IGBT驅(qū)動保護電路分析

楊會玲

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710014）

1 IGBT 的基本結(jié)構(gòu)

IGBT 是在電力MOSFET 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。就IGBT 的結(jié)構(gòu)而言，是在N 溝道MOSFET 的漏極N 層上有附加上一層P 層的PNPN四層結(jié)構(gòu)。如圖1 所示。由于IGBT 多了一個P 層發(fā)射極，可形成PN結(jié)J1，使得IGBT 導(dǎo)通時可由P 注入?yún)^(qū)向N 基區(qū)發(fā)射載流子（空穴），對漂移區(qū)電導(dǎo)率進行調(diào)制。因而IGBT 具有很強的電流控制能力。簡化等效電路表明，IGBT 是以GTR 為主導(dǎo)元件、以MOSFET 為驅(qū)動元件的達林頓結(jié)構(gòu)，一個有MOSET 驅(qū)動的厚基區(qū)PNP 晶體管，RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。

圖1 IGBT 的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號

2 IGBT 的工作原理

IGBT 是一種電壓型控制器件，它所需要的驅(qū)動電流跟驅(qū)動功率都非常小。IGBT 的開通和關(guān)斷是由門極電壓來控制的。門極施以正電壓時，MOSFET 內(nèi)形成溝道，并未PNP 晶體管提供基極電流，從而使IGBT 關(guān)斷。在門極上施以負電壓時，MOSFET 內(nèi)的溝道消失，PNP 晶體管的基極電流被切斷，IGBT 即為關(guān)斷。

3 IGBT 驅(qū)動保護電路分析

3.1 驅(qū)動保護電路要求

（1）驅(qū)動脈沖要有足夠快的上升和下降速度，即脈沖的前后沿要求陡峭。

（2）開通時以低電阻對柵極電容充電，關(guān)斷時為柵極電荷提供低電阻放電回路，以提高開關(guān)速度。

（3）為了器件可靠導(dǎo)通，開通脈沖電壓的幅度應(yīng)高于管子的開啟電壓；為了防止誤導(dǎo)通，在器件截止時提供負的柵-源或柵-射電壓。

（4）出現(xiàn)短路、過流的情況下，具有靈敏的保護能力。

3.2 IGBT 過流保護電路

通常采用的保護措施是降柵壓。降柵壓旨在檢測到器件過流時，馬上降低柵壓，但器件仍維持導(dǎo)通。降柵壓后設(shè)有固定延時，故障電流在這一延時期內(nèi)被限制在一較小值，則降低了故障時器件的功耗，延長了器件抗短路的時間，而且能夠降低器件關(guān)斷使的，對器件保護十分有利。若延時后故障信號依然存在，則關(guān)斷器件。若故障信號消失，驅(qū)動電路可自動恢復(fù)正常的工作狀態(tài)，因而大大增強了抗騷擾能力。

上述降柵壓的方法只考慮了柵壓與短路電流大小的關(guān)系，而在實際過程中，降柵壓的速度也是一個重要因素，它直接決定了故障電流下降的。慢降柵壓技術(shù)就是通過限制降柵壓的速度來控制故障電流的下降速率，從而抑制器件的和UCE峰值。

3.3 IGBT 過壓保護電路

關(guān)斷IGBT 時，它的集電極電流下降率較高，極高的下降率降引起集電極過電壓，并且由于電路中的雜散電感與負載電感的作用，將在IGBT 的c、e 兩端產(chǎn)生很高的浪涌尖峰電壓，加之IGBT 耐過壓能力較差，這樣就會使IGBT 擊穿。因此，其過壓保護也是十分重要的。降低IGBT 集-射極間電壓UCE的方法通常有兩種：一種是增大柵極電阻RG，但RG的增大將減緩IGBT 的開關(guān)速度，從而增加開關(guān)損耗，此方法不太理想；還有一種就是采用緩沖吸收電路，吸收電路的作用是：當IGBT 關(guān)斷時，吸收電感中釋放的能量，以降低關(guān)斷過電壓。

3.4 IGBT 過熱保護電路

由于IGBT 是大功率半導(dǎo)體器件，功率損耗使其發(fā)熱較多，加之IGBT 的結(jié)溫不能超過125℃，不宜長期工作在較高溫度下，因此要采取恰當?shù)纳岽胧┻M行過熱保護。

在實際工作中，我們采用普通散熱器與強迫風(fēng)冷相結(jié)合的措施，并在散熱器上安裝溫度開關(guān)。當溫度達到75～80℃時，通過關(guān)閉信號停止對PWM 發(fā)送控制信號，從而使驅(qū)動器封鎖IGBT 的開關(guān)輸出，并予以關(guān)斷保護。

［1］黃家善.電力電子技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012，1.

［2］王志良.電力電子新器件及其應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.

［3］陳息坤.一種新型的IGBT 保護電路的設(shè)計[J].電源技術(shù)，2012.