IGBT过流和短路保护
IGBT驱动电路原理与保护电路
IGBT驱动电路原理与保护电路IGBT（Insulated-Gate Bipolar Transistor）驱动电路主要由三部分组成：信号隔离部分、驱动信号放大部分和保护电路。
信号隔离部分是将输入信号与输出信号进行隔离，防止输入信号中的噪声和干扰对输出信号产生影响。
常用的信号隔离方法有变压器隔离、光电隔离和互感器隔离等。
其中，光电隔离是最常用的方法之一，它通过输入端的光电耦合器将电信号转换成光信号，通过光电隔离再将光信号转换为电信号输出。
这样可以有效防止输入信号中的噪声和干扰对输出信号产生干扰，提高系统的稳定性和可靠性。
驱动信号放大部分是将输入信号进行放大，以驱动IGBT的门极电压，控制IGBT的导通和关断。
驱动信号放大部分一般采用功放电路，常用的放大器有晶体管放大器和运放放大器。
通过合理选择放大器的工作点和增益，可以将输入信号进行适当放大，提高系统的灵敏度和响应速度，以确保IGBT的正常工作。
保护电路是为了保护IGBT免受电路中的过电流、过电压等异常情况的损害而设计的。
保护电路一般包括过流保护、过压保护、过温保护和短路保护等功能。
过流保护通过在电路中增加电流传感器来检测电流的变化，一旦电流超过设定值就会触发保护，例如通过切断电源来防止IGBT损坏。
过压保护通过在电路中增加电压传感器来检测电压的变化，一旦电压超过设定值就会触发保护，例如通过切断电源来防止IGBT损坏。
过温保护通过在IGBT芯片上增加温度传感器来检测芯片温度的变化，一旦温度超过设定值就会触发保护，例如通过减小驱动信号的幅度来降低功耗和温度。
短路保护通过在电路中增加短路检测电路，一旦检测到短路就会触发保护，例如通过立即切断电源来防止IGBT损坏。
总之，IGBT驱动电路的原理是通过信号隔离部分将输入信号与输出信号进行隔离，通过驱动信号放大部分将输入信号进行放大，以驱动IGBT的门极电压，控制其导通和关断。
同时，通过保护电路对IGBT进行多重防护，保证其在电路异常情况下的正常工作，提高系统的可靠性和稳定性。
igbt的驱动芯片
igbt的驱动芯片IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种高效能的功率半导体开关器件，广泛应用于电力电子领域。
为了正常工作，IGBT需要一个专门的驱动芯片来提供电源和控制信号。
本文将详细介绍IGBT驱动芯片的功能，特性以及应用。
首先，IGBT驱动芯片的主要功能是提供高电流和高速的驱动信号，以确保IGBT能够正常工作。
IGBT通常需要较大的驱动电流来克服其内部电容的充放电时间，从而实现快速开关。
因此，驱动芯片必须能够提供足够的电流来保证IGBT可靠地打开和关闭。
同时，驱动芯片还需要提供恰当的电源电压，以确保IGBT的正常工作。
其次，IGBT驱动芯片还需要提供各种保护功能，以防止IGBT受到损坏。
例如，过流保护功能可以检测IGBT通道中的电流是否超过了额定值，并在必要时及时切断驱动信号，防止IGBT受到过电流的损害。
另外，短路保护功能可以检测IGBT通道之间是否存在短路，并在必要时采取措施，如切断电源，以保护IGBT。
此外，驱动芯片还需要提供电隔离功能，以确保高电压和高电流不会引起电气短路或其他危险。
由于IGBT通常工作在高压和高电流环境下，驱动芯片必须具备良好的隔离能力，以保护操作员和设备的安全。
IGBT驱动芯片还需要具备高速和低延迟的特点，以满足IGBT快速开关的需求。
快速开关可以减小功率损耗，并提高系统的效率。
因此，驱动芯片需要具备高速开关的能力，并且能够实现快速的开关转换，以减小开关损耗和提高系统的响应速度。
最后，IGBT驱动芯片还需要具备抗干扰和抗高温的特性。
由于IGBT驱动芯片通常应用于恶劣的工业环境中，如电力系统和工业机械等，因此驱动芯片需要具备抗干扰和抗高温的能力。
抗干扰性能可以减少外部电磁干扰对驱动芯片的影响，保证驱动信号的稳定性。
抗高温性能可以确保驱动芯片在高温环境下正常运行，提高系统的可靠性和稳定性。
总结起来，IGBT驱动芯片是实现IGBT正常工作的关键组成部分。
IGBT——过流、短路保护
IGBT——过流、短路保护短路与过流之前我们介绍过IGBT的短路测试，今天我们来聊聊IGBT短路和过流时该如何保护。
首先一点，对IGBT的过流或短路保护响应时间必须快，必须在10us以内完成。
一般来说，过电流是IGBT电力电子线路中经常发生的故障和损坏IGBT的主要原因之一，过流保护应当首先考虑。
过流与短路保护是两个概念，它们既有联系也有区别。
过流大多数是指某种原因引起的负载过载；短路是指桥臂直通，或主电压经过开关IGBT的无负载回路，它们的保护方法也有一定区别。
如过流保护常用电流检也传感器，短路保护常通过检测IGBT饱和压降，配合驱动电路来实现。
不同的功率有不同的方法来实现过流或短路保护。
短路分为一类及二类两种，但这两种短路都有一个共同点，那就是，IGBT会出现“退饱和现象”，当IGBT一旦退出饱和区，它的损耗会成百倍的往上升，那么允许持续这种状态的时会非常苛刻了，只有10us，我们需要靠驱动器发现这一行为并关掉门极。
IGBT过流的情况则是，回路电感较大，电流爬升很慢（相对于短路），IGBT不会发生退饱和现象，但是由于电流比正常工况要高很多，因此经过若干个开关周期后，IGBT的损耗也会比较高，结温也会迅速上升，从而导致失效。
在这时，IGBT驱动器一般是不能及时发现这一现象的，因为IGBT的饱和压降的变化很微弱，驱动器通常识别不到这种变化。
所以需要靠电流传感器来感知电流的数值，对系统进行保护。
所以，我们认为，IGBT驱动器是为了解决短路保护，而过流保护则是由电流传感器来完成。
IGBT发生短路时，描述短路电流的数学表达式如下，这是一个线性方程。
它表示，在短路发生时，电流的绝对值与电压，回路中的电感量，及整个过程持续的时间有关系。
绝大部分的短路母线电压都是在额定点的影响短路电流的因素主要是“短路回路中的电感量”。
因此对短路行为进行分类定义时，短路回路中的电感量是主要的分类依据。
如果短路回路中的电感量再继续增大，那么电流变化率就变得更低，此时就不是短路了，变成“过流”了。
IGBT的保护功能
IGBT的保护功能1.IGBT的过流保护IGBT的过流保护电路可分为2类：一类是低倍数的（1.2～1.5倍）的过载保护；一类是高倍数（可达8～10倍）的短路保护。
对于过载保护不必快速响应，可采用集中式保护，即检测输入端或直流环节的总电流，当此电流超过设定值后比较器翻转，封锁所有IGBT驱动器的输入脉冲，使输出电流降为零。
这种过载电流保护，一旦动作后，要通过复位才能恢复正常工作。
IGBT 能承受很短时间的短路电流，能承受短路电流的时间与该IGBT的导通饱和压降有关，随着饱和导通压降的增加而延长。
如饱和压降小于2V的IGBT允许承受的短路时间小于5μs，而饱和压降3V的IGBT允许承受的短路时间可达15μs，4～5V时可达30μs以上。
存在以上关系是由于随着饱和导通压降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路电流同时增大，短路时的功耗随着电流的平方加大，造成承受短路的时间迅速减小。
通常采取的保护措施有软关断和降栅压2种。
软关断指在过流和短路时，直接关断IGBT。
但是，软关断抗骚扰能力差，一旦检测到过流信号就关断，很容易发生误动作。
为增加保护电路的抗骚扰能力，可在故障信号与启动保护电路之间加一延时，不过故障电流会在这个延时内急剧上升，大大增加了功率损耗，同时还会导致器件的di/dt增大。
所以往往是保护电路启动了，器件仍然坏了。
降栅压旨在检测到器件过流时，马上降低栅压，但器件仍维持导通。
降栅压后设有固定延时，故障电流在这一延时期内被限制在一较小值，则降低了故障时器件的功耗，延长了器件抗短路的时间，而且能够降低器件关断时的di/dt，对器件保护十分有利。
若延时后故障信号依然存在，则关断器件，若故障信号消失，驱动电路可自动恢复正常的工作状态，因而大大增强了抗骚扰能力。
2． IGBT开关过程中的过电压关断IGBT时，它的集电极电流的下降率较高，尤其是在短路故障的情况下，如不采取软关断措施，它的临界电流下降率将达到数kA/μs。
影响变频器IGBT模块的四大因素！
影响变频器IGBT模块的四大因素！
1、电压因素
（1）IGBT模块的供电电压过高时，将超出其安全工作范围，导致其击穿损坏；
（2）供电电压过低时，使负载能力不足，运行电流加大，运行电机易产生堵转现象，危及IGBT模块的安全；
（3）供电电压波动，如直流回路滤波（储能）电容的失容等，会引起浪涌电流及尖峰电压的产生，对IGBT模块的安全运行产生威胁；
（4）IGBT的控制电压——驱动电压低落时，会导致IGBT的欠激励，导通内阻变大，功耗与温度上升，易于损坏IGBT模块。
2、电流因素
（1）过流，在轻、中度过流状态，为反时限保护区域；
（2）严重过流或短路状态，无延时速断保护；
3、温度因素
（1）轻度温升，采到强制风冷等手段；
（2）温度上升到一定幅值时，停机保护；
4、其它因素
（1）驱动电路的异常，如负截止负压控制回路的中断等，会使IGBT受误触通而损坏；
（2）控制电路、检测电路本身异常，如检测电路的基准电压飘移，导致保护动作起控点变化，起不到应有的保护作用。
IGBT保护电路设计
关于IGBT保护电路设计必知问题绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Tramistor，IGBT）是MOSFET与GTR的复合器件，因此，它既具有MOSFET的工作速度快、开关频率高、输入阻抗高、驱动电路简单、热温度性好的优点，又包含了GTR的载流量大、阻断电压高等多项优点．是取代GTR的理想开关器件。
IGBT目前被广泛使用的具有自关断能力的器件，广泛应用于各类固态电源中。
IGBT的工作状态直接影响整机的性能，所以合理的驱动电路对整机显得很重要，但是如果控制不当，它很容易损坏，其中一种就是发生过流而使IGBT损坏，本文主要研究了IGBT 的驱动和短路保护问题，就其工作原理进行分析，设计出具有过流保护功能的驱动电路，并进行了仿真研究。
二IGBT的驱动要求和过流保护分析1 IGBT的驱动IGBT是电压型控制器件，为了能使IGBT安全可靠地开通和关断．其驱动电路必须满足以下的条件：IGBT的栅电容比VMOSFET大得多，所以要提高其开关速度，就要有合适的门极正反向偏置电压和门极串联电阻。
（1）门极电压任何情况下，开通状态的栅极驱动电压都不能超过参数表给出的限定值（一般为20v），最佳门极正向偏置电压为15v土10％。
这个值足够令IGBT饱和导通；使导通损耗减至最小。
虽然门极电压为零就可使IGBT处于截止状态，但是为了减小关断时间，提高IGBT的耐压、dv／dt耐量和抗干扰能力，一般在使IGBT处于阻断状态时．可在门极与源极之间加一个-5~-15v的反向电压。
（2）门极串联电阻心选择合适的门极串联电阻Rg对IGBT的驱动相当重要，Rg对开关损耗的影响见图1。
图1 Rg对开关损耗的影响IGBT的输入阻抗高压达109~1011，静态时不需要直流电流．只需要对输入电容进行充放电的动态电流。
其直流增益可达108~109，几乎不消耗功率。
为了改善控制脉冲的前后沿陡度和防止振荡，减少IGBT集电极大的电压尖脉冲，需在栅极串联电阻Rg，当Rg 增大时，会使IGBT的通断时间延长，能耗增加；而减少RF又会使di／dt增高，可能损坏IGBT。
IGBT短路原因及其保护措施
IGBT短路原因及其保护措施工作时，外部事故或者硬件/软件的错误会导致短路。
根据短路发生的时间点与IGBT工作状态的不同，可以分为以下两种短路：·SC1短路，IGBT开通前已经发生短路；·SC2短路，IGBT开通后发生短路。
实际短路电流常常超过IGBT数据手册中标注的短路电流l SC，这是由于实际工况往往超规格书给定条件。
通常这些给定条件包括栅极电压U GE为15V，最大结温T vi,op(125℃或150℃)，特定的直流母线电压UDC和最大持续时间。
由此产生的短路电流存在以下关系：如果T vi,op升高，则l SC下降；如果U DC或U GE增大，则l CS增大。
l SC=f(T vi,op↑↓，U DC↑↓，U GE↑↓)(1)控制T vi,op和U DC相对容易，而控制U GE很困难，这是由于IGBT的反馈电容C GC(密勒电容)造成的。
短路时，IGBT集电极和发射极之间出现高电压变化率dU CE/dt。
特别是在SC2短路中，IGBT从低导通压降U CEsat的饱和状态迅速进入退饱和状态，从而几乎承受全部直流母线电压U DC与换流路径杂散电感造成的过冲电压之和。
电压突变产生反馈电流I GC，其可能导致IGBT栅极电容进一步充电，导致栅极电压升高甚至超过驱动电路产生的标称栅极电压。
根据IGBT的跨导，随着栅极电压的提升，集电极电流相应增加(不受外部条件的限制)。
数据手册中的转移特性描述了这种对应关系，一般给出最高到两倍标称电流I nom的曲线，如图1所示。
图1摘自450A IGBT模块数据手册的转移特性I c=f(U GE)限制IGBT栅极电压对于限制短路电流非常重要。
为了实现该目的，可以采用以下措施：·使用较小的栅极电阻R G，这会降低由电流I GC引起的压降，从而抑制栅极电压；·添加外部栅-射极电容。
电流l GC需对更大的门极电容充电，但IGBT模块内部电阻R gint使得内外电容解耦，从而限制了这种措施带来的好处；·通过快速齐纳二极管限制栅-射极电压。
IGBT的保护
IGBT的保护将IGBT用于变换器时，应采取保护措施以防损坏器件，常用的保护措施有：通过检出的过电流信号切断门极控制信号，实现过电流保护；利用缓冲电路抑制过电压并限制du/dt；利用温度传感器检测IGBT的壳温，当超过允许温度时主电路跳闸，实现过热保护。
下面着重讨论因短路而产生的过电流及其保护措施。
前已述及，IGBT由于寄生晶闸管的影响，当流过IGBT的电流过大时，会产生不可控的擎住效应。
实际应用中应使IGBT的漏极电流不超过额定电流，以避免出现擎住现象。
一旦主电路发生短路事故，IGBT由饱和导通区进入放大区，集电极电流I C并未大幅度增加，但此时漏极电压很高，IGBT的功耗很大。
短路电流能持续的时间t则由漏极功耗所决定。
这段时间与漏极电源电压U DD、门极电压U GS及结温T j密切相关。
图1给出了允许短路时间t和电源电压U DD的关系曲线。
图1(a)中示出了测试电路和U GS、i D的波形，测试条件为：受试元件为50A/1000V的IGBT，R G为24Ω，T j为25℃，U GS为15V。
图1(b)为允许短路时间与电源电压的关系曲线，由图可知，随着电源电压的增加，允许短路过电流时间t减小。
在负载短路过程中，漏极电流i D也随门极电压+U GS的增加而增加，并使IGBT允许的短路时间缩短。
由于允许的短路时间随门极电压的增加而减小。
所以，在有短路过程的设备中，IGBT的+U GS应选用所必须的最小值。
必须指出，在允许的短路时间内，IGBT工作在放大区，漏极电流波形与门极输入电压波形很相似。
对IGBT的过电流保护可采用集射极电压识别的方法，在正常工作时，IGBT的通态饱和电压降U on与集电极电流i C呈近似线性变化的关系，识别U on的大小即可判断IGBT集电极电流的大小。
IGBT的结温升高后，在大电流情况下通态饱和压降增加，这种特性有利于过电流识别保护。
图2为过电流保护电路，由图可知，集电极电压与门极驱动信号相“与”后输出过电流信号，将此过电流信号反馈至主控电路切断门极信号，以保护IGBT不受损坏。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
IGBT过流与短路保护
IGBT过流与短路保护
IGBT是高频开关器件，芯片内部的电流密度大。
当发生过流或短路故障时，器件中流过的大于额定值的电流时，极易使器件管芯结温升高，导致器件烧坏。
因此，对IGBT的过流或短路保护响应时间必须快，必须在10us以内完成。
应用实践表明：过电流是IGBT电力电子线路中经常发生的故障和损坏IGBT的主要原因之一，过流保护应当首先考虑。
须指出的是：过流与短路保护是两个概念，它们既有联系也有区别。
过流大多数是指某种原因引起的负载过载；短路是指桥臂直通，或主电压经过开关IGBT的无负载回路，它们的保护方法也有一定区别。
如过流保护常用电流检也传感器，短路保护常通过检测IGBT饱和压降，配合驱动电路来实现。
不同的功率有不同的方法来实现过流或短路保护。
1、小功率IGBT模块过流保护
对于小功率IGBT模块，通常采用直接串电阻的方法来检测器件输出电流，从而判断过电流故障，通过电阻检测时，无延迟；输出电路简单；成本低；但检测电路与主电路不隔离，检测电阻上有功耗，因此，只适合小功率IGBT模块。
比如：5.5KW以下的变频器。
2、中功率IGBT模块的电流检测与过流、短路保护
中功率IGBT模块的电流检测与过流、短路保护，一种方法是仍然采用电阻检测法，为了降低电阻产生功耗及发热生产的影响，可把带散热器件的取样电阻固定在散热器上，以测量更大的电流。
３、中、大功率IGBT模块的电流检测与过流、短路保护
对于大、中功率IGBT模块的电流检测与过流保护常采用电流传感器。
但需注意要选择满足响应速度要求的电流传感器。
由于需要配置检测电源，成本较高，但检测电路与主电路隔离，适用于大功率的IGBT模块。
保护电路动作的时间须在10us之内完成。
4、通过检测IGBT饱和压降实现短路保护
IGBT通常工作在逆变桥上，并处于开关工作状态，若设计不当，易于发生短路现象。
对于短路保护，常用的方法是通过检测IGBT的饱和压降Vce(sat)来实现短路保护，它往往配合驱动电路来实现，其基本原理如图所示：
当过流或者短路发生时，设定一个参考电压Vref，一旦通过快恢复二极管检测的Vce(sat) ≥Ｖref时，保护电路动作，保护电路必须在10us之内将IGBT关断。
采用先降低栅电压的方法，实现软关断，可以减少IGBT的关断应力，甚至延长保护电路动作时间。