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IGBT的驱动电路及短路保护

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abotomson|  楼主 | 2024-4-30 08:03 | 显示全部楼层 |阅读模式

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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mnynt121| | 2024-5-1 21:14 | 显示全部楼层
驱动电路与IGBT的连线应尽量短,以减小潜在的噪声干扰

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vivilyly| | 2024-5-2 13:22 | 显示全部楼层
短路可以分为桥臂内短路(直通)和桥臂间短路(大电感短路)两种类型,需要采用适当的方法进行检测和保护。

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51xlf| | 2024-5-2 13:29 | 显示全部楼层
IGBT开通后,驱动电路需要提供足够的电压和电流幅值,以确保IGBT在正常工作及过载情况下不致退出饱和而损坏。驱动电路的电阻值(RG)需要根据驱动电路的结构及IGBT的容量来选择,一般在几欧至几十欧之间。

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uytyu| | 2024-5-2 13:47 | 显示全部楼层
根据IGBT的额定参数和应用需求,选择合适的驱动集成电路(IC)。驱动IC应具有足够的驱动能力、快速的开关速度和适当的保护功能。

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alvpeg| | 2024-5-2 13:56 | 显示全部楼层
在发生短路或其他故障时,提供故障反馈信号,以便控制系统采取适当的措施,如关闭电源或重启系统。

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modesty3jonah| | 2024-5-2 14:00 | 显示全部楼层
对IGBT的过流或短路保护响应时间必须非常快,必须在10微秒以内完成,以防止IGBT因过电流而损坏。

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pmp| | 2024-5-2 14:08 | 显示全部楼层
在驱动电路和主电路之间使用适当的隔离技术,如光耦或磁耦合器,以防止电流泄漏和干扰。

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mikewalpole| | 2024-5-2 14:11 | 显示全部楼层
使用电流检测电阻或电流互感器监测IGBT的集电极电流。当检测到过流时,触发保护电路动作。

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maqianqu| | 2024-5-3 09:25 | 显示全部楼层
IGBT在工作过程中会产生热量,需要适当的散热设计来保证IGBT不会因过热而损坏。这可能包括使用散热器、风扇或其他冷却系统。

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burgessmaggie| | 2024-5-3 09:37 | 显示全部楼层
IGBT的驱动电路设计应重点关注其动态特性,即开关特性。这包括开通和关断过程中的时间参数,如开通时间Ton、上升时间Tr和Tr.i,以及开通延迟时间td.on。

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rosemoore| | 2024-5-3 09:49 | 显示全部楼层
连接器的质量和可靠性,以防止接触不良引起的故障。

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linfelix| | 2024-5-3 10:01 | 显示全部楼层
IGBT的栅极需要施加适当的偏置电压来确保其正常开启和关闭。偏置电压的大小取决于IGBT的类型和制造商的推荐。

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xiaoyaodz| | 2024-5-3 10:14 | 显示全部楼层
在发生短路时,应根据IGBT的短路耐受能力来设计保护电路,确保在允许的时间内切断过大的电流以避免损坏。

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yorkbarney| | 2024-5-3 13:50 | 显示全部楼层
短路保护设计应基于准确的数学模型,该模型描述了短路电流与电压、电感量和持续时间的关系。

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burgessmaggie| | 2024-5-3 14:05 | 显示全部楼层
驱动电路通常需要与主电路电气隔离,以防止高电压窜入控制电路。可以使用光耦合器或隔离放大器来实现隔离。

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ccook11| | 2024-5-3 14:17 | 显示全部楼层
优化电气连接和布局,以减少寄生电感和电容,从而降低开关损耗和电磁干扰。

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lzmm| | 2024-5-4 11:36 | 显示全部楼层
除了短路保护,IGBT还应具备过流保护。当流过IGBT的电流超过设定的阈值时,应该能够安全地关闭IGBT。

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modesty3jonah| | 2024-5-4 11:40 | 显示全部楼层
驱动电路需要稳定的电源来确保IGBT的正常工作,避免电流震荡和电压峰值的产生。此外,IGBT在工作过程中会产生大量的高频和冲击电流,可能对附近的电子设备造成干扰。因此,驱动电路应采取一系列干扰抑制措施,如使用滤波电容和磁珠来降低高频噪声、减少地线干扰等。

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belindagraham| | 2024-5-4 11:44 | 显示全部楼层
在驱动电路和主电路之间使用适当的隔离技术,如光耦或磁耦合器,以防止电流泄漏和干扰。

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