I.什么是IGBT？

絕緣柵雙極晶體管（以下簡稱IGBT）是一種復(fù)合半導(dǎo)體器件，融合了MOSFET的快速開關(guān)能力、高頻操作、高輸入阻抗、簡單的驅(qū)動電路和有利的熱特性等優(yōu)點，同時還具備了GTR的大電流承載能力和高阻擋電壓等優(yōu)勢。因此，IGBT是一種理想的開關(guān)器件，可以替代GTR，廣泛應(yīng)用于各種需要具備關(guān)閉能力的應(yīng)用領(lǐng)域，如各種固態(tài)電源供應(yīng)系統(tǒng)。

然而，對于IGBT，必須采用合理的驅(qū)動電路，因為不當?shù)目刂瓶赡軐?dǎo)致?lián)p壞，包括由于過電流而導(dǎo)致的IGBT故障，這可能會對整個系統(tǒng)的性能產(chǎn)生不利影響。因此，本文主要討論了IGBT的驅(qū)動和短路保護，基于對其工作原理的分析，然后設(shè)計并模擬了驅(qū)動電路的過電流保護。

II.IGBT的驅(qū)動要求

IGBT是一種電壓控制型器件，為了確保其安全可靠地開啟和關(guān)閉，驅(qū)動電路必須滿足以下條件。值得注意的是，IGBT的柵極電容遠遠大于MOSFET的柵極電容，因此需要適當?shù)臇艠O偏壓電壓和柵極串聯(lián)電阻來增加開關(guān)速度。

1.柵極電壓：在開啟狀態(tài)下，柵極驅(qū)動電壓不能超過參數(shù)表規(guī)定的限制值（通常為20V），而最佳的柵極正向偏壓電壓為15V±1.5V。這個電壓水平可以讓IGBT達到飽和狀態(tài)，從而最小化導(dǎo)通損耗。在關(guān)閉狀態(tài)下，當IGBT處于阻斷狀態(tài)時，可以在柵極和源極之間添加-5~-15V的反向電壓，以減小關(guān)斷時間，提高IGBT的阻擋能力和抗干擾能力。

2.柵極串聯(lián)電阻（RG）：選擇適當?shù)臇艠O串聯(lián)電阻（RG）對IGBT的驅(qū)動至關(guān)重要。RG影響開關(guān)損耗，主要與輸入電容充放電的動態(tài)電流變化有關(guān)。由于IGBT的輸入阻抗在10^9到10^11之間，因此直流增益可以達到10^8到10^9，幾乎沒有任何功耗。根據(jù)電流和電壓額定值以及開關(guān)頻率，通常選擇從幾十歐姆到幾百歐姆的適當RG值，建議參考設(shè)備手冊以獲取更具體的RG值。

3.驅(qū)動電源的要求：IGBT的開關(guān)過程會消耗來自驅(qū)動電源的一定功率。功耗取決于諸如柵極電壓差、工作頻率、柵極電容和電源的最小峰值電流等參數(shù)。

III.IGBT的過電流保護

IGBT的過電流保護是為了限制短路電流，將其控制在安全工作范圍內(nèi)，以防止IGBT損壞。當上下電極同時導(dǎo)通時，電源電壓幾乎完全施加在開關(guān)上。在這種情況下，高短路電流可能導(dǎo)致器件損壞。

IGBT的過電流保護分析

一種包含隔離光耦和過電流保護的IGBT驅(qū)動電路，如下圖所示。

1.隔離光耦（6N137）：高速隔離光耦6N137確保了輸入和輸出信號之間的電氣隔離，適用于高頻應(yīng)用。

2.驅(qū)動電路：采用推挽輸出配置，主要驅(qū)動電路降低輸出阻抗，增強了驅(qū)動能力，適用于高功率IGBT的驅(qū)動。

3.過電流保護：過電流保護電路依賴于集電極飽和。當發(fā)生過電流時，IGBT被關(guān)閉。此保護機制涉及到組件，如V1、V3、V4、D1、R6、R7和V2，它們共同檢測和響應(yīng)過電流條件。

額外的雙向電壓穩(wěn)壓器（D3和D4）用于保護電源器件免受靜電放電。

IV.模擬和實驗

高電平（15V）和低電平（-5V）方波信號被應(yīng)用為驅(qū)動電路的輸入。IGBT的輸出波形如下圖所示。

總之，所提出的IGBT驅(qū)動電路確保為IGBT提供適當?shù)尿?qū)動電壓（-5V和+15V），以確保IGBT的順暢開關(guān)。該電路包含過電流保護機制，以防止IGBT在過電流事件中損壞。它具備多功能性、根據(jù)負載動態(tài)調(diào)整最大電流的能力，以及通過采用離散元件降低整個系統(tǒng)成本的特點，使其成為各種應(yīng)用的理想選擇。