一種新的IGBT驅動保護電路

摘要：針對IGBT驅動保護問題，提出了一種新的驅動保護電路．採用555集成電路作延時降壓電路．電路具有狀態檢測功能、延時緩降柵壓功能和降壓功能等功能．此電路的特點是簡單，定時精度高，可靠性高，反應快．

    在電力電子裝置中，IGBT與晶閘管相比，具有許多優點。因此倍受工程師們的青睞．然而，IGBT的可靠性與其驅動電路和保護電路的優劣有直接關係．設計出高性能的IGBT驅動保護電路，一直是工程師們思考的課題之一．

1 驅動保護電路的要求
    IGBT的驅動要求與器件本身的靜動態特性有直接聯繫，特別是柵極的驅動電阻、柵極的正偏壓、負偏壓要與器件特性相符。IGBT的保護要求也應根據器件特性來設計，做到在IGBT損壞之前應立即將IGBT保護關斷．同時將短路電路電流和保護關斷I—V運行軌跡限制在IGBT的短路保護安全工作之內。
    當IGBT短路時，由於主迴路電流變化率較大，在主迴路上會感應出高壓，此壓有時會超出IGBT的安全電壓範圍而導致器件失效 ．因此，應採用軟關斷的方法．IGBT允許過流的時間一般為5－20s，且不同型號的IGBT具有不同的允許過流時間和過流倍數，關斷電壓與關斷時間也應被設計得非常精確．這些都要求在設計軟關斷電路時，要給予充分地考慮．其要求如下：
(1)能動態地、適時地向IGBT提供恰當的正向柵壓，當漏源電壓V_CE一定時，V_CE與V_EG 成反向變化．當發生短路時，降低V_EG從而延長器件的短路承受時間．
(2)能向IGBT提供恰當的負向柵壓．為使IGBT在關斷過程中提高抗干擾能力，應有一定的負壓．
(3)在IGBT柵極迴路中串聯適當的柵極電阻，以改善V_EG的前後沿陡度和防止振蕩．V_EG的前後沿陡度應是前沿愈陡愈好，而後沿應有一定的陡度，並非愈陡愈好．

2 驅動保護電路結構及參數
    根據上述IGBT的驅動保護電路的要求，IGBT驅動保護電路如圖1．圖1中，T1、T2、T3、T4和T5是90系列的三極體，T1、T2、T3和T4採用9013，T5採用9012；T1、T4和T5構成IGBT驅動放大電路；R3、T1和T4構成IGBT導通驅動電路，其中R3為100Ω/1/8W；T5、R6、R11和DZ2構成IGBT截止保護電路，其中R6為1KΩ/1/8W，R9為330Ω/1/8W，DZ2為1W5V的穩壓管．IC1選用高速光耦6N136，它的信號傳輸延遲小於75ns，特別適合於高頻電路，其作用是實現控制電路與主電路的隔離；IC2採用555集成電路，它和R8、R9、R12、R13、R14、C3、T6、T7構成延時雙穩電路，其中R8為1kΩ/1/8W，R9為2kΩ/1/8W，R12、R13、R14為1kΩ/1/8W， C3採用高精度的鉭電容，為1u/50v，以提高定時精度；T3和R1組成降壓保護電路，其中DZ3採用1W10V的穩壓管，T6、T7為9013，R10為100Ω/1/8W；T2、R5、D2和C2構成緩降壓保護電路，其中R5為100kΩ/1/8W， D2為1N4148， C2為1u/50V的電解電容；R1、R2、C1、R4、D1和DZ1組成狀態識別電路，其中R1為100KΩ/1/8W，R2為50Ω/1/8W的金屬膜電路，C1為1u/50v的電解電容，R4為100Ω/1/8w的金屬膜電阻，D1為1N4148，DZ1為1W8.2V的穩壓管．

3 電路工作原理
3.1正常工作狀態時工作原理
    當控制電路送來低電平時，光耦IC1導通，T1導通．經過R3使T4導通，經由R7，向IGBT提供+15V的柵極驅動電壓，IGBT快速導通．同時，C1通過R2充電，C1的端電壓按指數規律上升，但此時，IGBT導通，IGBT的CE端的飽和壓降下降，通過D1的鉗位作用，C1的端電壓不會超過DZ1的擊穿電壓，DZ1不導通，T3截止，降壓電路不工作．同時T6截止，T7導通，C3的端電壓為零電平，故555輸出端3腳為低電平，T2截止，緩降壓電路不工作．
    當控制電路送來高電平時，光耦IC1關斷，T1和T4截止，IGBT截止．此時，+15V經由R6和R11使T5導通，DZ2上的-5V電壓施加於IGBT的GE端，使IGBT可靠關斷．同時，由於C1的端電壓為零，DZ1不導通，T6截止，T7導通，故IC2的3端輸出仍為低電平，T2、T3都不導通．
 
圖1IGBT的驅動保護電路

3.2短路故障狀態時的工作原理
    當主電路短路時，IGBT的CE端的電壓迅速升高，此時D1反向關斷，C1端電壓迅速上升．經t時間后，其上升電壓由下式求得:
 
式(1)中，τ=R2×C1 ，單位為秒；
    當C1端電壓大於DZ1的擊穿電壓時，DZ1導通，T3導通，DZ3導通，使IGBT的柵電壓由原來的+15V下降到約+10V．此時，如果故障現象消失，D1導通，C1端電壓下降，DZ1截止，T3截止，IGBT的柵電壓由+10V恢復到+15V，電路恢復正常工作；如果此時故障沒有消失，T6導通，T7截止，C3開始充電，端電壓上升，其上升電壓由下式求得:
 
式(2)中，τ=R14×C3，單位為秒；
    一旦設定的時間到，IC2輸出端輸出高電平，經過R9推動T2導通，C2放電，B點電位緩慢下降，T4緩慢地由導通變為截止．同時T5導通，IGBT的柵電壓變為-5V，IGBT可靠關斷，由於555集成電路工作在雙穩狀態，其一旦翻轉輸出高電平，將始終維持對IGBT的關斷，直至故障被消除，從而增加了系統的抗干擾能力，保證了系統的可靠工作．

4 結論
    綜上所述，此電路具有以下特點：

1. 採用單電源+15V，使電路結構簡化．
2. 該驅動電路元件較少，可靠性高，且信號傳輸時問短．反應快．
3. 由於採用了555集成電路和高精度的鉭電容，故定時精度高，且可按照器件的參數實時靈活地調整定時時間．
4. 該短路保護電路具有狀態檢測功能、延時緩降柵壓功能和降壓功能等功能．