西门子6ES7340-1BH02-0AE0功能介绍

 1 引言

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。

2 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)，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Zui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。

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。因此应根据IGBT电流容量和电压额定值及开关频率的不同，选择合适的Rg，一般选心值为几十欧姆至几百欧姆。具体选择Rg时．要参考器件的使用手册。

(3)驱动功率的要求

IGBT的开关过程要消耗一定的来自驱动电源的功耗，门极正反向偏置电压之差为△Vge，工作频率为f，栅极电容为Cge，则电源的Zui少峰值电流为:

驱动电源的平均功率为:

2 IGBT的过流保护

IGBT的过流保护就是当上、下桥臂直通时，电源电压几乎全加在了开关管两端，此时将产生很大的短路电流，IGBT饱和压降越小，其电流就会越大，从而损坏器件。当器件发生过流时，将短路电流及其关断时的I—V运行轨迹限制在IGBT的短路安全工作区，用在损坏器件之前，将IGBT关断来避免开关管的损坏。

3 IGBT的驱动和过流保护电路分析

根据以上的分析．本设计提出了一个具有过流保护功能的光耦隔离的IGBT驱动电路，

图2中，高速光耦6N137实现输入输出信号的电气隔离，能够达到很好的电气隔离，适合高频应用场合。驱动主电路采用推挽输出方式，有效地降低了驱动电路的输出阻抗，提高了驱动能力，使之适合于大功率IGBT的驱动，过流保护电路运用退集电极饱和原理，在发生过流时及时的关断IGBT，其中V1．V3．V4构成驱动脉冲放大电路。V1和R5构成一个射极跟随器，该射极跟随器提供了一个快速的电流源，减少了功率管的开通和关断时间。利用集电极退饱和原理，D1、R6、R7和V2构成短路信号检测电路．其中D1采用快速恢复二极管，为了防止IGBT关断时其集电极上的高电压窜入驱动电路。为了防止静电使功率器件误导通，在栅源之间并接双向稳压管D3和D4。如是IGBT的门极串联电阻。

正常工作时：

当控制电路送来高电平信号时，光耦6N137导通，V1、V2截止，V3导通而V4截止，该驱动电路向IBGT提供+15V的驱动开启电压，使IGBT开通。

当控制电路送来低电平信号时，光耦6N137截至，VI、V2导通。V4导通而v3截止，该驱动电路向IBGT提供-5v的电压，使IGBT关闭。

当过流时：

当电路出现短路故障时，上、下桥直通此时+15V的电压几乎全加在IGBT上．产生很大的电流，此时在短路信号检测电路中v2截止，A点的电位取决于D1、R6、R7和Vces的分压决定，当主电路正常工作时，且IGBT导通时，A点保持低电平，从而低于B点电位。所有A1输出低电平，此时V5截止，而c点为高电平，所以正常工作时。输入到光耦6N137的信号始终和输出保持一致。当发生过流时，IGBT集电极退饱和，A点电位升高，当高于B电位(即是所设置的电位)时，即是当电流超过设计定值时，A1翻转而输出高电平，V5导通，从而将C点的电位箝在低电位状态，使与门4081始终输出低电平，即无论控制电路送来是高电平或是低电平，输人到光耦6N137的信号始终都是低电平，从而关断功率管。从而达到过流保护。直到将电路的故障排除后，重新启动电路。

1.引言

绝缘门极双极型晶体管IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor)，是八十年代中期发展起来的一种复合了功率场效应管和电力晶体管优点的新型复合器件，既具有输入阻抗高、开关速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又具有通态电压低、耐压高和承受电流大等优点，因此发展迅速，很快在电机驱动、中频和开关电源以及要求快速、低损耗的领域得到广泛应用[1]。在IGBT的实际应用中，其栅极驱动电路的合理设计是保证IGBT安全可靠运行的重要环节。目前，国内外推出了针对IGBT的多种驱动模块，如EXB841、M57962L、IR2110[4]、IXDN404[7]等，实际应用中，多种IGBT驱动模块电路使用上都有其局限性[3]。本文介绍了一种采用PC929芯片的IGBT驱动电路设计方法，具有简单实用的优点，可用于中小功率的变流器。

2IGBT驱动电路设计要求

根据IGBT的特性，对其驱动电路有如下要求：

(1) 提供适当的正反向栅极电压，使IGBT可靠地开通和关断。当正偏压增大时IGBT通态压降和开通损耗均下降，但若栅极电压UGE过大，则负载短路时其IC随UGE增大而增大，对其安全不利。因此使用中UGE取15V左右的正向栅极电压较为合适[2]。负偏电压可防止由于关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通，一般选UGE为-10V左右为宜。

(2)IGBT开通后，驱动电路应提供足够的电压、电流幅值，使IGBT在正常工作及过载情况下不致因退出饱和而损坏。

(3) 能为IGBT栅极提供具有较陡峭前后沿的驱动脉冲。IGBT的快速开通和关断可降低开关损耗。

(4) 选择恰当IGBT驱动电路中的栅极电阻和保护检测回路电阻。

(5) 具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿。IGBT栅极极限电压一般为土20 V，驱动信号超出此范围可能破坏栅极[6]。

(6) 驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT的保护功能。IGBT的控制、驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配，另外，在未采取适当的防静电措施情况下，IGBT的G-E端不能开路。

3.基于PC929的IGBT驱动电路设计

日本SHARP公司生产的PC929芯片具有高速、内建短路保护电路、使用方便等特点，是一种比较典型的驱动电路芯片。驱动电流Zui大为0.4A；具有小于0.5ms的高速响应时间；隔离电压高达4kV，适用于中小容量IGBT的驱动。

本文设计的基于PC929的驱动保护电路具有单电源、正负偏压、过流检测、可靠保护等主要特性，功能较为完善，具有广泛应用前景。驱动电路由驱动主电路和保护逻辑电路两部分组成。

3.1驱动电路简介

图1所示为基于PC929的驱动电路。PC929是内建短路保护电路的门极驱动高速光耦芯片，PWM脉冲输入到芯片1、3脚，26伏的供电电压接到13、14脚。由于桥臂上、下开关管驱动电压不能共地，因此每个IGBT管的驱动电路需要单独电源供电，本实验采用开关电源提供的各路独立的直流电源。