IGBT驱动电路原理及保护电路.docx
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IGBT驱动电路原理及保护电路
驱动电路的作用是将单片机输出的脉冲进行功率放大，以驱动IGBT.保证IGBT的可靠工作，驱动电路起着至关重要的作用，对IGBT驱动电路的基本要求如下：
⑴提供适当的正向和反向输出电压，使IGBT可靠的开通和关断。
（2）提供足够大的瞬态功率或瞬时电流，使IGBT能迅速建立栅控电场而导通。
（3）尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率。
（4）足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘。
（5）具有灵敏的过流保护能力。
第一种驱动电路EXB841/840
EXB841工作原理如图1,当EXB841的14脚和15脚有10mA的电流流过1us以后IGBT正常开通，VCE下降至3V左右，6脚电压被钳制在8V左右，由于VS1稳压值是13V,所以不会被击穿，V3不导通，E点的电位约为20V,二极管VD,截止，不影响V4和V5正常工作。
当14脚和15脚无电流流过，则V1和V2导通，V2的导通使V4截止、V5导通，IGBT栅极电荷通过V5迅速放电，引脚3电位下降至0V,是IGBT栅一射间承受5V左右的负偏压，IGBT可靠关断，同时VCE的迅速上升使引脚6悬空”.C的放电使得B点电位为0V,则VS1仍然不导通，后续电路不动作，IGBT正常关断。
如有过流发生，IGBT的VCE过大使得VD2截止，使得VS1击穿，V3导通，C4通过R7放电，D点电位下降，从而使IGBT的栅一射间的电压UGE降低，完成慢关断，实现对IGBT的保护。
由EXB841实现过流保护的过程可知，EXB841判定过电流的主要依据是6脚的电压，6脚的电压不仅与VCE有关，还和二极管VD2的导通电压Vd有关。
典型接线方法如图2,使用时注意如下几点：
aIGBT栅-射极驱动回路往返接线不能太长（一般应该小于1m）,并且应该采用双绞线接法，防止干扰。
b、由于IGBT集电极产生较大的电压尖脉冲，增加IGBT栅极串联电阻RG有利于其安全工作。
但是栅极电阻RG不能太大也不能太小，如果RG增大，则开通关断时间延长，使得开通能耗增加；相反，如果RG太小，则使得di/dt增加，容易产生误导通。
c、图中电容C用来吸收由电源连接阻抗引起的供电电压变化，并不是电源的供电滤波电容，一般取值为47F.
d、6脚过电流保护取样信号连接端，通过快恢复二极管接IGBT集电极。
e、14、15接驱动信号，一般14脚接脉冲形成部分的地，15脚接输入信号的正端，15端的输入电流一般应该小于20mA，故在15脚前加限流电阻。
f、为了保证可靠的关断与导通，在栅射极加稳压二极管。
ERA34-1O
第二种M57959L/M57962L厚膜驱动电路
M57959L/M57962L厚膜驱动电路采用双电源（+15V,-10V）供电，输出负偏压为-10V,输入输出电平与TTL电平兼容，配有短路/过载保护和封闭性短路保护功能，同时具有延时保护特性。
其分别适合于驱动1200V/100A、600V/200A和
1200V/400A、600V/600A及其以下的IGBT.M57959L/M57962L在驱动中小功率的IGBT时，驱动效果和各项性能表现优良，但当其工作在高频下时，其脉冲前后沿变的较差，即信号的最大传输宽度受到限制。
且厚膜内部采用印刷电路板设计，散热不是很好，容易因过热造成内部器件的烧毁。
日本三菱公司的M57959L集成IGBT专用驱动芯片它可以作为600V/200A或者1200V/100A的IGBT驱动。
其最高频率也达40KHz,采用双电源供电（+15V和-15V）输出电流峰值为吃A,M57959L有以下特点：
⑴采用光耦实现电器隔离，光耦是快速型的，适合20KHZ左右的高频开关
运行，光耦的原边已串联限流电阻，可将5V电压直接加到输入侧。
（2）如果采用双电源驱动技术，输出负栅压比较高，电源电压的极限值为+18V/-15V,—般取+15V/-10V.
（3）信号传输延迟时间短，低电平-高电平的传输延时以及高电平-低电平的传输延时时间都在1.5卩以下。
⑷具有过流保护功能。
M57962L通过检测IGBT的饱和压降来判断IGBT是否过流，一旦过流，M57962L就会将对IGBT实施软关断，并输出过流故障信号。
（5）M57959的内部结构如图所示，这一电路的驱动部分与EXB系列相仿，但是过流保护方面有所不同。
过流检测仍采用电压采样，电路特点是采用栅压缓降，实现IGBT软关断，
避免了关断中过电压和大电流冲击；另外，在关断过程中，输入控制信号的状态失去作用，既保护关断是在封闭状态中完成的。
当保护开始时，立即送出故障信号，目的是切断控制信号，包括电路中其它有源器件。
第三种2SD315A集成驱动模块
集成驱动模块采用+15V单电源供电，内部集成有过流保护电路，其最大的特点是具有安全性、智能性与易用性。
2SD315A能输出很大的峰值电流（最大瞬时输出电流可达±5A），具有很强的驱动能力和很高的隔离电压能力（4000V）。
2SD315A具有两个驱动输出通道，适合于驱动等级为1200V/1700V极其以上的两个单管或一个半桥式的双单元大功率IGBT模块。
其中在作为半桥驱动器使用的时候，可以很方便地设置死区时间。
2SD315A内部主要有三大功能模块构成，分别是LDI（LogICToDriverInterface,逻辑驱动转换接口）、IGD（IntelligentGateDriver,智能门极驱动）和输入与输出相互绝缘的DC/DC转换器。
当外部输入PWM信号后，由LDI进行编码处理，为保证信号不受外界条件的干扰，处理过的信号在进入IGD前需用高频隔离变压器进行电气隔离。
从隔离变压器另一侧接收到的信号首先在IGD单元进行解码，并把解码后的PWM信号进行放大（±5V/±5A）以驱动外接大功率IGBT.当智能门极驱动单元IGD内的过流和短路保护电路检测到IGBT发生过流和短路故障时，由封锁时间逻辑电路和状态确认电路产生相应的响应时间和封锁时间，并把
此时的状态信号进行编码送到逻辑控制单元LDI丄DI单元对传送来的IGBT工
作状态信号进行解码处理，使之在控制回路中得以处理。
为防止2SD315A的两
路输出驱动信号相互干扰，由DC/DC转换器提供彼此隔离的电源供电。
接口单元电气隠离3E动单元外接电力芈辱体
SCALE驱动器模块
2SD315使用时注意事项：
a工作模式
驱动模块的模式选择端MOD外接+15V电源,输入引脚RC1和RC2接地，为直接工作模式。
逻辑控制电平采用+15V,信号输入管脚InA、InB连接在一起接收来自单片机的脉冲信号。
2SD315A的SO1和SO2两只管脚输出通道的工作状态。
当MOD接地时，MOD接地。
通常半桥模式都是驱动一个直流母线上的一个桥臂，为避免上下桥臂直通必须设置死区时间，在死区时间里两个管子同时关断。
因此，RC1,RC2端子必须根据要求外接RC网络来产生死区时间，死区时间一般可以从100n,到几个ms•图中所示的RC1,RC2分别连接IOk.的电阻和1OOpF的电容，这样产生的死区时间大约是500ns.
b、端口VL/Reset
这个端子是用来定义具有施密特性质的输入InA和InB的，使得输入在2/3VL时开通，在I/3VL时作为关断信号。
当PWM信号是TTL电平时，该端子连接如图3-5所示，当输入InA和InB信号为15V的时候，该端子应该通过一个大约1K左右的电阻连接到++15V电源上，这样开启和关断电压分别应该是lov和5V.另外，输入UL/Reset端还有另外的功能：
如果其接地，则逻辑驱动接口单元l.DI001内的错误信息被清除。
C、门极输出端
门极输出Gx端子接电力半导体的门极，当SCALE驱动器用15V供电的时候,门极输出土15V.负的门极电压由驱动器内部产生。
使用如图3-6结构的电路可以实现开通和关断的速度的不一样，增加了用户使用的灵活性。
d、布局和布线
驱动器应该尽可能近的和功率半导体放在一起，这样从驱动器到电力晶体管的引线就会尽可能的短，一般来说驱动器的连线尽量不要长过10厘米。
同时一般要求到集电极和发射极的引线采用绞合线，还有可以在IGBT的门极和发射极之间连接一对齐纳稳压二极管（15~18V）来保护IGBT不会被击穿。
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1
T4V7
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■—
KOIinput
VCC（LDI）
MOD
VL/ResetINBINA
Channe12
Rth2
IGDG2
E2
LDI
S02
SOI
RC1
RC2
GSD
ChanneII
直流母线
2SD315A半桥工作模式外围电路图
驱动模块的模式选择端MOD外接+15V电源，输入引脚RC1和RC2接地，为直接工作模式。
逻辑控制电平采用+15V,信号输入管脚InA、InB连接在一起接收来自单片机的脉冲信号，进行同步控制。
2SD315A的SO1和SO2两只管脚外接三极管和光耦用来向单片机输出两输出通道的工作状态，其输出端结构皆为
集电极开路输出，可以通过外接上拉电阻以适用于各种电平逻辑。
在管脚SO1、SO2和电源之间，以及VisoX和LSX之间加发光二极管进行故障指示。
正常情况下SO1和SO2输出皆为高电平，上电后D3和D4先亮，延时几秒后熄灭，同时D8和D15发亮。
当检测到故障信号时，SO1和S02的输出电平被拉低到地，即D3和D4发亮,同时D8和D15闪烁。
2SD315A是通过监测UCE（sat）来判断回路是否短路和过流，当检测到一路或两路发生过流现象时，检测电路会把异常状态回馈到驱动模块，驱动模块内部会产生一个故障信号并将它锁存，锁存时间为1s,在这段时间
内，驱动模块不再输出信号，而是将两组IGBT及时关断予以保护。
同时，状态输出管脚S01和S02的高电平被拉低，光耦TLP521导通，两路状态信号通过或门74LS32送给单片机。
为防止因关断速度太快在IGBT的集电极上产生很高的反电动势，在门极输出端采用如图3.11所示的电路结构实现开通和关断速度的不同。
开通时门极电阻为3.4Q,关断时电阻为6.80,二极管采用快恢复型，这样就使关断速度下降到安全水平。
这是一张缩略图，点击可放大。
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IGBT短路失效机理
IGBT负载短路下的几种后果
（1）超过热极限：
半导体的本征温度极限为250E，当结温超过本征温度，器件将丧失阻断能力，IGBT负载短路时，由于短路电流时结温升高，一旦超过其热极限时，门级保护也相应失效。
（2）电流擎住效应：
正常工作电流下，IGBT由于薄层电阻Rs很小，没有电流擎住现象，但在短路状态下，由于短路电流很大，当Rs上的压降高于0.7V时,使J1正偏，产生电流擎住，门级便失去电压控制。
（3）关断过电压：
为了抑制短路电流，当故障发生时，控制电路立即撤去正门级电压，将IGBT关断，短路电流相应下降。
由于短路电流大，因此，关断中
电流下降率很高，在布线电感中将感生很高的电压，尤其是在器件内封装引线电感上的这种感应电压很难抑制，它将使器件有过电流变为关断过电压而失效
IGBT过流保护方法
（1）减压法：
是指在故障出现时，降低门级电压。
由于短路电流比例于外加正门级电压Ug1,因此在故障时，可将正门级电压降低。
⑵切断脉冲方法：
由于在过流时，Uce电压升高，我们利用检测集电极电压的方法来判断是否过流，如果过流，就切断触发脉冲。
同时尽量采用软关断方
式，缓解短路电流的下降率，避免产生过电压造成对IGBT的损坏。
单端式RCD关断缓冲吸收电路
在开关过程中，如果没有缓冲吸收电路的保护，器件容易同时承受高电压大电流，造成PN
结温度上升，容易损坏。
町单擢式RCD电路
在开关过程中，如果没们缓冲吸收电路的保护，器件客爲同时祇受高电压利1人电流.造成器件中损耗过人*PN绪圖度上升.造成器件損坏"牯别在芙断过甘屮.粘件容易受利尖蜂电压的沖击*还会使器fl被山穿而欄坏.开通缓冲电路主鳴是利用电感来抑制开关番件中电流的上升第以此来减少开艾描耗.由于电路建线的杂散电感可起到丿1通耀冲的作用.ffi以在下廊的41路中我1门不区分杂散堪感和缓冲电臥（H是这个幵通第冲电猱在器件关新时会产生痕大的冲击电压.所臥祖须配合关断缓冲电路用.
星简单的丟断缓冲电跻星业开关器件两瑞外朕--令电牡H］来抑制器件两端的电压变换罩.降低尖峰电压.但上这杆&湍件导通过程中电容如跻.会产生很大的电流冲击*所以可以与电容串连一个追阳來碱小这个电流沖击，同时却乂降低了关断缓冲为的效栄.倩以我们•般在电阴I并联…个二极带+就构成了充放电式单珮RCD缓冲随略.如图
相应的电压电流波形蚓下丁
RLK纽冲吸收电路
当黯件关斯I乩龟锻经过二扱悴D对11容匚死电•电
肌&彼如跻+使器竹K在零点压F关断.占K廿通河・C
適过业阻乞放电.避免衣器件K屮产生尖峰心仏在一牛开光周期内.电容匚充放吐--讯电存C上的能朮全部谄*＜在电肌&上*刖以这种吐路的损耗」口明开关频机NiiiiFU制了它的应用.
为了HHttRCD缓冲电路的损耗.人们提出r箱位式RCD缓冲电路和无硕缓冲龟蹟其中无损缓冲电路在第二部仆中介纳・
JSSARCD缓冲电路；
箝恆式RCDS冲电路与充放电itRCD电路的不冋之处在/电阴&门礒按冇:
了电晾上.
这样电客G上的电压-血为电澹业压・勺K关斷时，由于朶敬电期匚的件从K上的电压
□吐」升"H是只有強口蛀上升到电洞电斥时，0「导通.杂Ift电慈匚中的电流对电稈匚充％岡时C,上的ffifiil过电阻农转卷九电源中.恤|时部分泊耗在电毗&上.因此该电珞消耗的能屋比充放电式的消耗要小.
采用轴位KCD吸收111幽后器件-人断过Fd屮的电压和电流波彬如H.
在人时刻器件关斯・集电极电压开始上升.山于负载为感性.所以在集电极血压上升过程中电流蛭本保持不变。
在-时刻〃確上升到电源电压，匕＞,导通.杂散电感Ls和负我电感中的电流对电容c充电。
八时刻K中的电流衰减到零.负栽电流经过二极管D续流.由于吸收回路也冇杂散电感.所以在D〜/］期间〃“出现小的尖峰电压.在厶〜人期间，匚中的储能充向吸收电容C,・使电压〃“升高。
厶时刻&的储能全部转移到C,中.%达到最大值.之麻当二极管D,反向恢奴时•由「反向恢复电浪迅速消火.导致誥件集电极电压出现凹坑・g时杂散电感中电流为命集电极电压乂何到电源电压上。
高于电淤电压的电容电压则经过电阴&向电源放电.山杂散电感充向电容上的能眾经&人部分送【训电源.一ftKOifitr/riliKnR卜一
b）桥宵式RCDI1A路
桥臂式Snubber电路针对不同的功率等级.育不同的形兀（对中功率的形式乂称简化桥
臂式）■其原理如图：
a.人功率
b.中功率
c.小功率
路相同；用b中K「心中的任何-个关斯时•线路的杂散电感中的能就都转移到电容C,中;
当客昴牧小时.可以玄接把电容跨接在《「K?
两彌.如图c°
RCD缓冲吸收电路不能进行电流缓冲.为了减小器件开通时的电流上升率.可以在功和I关器件的阳极电路串入个电感.电感在器f'lXJUi时会适成对器件的过电压•所以»在电感两端并联一个电阳.在关斯时为电感中的电流提供一个何路.为了不影响开通缓冲的作用.可以在电阴上串连-个二极悴.这样就再到了复合式Snubberill路.
1.2.3.2.复合式Snubber电路:
・）单端复合式Snubber电劇"
复合式Snubber电路同时进行电压缓冲和电流缓冲.主要是减小器件幵通时的山//和关斷时的dvldl.使导通和关断过程的损耗均有所降低•其原理图见图I。
图1复合式Snuhher电路
电路中.匚.D门和©2拘成开关牙通时的电流缓冲电路.厶为串入电路的电感和线
路的杂散电感•由于二极管S的"在•使得在K丿［通时壯隨心所在的支路不导通.并II利用电感对电流的平波作用降低电流上升的速度.减办开关导通时的电流冲击.在电斥下降期何保持电流在零附近•以降低开关损耗•、"|K关断后•电感厶中的电流通过心续流.厶中的储能消耗在电阻中•因此不会在开关两竭造成电压冲击•当&中的能暈消耗完氐电泊为零.二极管关断.
Rd、D,2和D「构成开关关斷时的电斥缓冲吸收电路.土耍是减小关断过程中K两瑙
的电用冲击。
当开关开通时•电容C：
通过&2放电至电压舉本为零.为卜次器件关断做准备.当关断K时.山于负载电感L和线路杂散电感的作兀•乙保持不变.而K的集电极的电滋仁变为零.而集电扱电压迅速升高.二极管—导通.电流仏对电容G充电•由
J•电客电压不能究变.所以便K的集电极电压不能发生灾变.并IL由J：
二极管02和S的
导通箝位仕用.K的集电极电压不会人于电源电压匕•也就是电容C的电压最人为匕・当触发K时•电容C、通过电阻&2和K放电.能力消耗在电矶上。
上图町以简化为如下的电路拓扑:
0
图2复介式snubber电路
关断K时.厶中的电流通过0对电容G充电.通过C,抑制了K上的电斥的上升.K
关断后.G的电压上升到电源电压匕•L中的电流通过0和&流通.并消耗在电阻&上.
K导通时•电容G通过R八厶和K放电.当C,中电压为零时•电感d中电流星大.
然后L”«和0构成回路.址终匚中的能贲全部消耗在电阴&上。
由上面的单端电路.我们可以得到在实际的电力电子电路中应用的桥式电路.桥式电路从拓扑上可以石作是两个单瑞电路的纽介•但是其」作廉理乂不能简单地看作是两个单瑞电路的吞尢|・比所采川的缓冲吸收电路也存在一怜特殊问題。
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