBT导通时可由P注入区向N基区发射载流子（空穴），对漂移区电导率进行调制。因而IGBT具有很强的电流控制能力。简化等效电路表明，IGBT是以GTR为主导元件、以MOSFET为驱动元件的达林顿结构，一个有MOSET驱动的厚基区PNP晶体管，RN为晶体管基区内的调制电阻。

（a）内部机构端面示意图 （b）简化等效电路 （c）电气图形符号

图1 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号

2 IGBT的工作原理

IGBT是一种电压型控制器件，它所需要的驱动电流跟驱动功率都非常小。IGBT的开通和关断是由门极电压来控制的。门极施以正电压时，MOSFET内形成沟道，并未PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT关断。在门极上施以负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即为关断。

3 IGBT驱动保护电路分析

3.1 驱动保护电路要求

（1）驱动脉冲要有足够快的上升和下降速度，即脉冲的前后沿要求陡峭。

（2）开通时以低电阻对栅极电容充电，关断时为栅极电荷提供低电阻放电回路，以提高开关速度。

（3）为了器件可靠导通，开通脉冲电压的幅度应高于管子的开启电压；为了防止误导通，在器件截止时提供负的栅-源或栅-射电压。

（4）出现短路、过流的情况下，具有灵敏的保护能力。

3.2 IGBT过流保护电路

通常采用的保护措施是降栅压。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使的■，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■。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■和UCE峰值。

3.3 IGBT过压保护电路

关断IGBT时，它的集电极电流下降率较高，极高的下降率降引起集电极过电压，并且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=■，加之IGBT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。降低IGBT集-射极间电压UCE的方法通常有两种：一种是增大栅极电阻RG，但RG的增大将减缓IGBT的开关速度，从而增加开关损耗，此方法不太理想；还有一种就是采用缓冲吸收电路，吸收电路的作用是：当IGBT关断时，吸收电感中释放的能量，以降低关断过电压。

3.4 IGBT过热保护电路

由于IGBT是大功率半导体器件，功率损耗使其发热较多，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。

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，通过关闭信号停止对PWM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。

【参考文献】

[1]黄家善.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2012，1.

[2]王志良.电力电子新器件及其应用[M].北京：国防工业出版社，2010.

[3]陈息坤.一种新型的IGBT保护电路的设计[J].电源技术，2012.

[责任编辑：汤静]