I. 什么是IGBT?
绝缘栅双极晶体管(以下简称IGBT)是一种复合半导体器件,融合了MOSFET的快速开关能力、高频操作、高输入阻抗、简单的驱动电路和有利的热特性等优点,同时还具备了GTR的大电流承载能力和高阻挡电压等优势。因此,IGBT是一种理想的开关器件,可以替代GTR,广泛应用于各种需要具备关闭能力的应用领域,如各种固态电源供应系统。
然而,对于IGBT,必须采用合理的驱动电路,因为不当的控制可能导致损坏,包括由于过电流而导致的IGBT故障,这可能会对整个系统的性能产生不利影响。因此,本文主要讨论了IGBT的驱动和短路保护,基于对其工作原理的分析,然后设计并模拟了驱动电路的过电流保护。
II. IGBT的驱动要求
IGBT是一种电压控制型器件,为了确保其安全可靠地开启和关闭,驱动电路必须满足以下条件。值得注意的是,IGBT的栅极电容远远大于MOSFET的栅极电容,因此需要适当的栅极偏压电压和栅极串联电阻来增加开关速度。
1.栅极电压:在开启状态下,栅极驱动电压不能超过参数表规定的限制值(通常为20V),而最佳的栅极正向偏压电压为15V ± 1.5V。这个电压水平可以让IGBT达到饱和状态,从而最小化导通损耗。在关闭状态下,当IGBT处于阻断状态时,可以在栅极和源极之间添加-5 ~ -15V的反向电压,以减小关断时间,提高IGBT的阻挡能力和抗干扰能力。
2.栅极串联电阻(RG):选择适当的栅极串联电阻(RG)对IGBT的驱动至关重要。RG影响开关损耗,主要与输入电容充放电的动态电流变化有关。由于IGBT的输入阻抗在10^9到10^11之间,因此直流增益可以达到10^8到10^9,几乎没有任何功耗。根据电流和电压额定值以及开关频率,通常选择从几十欧姆到几百欧姆的适当RG值,建议参考设备手册以获取更具体的RG值。
3.驱动电源的要求:IGBT的开关过程会消耗来自驱动电源的一定功率。功耗取决于诸如栅极电压差、工作频率、栅极电容和电源的最小峰值电流等参数。
III.IGBT的过电流保护
IGBT的过电流保护是为了限制短路电流,将其控制在安全工作范围内,以防止IGBT损坏。当上下电极同时导通时,电源电压几乎完全施加在开关上。在这种情况下,高短路电流可能导致器件损坏。
IGBT的过电流保护分析
一种包含隔离光耦和过电流保护的IGBT驱动电路,如下图所示。
1.隔离光耦(6N137):高速隔离光耦6N137确保了输入和输出信号之间的电气隔离,适用于高频应用。
2.驱动电路:采用推挽输出配置,主要驱动电路降低输出阻抗,增强了驱动能力,适用于高功率IGBT的驱动。
3.过电流保护:过电流保护电路依赖于集电极饱和。当发生过电流时,IGBT被关闭。此保护机制涉及到组件,如V1、V3、V4、D1、R6、R7和V2,它们共同检测和响应过电流条件。
额外的双向电压稳压器(D3和D4)用于保护电源器件免受静电放电。
IV. 模拟和实验
高电平(15V)和低电平(-5V)方波信号被应用为驱动电路的输入。IGBT的输出波形如下图所示。
总之,所提出的IGBT驱动电路确保为IGBT提供适当的驱动电压(-5V和+15V),以确保IGBT的顺畅开关。该电路包含过电流保护机制,以防止IGBT在过电流事件中损坏。它具备多功能性、根据负载动态调整最大电流的能力,以及通过采用离散元件降低整个系统成本的特点,使其成为各种应用的理想选择。
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