一种新的IGBT驱动保护电路
摘要：针对IGBT驱动保护问题，提出了一种新的驱动保护电路．采用555集成电路作延时降压电路．电路具有状态检测功能、延时缓降栅压功能和降压功能等功能．此电路的特点是简单，定时精度高，可靠性高，反应快．
在电力电子装置中，IGBT与晶闸管相比，具有许多优点。因此倍受工程师们的青睐．然而，IGBT的可靠性与其驱动电路和保护电路的优劣有直接关系．设计出高性能的IGBT驱动保护电路，一直是工程师们思考的课题之一．
1 驱动保护电路的要求
IGBT的驱动要求与器件本身的静动态特性有直接联系，特别是栅极的驱动电阻、栅极的正偏压、负偏压要与器件特性相符。IGBT的保护要求也应根据器件特性来设计，做到在IGBT损坏之前应立即将IGBT保护关断．同时将短路电路电流和保护关断I—V运行轨迹限制在IGBT的短路保护安全工作之内。
当IGBT短路时，由于主回路电流变化率较大，在主回路上会感应出高压，此压有时会超出IGBT的安全电压范围而导致器件失效 ．因此，应采用软关断的方法．IGBT允许过流的时间一般为5－20s，且不同型号的IGBT具有不同的允许过流时间和过流倍数，关断电压与关断时间也应被设计得非常精确．这些都要求在设计软关断电路时，要给予充分地考虑．其要求如下：
(1)能动态地、适时地向IGBT提供恰当的正向栅压，当漏源电压VCE一定时，VCE与VEG 成反向变化．当发生短路时，降低VEG从而延长器件的短路承受时间．
(2)能向IGBT提供恰当的负向栅压．为使IGBT在关断过程中提高抗干扰能力，应有一定的负压．
(3)在IGBT栅极回路中串联适当的栅极电阻，以改善VEG的前后沿陡度和防止振荡．VEG的前后沿陡度应是前沿愈陡愈好，而后沿应有一定的陡度，并非愈陡愈好．
2 驱动保护电路结构及参数
根据上述IGBT的驱动保护电路的要求，IGBT驱动保护电路如图1．图1中，T1、T2、T3、T4和T5是90系列的三极管，T1、T2、T3和T4采用9013，T5采用9012；T1、T4和T5构成IGBT驱动放大电路；R3、T1和T4构成IGBT导通驱动电路，其中R3为100Ω/1/8W；T5、R6、R11和DZ2构成IGBT截止保护电路，其中R6为1KΩ/1/8W，R9为330Ω/1/8W，DZ2为1W5V的稳压管．IC1选用高速光耦6N136，它的信号传输延迟小于75ns，特别适合于高频电路，其作用是实现控制电路与主电路的隔离；IC2采用555集成电路，它和R8、R9、R12、R13、R14、C3、T6、T7构成延时双稳电路，其中R8为1kΩ/1/8W，R9为2kΩ/1/8W，R12、R13、R14为1kΩ/1/8W， C3采用高精度的钽电容，为1u/50v，以提高定时精度；T3和R1组成降压保护电路，其中DZ3采用1W10V的稳压管，T6、T7为9013，R10为100Ω/1/8W；T2、R5、D2和C2构成缓降压保护电路，其中R5为100kΩ/1/8W， D2为1N4148， C2为1u/50V的电解电容；R1、R2、C1、R4、D1和DZ1组成状态识别电路，其中R1为100KΩ/1/8W，R2为50Ω/1/8W的金属膜电路，C1为1u/50v的电解电容，R4为100Ω/1/8w的金属膜电阻，D1为1N4148，DZ1为1W8.2V的稳压管．
3 电路工作原理
3.1正常工作状态时工作原理
当控制电路送来低电平时，光耦IC1导通，T1导通．经过R3使T4导通，经由R7，向IGBT提供+15V的栅极驱动电压，IGBT快速导通．同时，C1通过R2充电，C1的端电压按指数规律上升，但此时，IGBT导通，IGBT的CE端的饱和压降下降，通过D1的钳位作用，C1的端电压不会超过DZ1的击穿电压，DZ1不导通，T3截止，降压电路不工作．同时T6截止，T7导通，C3的端电压为零电平，故555输出端3脚为低电平，T2截止，缓降压电路不工作．
当控制电路送来高电平时，光耦IC1关断，T1和T4截止，IGBT截止．此时，+15V经由R6和R11使T5导通，DZ2上的-5V电压施加于IGBT的GE端，使IGBT可靠关断．同时，由于C1的端电压为零，DZ1不导通，T6截止，T7导通，故IC2的3端输出仍为低电平，T2、T3都不导通．
图1IGBT的驱动保护电路
3.2短路故障状态时的工作原理
当主电路短路时，IGBT的CE端的电压迅速升高，此时D1反向关断，C1端电压迅速上升．经t时间后，其上升电压由下式求得:
式(1)中，τ=R2×C1 ，单位为秒；
当C1端电压大于DZ1的击穿电压时，DZ1导通，T3导通，DZ3导通，使IGBT的栅电压由原来的+15V下降到约+10V．此时，如果故障现象消失，D1导通，C1端电压下降，DZ1截止，T3截止，IGBT的栅电压由+10V恢复到+15V，电路恢复正常工作；如果此时故障没有消失，T6导通，T7截止，C3开始充电，端电压上升，其上升电压由下式求得:
式(2)中，τ=R14×C3，单位为秒；
一旦设定的时间到，IC2输出端输出高电平，经过R9推动T2导通，C2放电，B点电位缓慢下降，T4缓慢地由导通变为截止．同时T5导通，IGBT的栅电压变为-5V，IGBT可靠关断，由于555集成电路工作在双稳状态，其一旦翻转输出高电平，将始终维持对IGBT的关断，直至故障被消除，从而增加了系统的抗干扰能力，保证了系统的可靠工作．
4 结论
综上所述，此电路具有以下特点：
采用单电源+15V，使电路结构简化．
该驱动电路元件较少，可靠性高，且信号传输时问短．反应快．
由于采用了555集成电路和高精度的钽电容，故定时精度高，且可按照器件的参数实时灵活地调整定时时间．
该短路保护电路具有状态检测功能、延时缓降栅压功能和降压功能等功能．
