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(guān)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(shè)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(shè)計者必須考慮的問題。本文從應(yīng)用角度，歸納、總結(jié)了igbt的驅(qū)動過流保護電路的設(shè)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(shù)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(shè)計原則為：一、當(dāng)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(dāng)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(yīng)出較高的尖峰電壓，故應(yīng)采用軟關(guān)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(dāng)?shù)臇艠O驅(qū)動電壓?；谏鲜鏊枷?，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(shè)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(dǎo)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(dāng)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(dāng)c點電位上升到dz1的擊穿電壓時，t3導(dǎo)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(dǎo)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(fù)到原來值，dz1、t3立即截止，同時c4開始充電，f點和g點電位上升，igbt的柵極電壓恢復(fù)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(dǎo)通，igbt的柵射極電壓最終為-5伏，導(dǎo)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(guān)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(yīng)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；
（3）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(fù)雜，但設(shè)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(dāng)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(dǎo)通，igbt導(dǎo)通；反之，輸入為低電平時，igbt關(guān)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(dǎo)通壓降；v2為exb841內(nèi)部二極管擊穿電壓。如設(shè)v1=5v，vd=1v，v2=13v，即vce=7v時，為過流保護電壓閥值，當(dāng)vce＜7v時保護電路不工作，其保護功能為：當(dāng)過流時降低柵射極驅(qū)動電壓，并與慢關(guān)斷技術(shù)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(fù)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(guān)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(dāng)前工作周期內(nèi)實現(xiàn)延時保護關(guān)斷。
另外，ir系列、m579系列和vc37系列?？祢?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(fù)雜，但設(shè)計靈活、保護功面，模塊驅(qū)動過流保護電路使電路的設(shè)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(yīng)用中采用哪一種方法，應(yīng)視實際情況而言。