逆變電路中igbt安全操作注意事項：

　　1. 引言

　　由于三電平電壓型逆變器對主元件的耐壓要求可降低一半，而且輸出波形好，因而一出現就顯示了巨大的優越性。本設計方案中三電平電壓型逆變器由12個IGBT單元和鉗位二極管等組成中性點鉗位電路。有三個電平（+E、0和-E）輸出，在直流中間環節電容分壓對稱時，就有27種不同的輸出狀態。由于主電路中有12只IGBT，因此需要12路驅動電路。如果每路驅動電路采用獨立開關電源+驅動模塊+IGBT的常用模式，則成本非常高。在這種情況下，就很有必要設計一種廉價、實用且有效的IGBT驅動保護電路，既能降低成本，又不至于削弱電路的各種性能。

　　2. IGBT對驅動電路的基本要求

　　作為三電平逆變器的主要功率開關器件，IGBT的工作狀態直接關系到整個系統的性能。所以設計合理的驅動電路顯得尤為重要。理想的驅動電路應具有以下基本性能：

　　1. 要求驅動電路為IGBT提供一定幅值的正反向柵極電壓Vge。正向Vge越高，器件VCES越低，越有利于降低器件的通態損耗。但為了限制短路電流幅值，一般不允許Vge超過+20V。關斷IGBT時，必須為器件提供-5V~-15V的反向Vge，以便盡快抽取器件內部的存儲電荷，縮短關斷時間，提高IGBT的耐壓和抗 干擾能力。

　　2. 要求驅動電路具有隔離輸入輸出信號的功能，同時要求在驅動電路內部信號傳輸無延時或延時很小。

　　3. 要求在柵極回路中必須串聯合適的柵極電阻Rg，用以控制Vge的前后沿陡度，進而控制器件的開關損耗。Rg增大，Vge前后沿變緩，IGBT開關過程延長，開關損耗增加；Rg減小，Vge前后沿變陡，器件開關損耗降低，同時集電極電流變化率增大。因此，Rg的選擇應根據IGBT的電流容量、額定電壓及開關頻率，一般取幾歐姆到幾十歐姆。

　　4. 驅動電路應具有過壓保護和dv/dt保護能力。當發生短路或過流故障時，理想的驅動電路還應該具備完善的短路保護功能。 IGBT驅動和保護電路的實現 根據以上對IGBT驅動及短路保護電路的討論，本文設計了一種具有完善短路保護功能的隔離式IGBT驅動和保護電路，如圖1所示。

　　圖1 IGBT驅動及保護電路

　　3. 驅動電路

　　驅動電路由兩部分組成：載波部分和驅動部分。

　　載波部分由74HC02、晶振、 74LS74、75452和脈沖變壓器組成。利用調制解調的原理，脈沖變壓器既利用高頻信號傳遞能量，同時又對驅動信號進行調制。由或非門74HC02和晶振構成多諧振蕩器，產生2MHz的高頻載波信號。由于脈沖變壓器工作在推挽方式下，因此需要兩個相位相差180 男藕?，D觸 發器74LS74的兩個反相輸出端提供兩個反相信號驅動75452。75452是—個集成驅動器。當驅動信號PWM1和故障信號Gz1同時為高電平時，與門74HC08輸出高電平，75452選通，高頻載波信號驅動變壓器，將驅動功率和驅動信號同時傳遞到驅動部分。當PWM1和Gz1中有一個為低電平時，封鎖高頻載波信號，驅動級靠儲存的能量維持工作。同時，脈沖變壓器工作在推挽方式下，還可以將驅動器75452的壓降鉗位在2倍的工作電壓（即10V）上，以防止過電壓燒壞75452。

　　驅動部分由VD1~VD6、C5~C8Vz1、Vz2、C1、R1、V2、R3、V3和V4組成。其中，VD3~VD6作為全橋整流，C5~C8為濾波電容，將高頻載波信號中的能量儲存在電容中，用來提供驅動功率。VDL和VD2實現反向全波整流，既避免了與正向全橋整流競爭，又可用于分辨驅動信號。Vz1和Vz2用于穩壓，為后級電路提供一個穩定的±15V電壓。電容C1用于濾波，當變壓器有信號傳輸時，C1充電，A點電位為-15V，E點電位變為+15V，V4截止，V3導通，驅動IGBT；當變壓器中的信號消失，C1放電，A點電位變高，V1導通，C2通過V1更快放電，將B點電壓鉗位在-15V，使后續保護電路不會動作；同時V2截止，E點電位變為-15V，V3截止，V4導通，IGBT正常關斷。由于二極管D2和D3反向截止，則電容C3和C4上電壓被充電至+15V，不會放電。

　　4. 保護電路

　　過壓保護

　　對于過壓保護采取的措施為：門極和發射極之間并聯反向串聯的穩壓二極管Vz3和Vz4；門極和發射極之間加門極發射極電阻R6；加阻容吸收電路，由D6、R14和C9組成。

　　dv/dt保護

　　對于dv/dt保護采取的措施為：IGBT關斷時加足夠的負柵極電壓（-15V）；關斷時，保證柵極電阻較小。當IGBT關斷時，二極管D4使R17和R5并聯，減小柵極電阻；驅動電路與IGBT柵極發射極之間的連線要盡量短，以使柵極發射極電路電感盡可能小。

　　過流保護

　　檢測IGBT飽和壓降的“延時搜索過電流保護”是一種比較好的方法。它可以迅速檢測出IGBT是否過流并采取保護措施。根據IGBT的特點，一個合理的短路保護流程如圖2所示。

　　圖2 IGBT短路保護流程圖

　　該流程采用延時2μS緩降柵壓，再延時10μS封鎖輸入信號的方案，既保證了能有效排除偶然的短路信號引起保護電路動作，又保證了在發生嚴重的短路故障時，能及時地關斷IGBT，防止器件損壞。

　　本設計方案中，過流保護電路由短路檢測電路（D1、R2、V1和C2）、2μS緩降柵壓電路（R7、LM111、Vz7、Vz8、R11、D2和C3）、延時10μS封鎖輸入信號電路（D3、R4、C4、Vz9、6N137和74HC08 ）組成。

　　下面簡要介紹該電路的過流保護原理：

　　設IGBT已正常導通，則V1和V2 截止，V3導通，V4截止；B點電壓穩定在+3V左右（IGBT正常導通時的飽和壓降 ），C、D點電壓穩定在+15V左右。當IGBT過流時，飽和壓降增加，D1反向截止，則C2通過R2被充電，兩端電壓逐漸增大。當C2電壓高于比較器設定的比較電壓時，比較器LM111輸出高電平，Vz7和V5導通，C點電壓被鉗位至10V，則E點電壓變為+10V，從而起到了緩降柵壓的作用。至于緩降柵壓的時間，則由電容C2上的電壓由+3V上升到電壓比較器的設定值（即穩壓管Vz6的穩壓值）的時間間隔決定。

　　當IGBT柵極電壓降低到+10V后，過電流允許時間一般為10μS。如果在10μS內故障消失，IGBT飽和壓降降低，則D1導通，B點電壓降低，比較器輸出低電平，電路恢復正常工作。如果在10μS內故障未消失，則C2繼續充電，當大于一設定值（Vz9的穩壓值+6N137的壓降+V6的壓降 ）時，V6導通，C4通過R4放電，使得D、E點電壓逐漸降低至-15V，V3截止，V4導通，IGBT被慢速關斷。同時6N137輸出故障信號（為低電平），與門74HC08輸出低電平，75452關斷，封鎖PWM1和高頻載波信號，起到了雙重保護作用。

　　5. 電路參數設置及設計注意事項

　　雖然理論上載波信號的頻率越高越好，這樣變壓器可以選擇得更小。但考慮到分立器件本身的響應速度，一般選擇2MHz以下的頻率，不宜過高。本設計方案中采用1MHz的載波信號頻率。

　　設計時，為減少功耗，D觸發器采用的是CMOS集成電路74HC74。但在實際調試中發現，采用74HC74導致載波電路中的噪聲很大，使得變壓器的發熱嚴重。在衡量利弊得失后，最終采用ttL集成電路74LS74。

　　由于載波頻率很高，脈沖變壓器的體積可以做得很小。該設計中，采用市售的脈沖變壓器骨架和磁芯，自己繞制變壓器，其原副邊匝數比為1：3。為了減少漏感，除繞組均勻繞在磁芯骨架上外，更有效的方法是采用雙線并繞，可以顯著降低漏感，初、次級繞組都是并聯繞后串聯使用。當繞組各層高度不等、相互錯開時，漏感也會加大，這是不希望的。所以繞線時特別注意要嚴格按照工藝紀律執行，注意繞組各層次高度不能塌線，互相錯開。

　　由于載波頻率達到1MHz，因此變壓器次級整流二極管的反向恢復速度顯得極為重要。普通的快恢 復二極管由于反向恢復時間較長，導致整流橋的橋臂上下直通，形成瞬間短路，并導致初級有一個瞬間的大電流，使75452處于過載狀態，不能長時間工作。本方案中采用1N4148，它的反向恢復時間為8NS，完全滿足電路要求。

　　為了縮短驅動信號的延遲時間，可以將C1取得小些；由于整流二極管還是有一定的反向恢復時間，因此需要對A點的信號濾波，否則紋波可能會導致V1和V2誤導通。為了有足夠的濾波能力，C1的取值需要折衷，以得到最佳效果。

　　由圖L可知，啟動保護電路的過電流應對應一個IGBT飽和壓降，所以可通過調整Vz6的穩壓值來設定比較器的比較值。當B點電壓，即IGBT飽和壓降大于此值時，過流保護電路啟動。

　　緩降柵壓的延遲時間（從過流開始到柵極電壓由+15V降到+10V所需的時間），可通過選擇電阻R2和電容C2的值來確定。

　　其中，VSAt為IGBT正常飽和壓降，VSAt2為比較器的設定值。本方案中，VSAt2 = +5 V。Vz5的作用是：把IGBT過流時B點的最終電壓鉗位在+15V，以免過電壓燒壞LM111。Vz8的作用是：把IGBT過流時C點的最終電壓鉗位在+10V，即緩降柵壓后驅動IGBT的柵壓值。

　　降低柵極電壓后的搜索時間（柵極電壓為+10V時的延遲搜索時間）t2可通過穩壓二極管Vz9的值Vz9來設定。

　　其中，1．2V為6N137的壓降，0．6V為V6的壓降。

　　慢速關斷時間（柵極電壓由+10V降低到-15V的時間）t3可通過改變電阻R4來設定。t3由電容C4通過R4的放電速度決定。C4的電壓初始值為+15V，關斷后加在柵極上的電壓可通過R3和R4的值來決定。

　　6. 結語

　　該驅動電路簡單、可靠，成本低廉，輸入輸出信號傳輸延時小。采用+15V和-15V的正反向驅動電壓方案，保證IGBT可靠開通和關斷。該短路保護電路具有短路信號檢測、延時緩降柵壓和延時封鎖輸入信號功能。同時，引起保護電路動作的短路電流門限值、緩降柵壓動作延遲時間以及封鎖輸入信號延遲時間均可以調整。此電路解決了一般的驅動電路需要輔助電源的問題，尤其在三電平逆變器電路中這一優點更加明顯。目前該電路已成功應用在新開發的三電平逆變器直接轉矩控制系統中，運行情況良好。

　　IGBT的主要特性和參數：

　?。?） 集電極-發射極擊穿電壓UCES，UCES為柵極對發射極短路時，集電極-發射極之間所能承受的最高電壓，UCES直接反映了IGBT的耐壓能力。

　　（2） 發射極-集電極擊穿電壓UECS。UECS為發射極-集電極之間所能承受的最高電壓。IGBT的發射極-集電極之間的耐壓能力（或稱集電極-發射極之間的反向耐壓能力）很低，UECS通常僅為十幾伏．由此在電路中通常要在集電極-發射極之間反向并聯保護二極管，如圖2.5.5所示。有些IGBT元件直接就在元件內部集電極-發射極之間集成了一個反向并聯保護二極管，這樣的器件在參數表中就沒有了UECS這一項。

　?。?） 柵極-發射極額定電壓UGES。UGES為柵極-發射極之間所能承受的最高電壓。IGBT是電壓控制型器件，依靠柵極電壓UGES來控制管子的導通與關斷，由于柵極的絕緣層比較薄，容易被電壓擊穿，出此，一般限制UGES為士20V。

　　（4） 集電極最大允許電流ICM。ICM表示IGBT集電極允許流過的最大電流。當IGBT 工作于連續電流條件下時，ICM即表示IGBT集電極允許流過的最大連續電流；當IGBT工作于脈沖電流條件下時，ICM即表示IGBT集電極允許流過的最大脈沖電流。ICM也稱為IGBT的電流額定值。

　?。?） 跨導gfe。IGBT是利用輸入電壓控制輸出電流的器件，輸出電流與輸入電壓的比值用跨導gfe表示，gfe＝ΔIc/ΔUGE，它也反映了IGBT的增益情況。

　?。?） 最大耗散功率PD。PD是指IGBT在理想散熱條件下，器件處于最高允許結溫時，所對應的耗散功率，它反映了IGBT最大可承受的自身耗散功率大小。

　?。?） 集電極-發射極飽和壓降瓢UCEon。UCEon是IGBT在開通時，集電極-發射極之間的飽和壓降，UCEon隨集電極-發射極之間通過電流的增加而略有上升，通常在1~2V范圍內

　　（8） 柵極開啟電壓UGEth。UGEth是使IGBT開始導通所需的最小柵射電壓，通常在3~6V之間。

　　此外，IGBT也有極間電容、柵極電荷量、熱阻等參數．其定義同于功率MOSFET，故不再贅述。