中心議題：

• IGBT驅動驅動電路的設計
• IGBT及驅動電路的保護功能

解決方案：

• 消除IGBT集-柵極之間的du/dt
• EXB841的過流保護功能擴展
• 控製部分與驅動部分的隔離

絕緣柵場效應晶體管(IGBT)作為一種複合型器件，集成了MOSFET的電壓驅動和高開關頻率及功率管低損耗、大功率的特點，在電機控製、開關電源
、變流裝置及許多要求快速、低損耗的領域中有著廣泛的應用。本文對應用於有源電力濾波器的IGBT的特性及其專有EXB84l型驅動器的設計進行討論，並提出一種具有完善保護功能的驅動電路。
　　
有源電力濾波器設計中應用4個IGBT作為開關，並用4個EXB84l組成驅動電路
，其原理如圖l所示。在實驗中，根據補償電流與指令電流的關係，用數字信號處理器(DSP)控製PWM引腳的高低電平
，並由驅動電路控製IGBT的通斷。驅動電路同時對過流故障進行監測，由DSP采取封鎖控製信號、停機等處理。


驅動電路的設計
　　
1驅動電路電源
　　
驅動電路需要4路相互隔離的直流電源為4路IGBT驅動電路供電，用220V/22V變壓器對4路交流電源分別整流，用電容器和78L24型電壓調整器穩壓後輸出4路24V直流電壓，如圖2所示。


[page]
IGBT通tong常chang采cai用yong柵zha極ji電dian壓ya驅qu動dong，它ta對dui柵zha極ji驅qu動dong電dian路lu有you著zhe特te殊shu的de要yao求qiu。柵zha極ji驅qu動dong電dian壓ya脈mai衝chong的de上shang升sheng率lv和he下xia降jiang率lv要yao足zu夠gou大da，導dao通tong時shi，前qian沿yan很hen陡dou的de柵zha極ji電dian壓yaUGE可以使IGBT快速導通，並減小導通損耗，關斷時，其柵極驅動電路要給IGBT提供一個下降很陡的關斷電壓
，並在柵極和發射極之間施加一個適當的反向負偏壓，以便使IGBT快速關斷，並減小關斷損耗。IGBT導通後，柵極的驅動電壓和電流要有足夠的寬度，以保證IGBT在瞬時過載時未退出飽和區受到損壞。柵極驅動電壓推薦值為15V±1.5V
，這個電壓值使IGBT完全飽和導通
，並使通態損耗減至最小。施加關斷負偏壓可以抑製C-E間出現du/dt時IGBT的誤導通，也可以減少關斷損耗。

3門極電阻R1
　　
門極電阻R1的選取對通態電壓、開關時間、開關損耗及承受短路的能力都有不同程度的影響。當門極電阻增大時
，IGBT的開通和關斷時間增加，從而使導通和關斷損耗增加。當門極電阻減小時，則會導致di/dt增加
，從而引起IGBT的誤導通。所以應根據IGBT的電流容量和電壓額定值以及開關頻率的不同選擇R1的阻值。
　　
Rl的值可以用下式計算：


IC為IGBT的集電極電流。如圖3所示，一般R1取十幾歐姆到幾十歐姆，R2為30Ω。由於IGBT是壓控器件，當集-射極間加高壓時，很容易受外界幹擾
，而使柵-射極間電壓超過一定值
，引起器件誤導通，為了防止這種現象的發生，在柵-射極間並聯一電阻器R6可起到一定作用。一般R6阻值是R2阻值的l000~5000倍
，而且應將它並聯在柵-射極最近處。電路中的電容器Cl和C2用來抑製因電源接線阻抗引起的供電電壓變化，而不是用於電源濾波。
　　
4EXB841驅動環節
　　
筆者在實驗中采用的是EXB841型專用IGBT驅動模塊

，其最高運行頻率為40kHz，輸入信號經內部光耦隔離
，光隔驅動電流為10mA，最大延時約為1μs。工作溫度範圍為-10℃~+85℃，供電電壓為+20V～+25V。筆者對EXB841功能進行了擴展，圖3為驅動環節電路。


EXB841的6引腳連接的二極管可檢測IGBT的飽和壓降
，用來完成過流保護功能


，4引腳的過流保護信號延時10μs輸出。當IGBT有過流時，若UCE大於7.5V，內部過流保護電路開始動作，軟關斷IG-BT。通常在IGBT通過額定電流時UCE為3.5V，當UCE=7.5V時
，IGBT有過流，其值約為額定電流的3~5倍，但是由於沒有達到保護的閾值，保護電路不起作用。如果長時間工作在這種狀態，則會導致IGBT損壞。為了可靠地保護IGBT
，應該降低過流保護閾值，可以在D1與IGBT的集電極間反串一個穩壓管，或多串幾個與D1同規格的快速恢複二極管。如圖3通過反串一個IN4728型3.3V穩壓管使保護閾值降為4.2V。當檢測到IGBT過流後，5引腳變為低電平，TPL521型光耦輸出低電平，通過與門封鎖控製信號輸入
，同時使4輸入與非門輸出低電平，觸發功率驅動保護中斷
，完成相應的保護處理。
[page]
5控製部分與驅動部分的隔離
　　
控製電路為弱電部分，極易受到幹擾；驅動電路直接與外電路連接，是一個較強的幹擾源；為wei了le實shi現xian整zheng個ge設she備bei的de電dian磁ci兼jian容rong

，控kong製zhi電dian路lu部bu分fen必bi須xu與yu驅qu動dong部bu分fen隔ge離li。為wei了le避bi免mian公gong共gong電dian源yuan對dui控kong製zhi電dian路lu產chan生sheng幹gan擾rao
，應ying對dui控kong製zhi電dian路lu及ji驅qu動dong電dian路lu分fen別bie供gong電dian
，EXB84l的電源電壓為+20V，一般控製電路的供電電壓為5V，因此，可以利用圖4所示的DC-DC微功率模塊進行電源隔離，采用A2405D型微功率模塊實現電源的隔離。



IGBT及驅動電路的保護

1IGBT的過電壓保護
　　
IGBT集-射極之間的瞬時過壓會對IGBT造成損壞，筆者采用箝位式吸收電路對瞬時過電壓進行抑製。當IGBT導通時，由於二極管的作用，電容器的電荷不會被放掉，電容器電壓仍為電源電壓。IGBT關斷時，負載電流仍流過IGBT

，直到IGBT集-射極之間電壓達到電源電壓，續流二極管導通。應用該電路，可以使雜散電感中的能量通過二極管轉儲到吸收電容器中
，而IGBT的集電極電位被箝位在電容電壓上，這樣就可以抑製IGBT集電極的尖峰電壓。吸收電容器的容值可以按公式(2)選取：


　式中，L是引線電感；i是IGBT關斷時的電流
；△U是吸收電容器上的電壓過衝。
　　
dangxishouhuiluzhongdedianrongqidianyagaoyuzhiliucedianrongqishangdedianyashi，tongguodianzuqixiangzhiliucedianrongqihuisongnengliang，yizhidaoyuzhiliucedianrongqidedianyaxiangdeng。dangIGBT關斷時，線路電感在集電極和發射極二端產生很高的尖峰電壓，加上箝位式吸收電路以後，UCE被箝位在電容器電壓上，當UCEgaoyudianrongqidianyashi
，xianludiangandenengliangbeizhuanyidaoxishoudianrongqishang
，dangjianfengdianyaguoquyihou，xishoudianronggaoyuzhudianrongdenabufendianyahuiyouyunenglianghuijinerdadaoyuzhudianrongxiangdeng。zheyangjiuyizhileji-射she極ji間jian的de尖jian峰feng電dian壓ya。吸xi收shou電dian容rong越yue大da

，吸xi收shou效xiao果guo越yue好hao。由you於yu吸xi收shou電dian容rong器qi上shang過guo衝chong的de能neng量liang大da部bu分fen被bei送song回hui到dao直zhi流liu側ce電dian容rong，所suo以yi減jian小xiao了le電dian阻zu器qi的de功gong耗hao。

2消除IGBT集-柵極之間的du/dt
　　
圖5所示為EXB841與IGBT柵-射極之間的連接電路原理圖。當驅動電路中的V4導通時，IGBT處於正常導通狀態
，當V5導通時，IGBT柵-射極之間通過穩壓管VZ2提供一個-5V電壓加在其兩端


，使IGBT關斷，此時V5處於臨界導通狀態，穩壓管VZ2處於反向偏置狀態。但由於集-柵極之間分布電容的影響

，集-柵極之間的du/dt增大時
，其通過分布電容形成的電流經過，所以，要克服集-柵極之間的du/dt，確保穩壓管不過壓，避免IGBT誤導通。克服du/dt的方法有二種：一是驅動電路輸出與IGBT柵-射極之間的連線采用雙絞屏蔽電纜，屏蔽層接地，二是采用快速吸收電路吸收過電壓。



3EXB841的過流保護功能擴展
　　
EXB841自身具有過流保護功能，其保護原理是利用IGBT的集電極通態飽和壓降與集電極電流呈近似線性關係。當IGBT工作在正常狀態時，EXB841的6腳電位箝製在8V，內部保護不動作，當IGBT因承受過流而退出飽和狀態時，IGBT集-射極間的電壓上升很多
，與EXB84l的6引腳相連的快速二極管截止，EXB841的6引腳被懸空，內部保護動作，輸出驅動電壓慢慢下降，實現IGBT的軟關斷。
　　
在實際應用中，僅靠EXB841的6引腳檢測IG-BT集電極電壓來實現過流保護並不足以有效地保護IGBT
，因此有必要在主電路中加接霍爾電流傳感器來檢測電路中的過流，如圖6所示。過流發生後，檢測電路檢測到電流，延時8μs後信號還存在的話。封鎖驅動信號以關斷IGBT。在圖中
，霍爾電流傳感器如果在主電路中檢測到過流信號，其中的PNP三極管將導通，同時，NPN三極管被截止，EXB841的6腳被懸空；當沒有過流信號時，PNP三極管不導通

，NPN三極管導通

，此時電路等效於擴展前的電路。


本設計應用以上電路對IGBT進(jin)行(xing)驅(qu)動(dong)和(he)保(bao)護(hu)。此(ci)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)是(shi)在(zai)典(dian)型(xing)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)進(jin)行(xing)改(gai)進(jin)和(he)完(wan)善(shan)的(de)，並(bing)且(qie)自(zi)行(xing)設(she)計(ji)了(le)隔(ge)離(li)部(bu)分(fen)和(he)過(guo)電(dian)流(liu)保(bao)護(hu)擴(kuo)展(zhan)部(bu)分(fen)。此(ci)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)相(xiang)對(dui)簡(jian)單(dan)
、實用，對被驅動的IGBT有完善的保護能力，輸出阻抗低，具有較強的抗幹擾性能。
　
應用這種IGBT模塊的有源濾波器的樣機通過試驗，證明硬件能夠協調配合，控製效果穩定

、精確
，並且已經批量製板。