典型IGBT短路保护电路
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。
几种IGBT驱动电路的保护电路原理图
几种IGBT驱动电路的保护电路原理图第一种驱动电路EXB841/840EXB841工作原理如图1,当EXB841的14脚和15脚有10mA的电流流过1us以后IGBT 正常开通，VCE下降至3V左右，6脚电压被钳制在8V左右，由于VS1稳压值是13V,所以不会被击穿，V3不导通，E点的电位约为20V,二极管VD,截止，不影响V4和V5正常工作。
当14脚和15脚无电流流过，则V1和V2导通，V2的导通使V4截止、V5导通，IGBT 栅极电荷通过V5迅速放电，引脚3电位下降至0V,是IGBT 栅一射间承受5V左右的负偏压，IGBT可靠关断，同时VCE的迅速上升使引脚6悬空.C2的放电使得B点电位为0V,则V S1仍然不导通，后续电路不动作，IGBT正常关断。
如有过流发生，IGBT的V CE过大使得VD2截止，使得VS1击穿，V3导通，C4通过R7放电，D点电位下降，从而使IGBT的栅一射间的电压UGE降低,完成慢关断，实现对IGBT的保护。
由EXB841实现过流保护的过程可知，EXB841判定过电流的主要依据是6脚的电压，6脚的电压不仅与VCE 有关，还和二极管VD2的导通电压Vd有关。
典型接线方法如图2,使用时注意如下几点：a、IGBT栅-射极驱动回路往返接线不能太长(一般应该小于1m)，并且应该采用双绞线接法，防止干扰。
b、由于IGBT集电极产生较大的电压尖脉冲，增加IGBT栅极串联电阻RG有利于其安全工作。
但是栅极电阻RG不能太大也不能太小，如果RG增大，则开通关断时间延长，使得开通能耗增加;相反，如果RG太小，则使得di/dt增加，容易产生误导通。
c、图中电容C用来吸收由电源连接阻抗引起的供电电压变化，并不是电源的供电滤波电容，一般取值为47 F.d、6脚过电流保护取样信号连接端，通过快恢复二极管接IGBT集电极。
e、14、15接驱动信号，一般14脚接脉冲形成部分的地，15脚接输入信号的正端，15端的输入电流一般应该小于20mA,故在15脚前加限流电阻。
解析IGBT管特点_工作原理与保护电路_一_
伏上升到电源电压（在此期间通态电流保持不变），产 相关时，把导通损耗定义为功率损耗是可行的。这三者
生很大的电压应力 ｄｕ／ｄｔ，这将严重地威胁到 ＩＧＢＴ 管长期工作的可靠性。在电路设计中，通过在栅极驱动
之间的表达式为：Ｐｃｏｎｄ＝ＵＣＥ×ＩＣ。开关损耗与 ＩＧＢＴ 管 的换向有关，但是主要与工作时的总能量消耗 Ｅｔｓ 相
少子导电器件，开关特性受少子的注入和复合以及栅 度地降低功耗，根据终端设备的频率以及应用中的电
极驱动条件的影响较大。在实践中，考虑到电容的密勒 平特性，应选择不同的器件。
效应，栅极驱动电路的驱动能力应大于手册中规定值
6. IGBT管损坏的原因及对策
的 ２～３ 倍。
ＩＧＢＴ 管在使用过程中，经常受到容性或感性负载的
（５）安全工作区特性。少子器件在大电流高电压开 冲击，发生过负荷甚至负载短路等，可能导致 ＩＧＢＴ 管损
二代大功率IGBT短路保护和有源钳位电路设计
Ｏ 引 言
Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ模块 耐压高 、 电流大 、 饱和压降低 、 工作频率高 ， 是 大功率逆变 器 、 电源等 电力 电子 装置 的首 选功 率器 件。但
Ｉ ｃ 最大值约为 Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ额定 电流 的 ４倍。
（ ２ ）门极电压可以强烈地影 响 Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ短路 电流 的数值。
从图 １ 可以看出 Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ的特性 ：
（ １ ）Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ在某 门极 电压下 ， 电流 Ｉ ｃ被限制在～定高度 ，
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ２—１ ２— ０ ７
作者简介 ： 刘革 菊（ １ ９ ６ ９ －） ， 女， 山西夏县人 ， 工程师， 研究生 ， 专业方向 ： 自动化控制 。
山西 电子技术 ２ ０ １ ３年 第 １期
文章 编号 ： １ ６ ７ ４ － ４ ５ ７ ８ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ — ０ ０ ２ ０ — ０ ４
应 用 实 践
二 代 大功 率 Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ短路 保 护 和 有 源钳位 电路 设 计
刘革菊
（ 国营大众机械 厂 第一研 究所 ， 山西 太原 ０ ３ ０ ０ ２ ４ ）
１ ． ３ Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ 短 路 与 过流 分 析
Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ抗过载能力不高 ， 设计发挥 Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ 性能 、 高可靠性的 Ｉ Ｇ － Ｂ Ｔ驱动电路 ， 是设计者 必须考虑 的问题 。本文从应 用角度 ，
分析 了 Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ的特 性 和短路特 性 ， 以瑞士 Ｃ Ｏ Ｎ Ｃ Ｅ Ｔ 公 司最 Ｐ
的ｄ ｉ ／ ｄ ｔ 、 过高 的结 温 等 ， Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ驱 动 电路 能保 护 的项 目有 ：
IGBT保护电路设计[方案]
![IGBT保护电路设计[方案]](https://img.taocdn.com/s3/m/429c27c432d4b14e852458fb770bf78a65293a7a.png)
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——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保护电路
1．3．2 IGBT短路保护电路策略从IGBT短路波形图可知，当IGBT短路发生时，电流上升至IGBT的4倍额定电流，驱动保护电路要将这个电流关断，这时的电流值比逆变器正常电流高4倍以上，势必产生很高的电压尖峰。
为了防止电压尖峰损坏IGBT，需要引入有源钳位电路。
因此，大功率IGBT短路保护电路的控制策略：(1)短路保护电路；(2)有源钳位电路。
1．3．3 大功率IGBT驱动电路的设计规范大功率IGBT驱动电路的设计规范：(1)采用隔离变压器；(2)采用Vcesat饱和压降进行短路检测和管理，包括软关断动作，以及采用不同的门极电阻进行开通和关断。
由于大功率IGBT驱动电路复杂，本文以瑞士CONCEPT公司最新推出的第二代SCALE-2模块2SC0435T作为核心部件，设计驱动电路。
与第一代SCALE-1模块2SD315A比较，2SC0435T改进了短路保护功能，增加了有源钳位功能。
2 大功率IGBT短路保护电路设计2．1 SCALE模块的内部结构SCALE模块内部主要由三个功能模块构成，即逻辑驱动转化接口LDI、电气隔离模块和智能栅极驱动IGD。
第一个功能模块是由辅助电源和信号输入两部分组成。
其中信号输入部分主要将控制器的PWM信号进行整形放大，并根据需要进行控制，之后传递到信号变压器，同时检测从信号变压器返回的故障信号，将故障信号处理后发送到故障输出端；辅助电源的功能是将输入的直流电压经过单端反激式变换电路，转换成两路隔离电源供给输出驱动放大器使用。
第二个功能模块是电气隔离模块，由两个传递信号的脉冲变压器和传递功率的电源变压器组成。
防止功率驱动电路中大电流、高电压对一次侧信号的干扰。
第三个功能模块是驱动信号输出模块，IGD主要对信号变压器的信号进行解调和放大，对IGBT的短路和过流进行检测，并进行故障存储和短路保护。
2．2 一代SCALE-1短路保护电路图3所示为CONCEPT第一代SCALE-1的经典IGBT保护电路，工作原理是：(1)当IGBT关断时，T1导通，电流源1被T1旁路，Ca的点位被钳在低位，比较器不翻转。
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。
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1．检测短路时U CE在增大的短路保护电路
图5-14所示是采用IGBT过流时U CE增大的原理构成的保护电路，该电路采用IGBT专用驱动器EXB841。
EXB841内部电路能很好地完成降栅压及软关断功能，并具有内部延迟功能，以消除干扰产生的误动作。
如果发生短路，含有IGBT过流信息的U CE不直接送至EXB841的IGBT集电极电压监视脚⑥上，而是快速关断快速恢复二极管VD1，使比较器IC1 (LM339)的U+电压大于U-电压，比较器输出高电平，由VD1送至EXB841的⑧脚，启动EXB841内部电路中的降栅压及软关断电路，低速切断电路慢速关断IGBT。
这样既避免了集电极电流尖峰损坏IGBT，又完成了IGBT短路保护。
该电路的特点是，消除了由VD1正向压降随电流不同而引起的关断速度不同的差异，提高了电流检测的准确性，同时由于直接利用EXB841内部电路中的降栅压及软关断功能，整体电路简单可靠。
2．利用电流互感器检测IGB1’过流的短路保护电路
图5-15所示是利用电流传感器检测IGBT过流的短路保护电路，电流传感器(SC)初级（1匝）串接在IGBT的集电极电路中，次级感应的过流信号经整流后送至比较器IC1的同相输入端，与反相端的基准电压进行比较后，IC1的输出送至具有正反馈的比较器IC2，其输出接至PWM控制器UC3525的输出控制脚⑩。
不过流时，A点电位UA<Uref，B点电位UB=0.2V，C点电位Uc<Uref，IC2输出低电平，PWM控制器正常工作。
当出现过流时，电流互感器检测到的过流信号反应为整流后电压将升高，使UA>Uref，UB为高电平，此时经R1给C3充电。
经一定的延时后，UC将大于Uref，IC2输出高电平，
EXB841保护电路工作，使IGBT降栅压软关断。
IGBT关闭后，电流互感器初级无电流流过，使UA又小于Uref，UB回到0.2V左右，C3经R1放电。
当Uc <Uref时，IC2输出低电平，电路重新进入工作状态。
如果过流继续存在，保护电路又恢复到原来的限流保护工作状态，反复循环，使EXB841的输出驱动波形处于间隔输出状态，使IGBT输出电流
有效值减小，达到保护IGBT的目的。
电位器RP1用于调整IC1比较器过流动作阈值。
电容器C3可经VD5和R5快速充电，经R1慢速放电。
只要合理地选择R1、R5和C3的参数，可实现EXB841比较快关闭IGBT而较慢恢复IGBT。
正反馈电阻R7保证IC2比较器具有迟滞特性，和R1和C3充放电电路一起保证IC2的输出不至于在高、低电平之间频繁变化，使IGBT频繁开通、关断而损坏，提高了电路的可靠性。
3．利用IGBT短路时UCE增大的原理和电流互感器过流检测的综合短路保护电路
图5- 16所示是利用IGBT短路时UCE增大的原理和电流传感器检测的综合保护电路。
该
电路的工作原理是：当负载短路（或IGBT由于其他故障过流）时，IGBT的UCE将增大，VD1关断，导致由R1提供的电流经R2和R3分压器分压使V3导通，从而使IGBT的栅
极电压由ZD所限制而降压，限制了IGBT峰值电流的幅度。
该电压同时经R5及C3延迟使V2导通，输出软关断信号。
为了提高短路保护电路的可靠性，在短路时由电流传感器
检测短路电流，经比较器IC1输出的高电平使V3导通进行降栅压，V2导通，进行IGBT
软关断保护。