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1、天津轻工业学院学报1998年第1期No.11998JOURNALOFTIANJININSTITUTEOFLIGHTINDUSTRYX具有短路保护功能的IGBT驱动电路设计刘文良王杰(自动化工程系)摘要:在分析了IGBT短路特性基础上,设计出具有降栅压及慢关断两种短路保护功能的驱动器,经短路实验证明具有良好的驱动及保护功能。关键词:驱动器短路保护IGBTDRIVERUNITOFIGBTWITHRELIABLEFUNCTIONOFSHORTCIRCUITPROTECTIONLiuWenliangWangJieAbstract:Inthispaper,adriverunitofIGBTwith
2、functionofshortcircuitprotectionbyuseofdecreasingthegridVoltageandreducingthespeedofturn-offispresented,basedonanalysesofIGBT'scharacterofshortcircut.Theresultofshort-circuittestshowsthefunctionsofdrivingandprotectionaresatisfactory.Keywords:Driverunit,Short-circuitprotection,IGBT近年来,IGBT(绝缘栅双极型晶
3、体管)作为新一代全控型电力电子器件,在电气传动等诸多领域获得了广泛应用。然而,要保证IGBT安全可靠的工作,驱动与保护电路的合理设计尤为重要。本文介绍一种具有完善短路保护功能的IGBT驱动器,在短路故障状态下能确保IGBT安全关断,具有较高的实用价值。1IGBT的工作特性及驱动保护要求1.1IGBT的短路工作特性IGBT作为开关器件,其通态损耗占主要部分,它主要取决于器件的正向饱和压降VCES。VCES大的通态损耗大。随着器件制造工艺的改进,低VCES的器件不断涌现,使装置的效率得到提高。但VCES越低,IGBT短路时的故障过电流越大,能够承受的允许短路时间tSC越短,过流保护更加困难。
4、IGBT允许的短路时间,还与栅极驱动电压VGE有关。降低VGE,能使集电极短路电流ISCX收稿日期:1996207214;1997204219收到修改稿第1期刘文良,等:具有短路保护功能的IGBT驱动电路设计·23·减小,允许的短路时间tSC延长。以1MBH60-100单管为例,当VGE由15V降低到10V时,tSC由5Ls增加到15Ls左右,过电流幅值由250A降到100A。造成IGBT损坏的原因除上面提到的热损耗外,还有锁定及过电压击穿两种原因。过电压击穿是由于在短路电流下快速关断IGBT时,由于电流变化率很大,势必在电路杂散电感上感应出很高的尖峰电压作用于IGBT上,造成过压击穿。
5、降低关断过电压,可通过降低关断时的电流变化率来实现,途径有两个:(1)降低关断前的短路电流值;(2)采取慢关断措施,即在IGBT所能承受的短路时间内,逐渐减小驱动电压VGE,使之慢速关断。当IGBT短路时,如果短路电流过大,即使快速降低栅极电压VGE也无法关断IGBT,持续的过电流直至使元件损坏,即所谓锁定。降低短路时的过电流幅值是克服锁定的有效途径。除上述故障过流外,IGBT在运行过程中所承受的过电流还有续流二极管的反向恢复电流、换相过电压吸收电容器的放电电流及噪声干扰所造成的尖峰电流等。这些瞬态过电流是装置正常工作时不可避免的,属于干扰问题。因此保护电路必须具有识别真假故障过流的能力
6、,以便采取不同的保护措施,保证系统在强干扰状态下安全、可靠运行。1.2IGBT的驱动保护要求通过以上分析不难看出,理想的IGBT驱动器应具有以下功能:(1)正常运行时保持适当的驱动电压。导通时一般取VGE=15V,以降低IGBT的VCES,降低运行结温。关断时取VGE=-5V,以防止IGBT关断瞬间因dvödt过高造成的误导通,提高装置的抗干扰能力。(2)过流降栅压功能。出现短路或瞬时过电流时能瞬时将VGE由15V降至10V,降栅压延迟时间应能在3Ls以内任意设定,以满足不同性能元件的要求。(3)栅压恢复及慢关断功能。如过电流是瞬时的,当过电流结束时,应能立即自动使VGE由10V恢复到1
7、5V。如是持续的故障过电流,则应能在降栅压(6～12)Ls后,使VGE由10V经(2～5)Ls的下降时间降至IGBT的栅射极门槛电压以下,实现慢关断。当IGBT驱动器具有以上保护功能时,由于过流时能立即降栅压,可使过电流幅值减小,避免了IGBT因锁定造成的损坏。并使允许的短路时间由5Ls延长至15Ls。如果在降栅压10Ls后慢关断,与允许的短路时间相比还留有5Ls的时间裕量,因此能避免IGBT因过热造成的损坏。IGBT在降栅压及慢关
