绝缘门极双极型晶体管(Isolated Gate Bipolar Transistor,简称IGBT),也称绝缘门极晶体管。由于IGBT内具有寄生晶闸管,所以也可称作绝缘门极晶闸管,它是上世纪80年代中期发展起来的一种新型复合器件。由于它将MOSFET和GTR的优点集于一身,既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点,又有通态电压低、耐压高的优点,因此技术发展很快,倍受厂商和用户欢迎。在电机驱动、中频和开关电源以及要求快速、低损耗的领域,IGBT有取代MOSFET和GTR的趋势。但在IGBT实际应用中,要重点考虑的一个问题是IGBT的保护问题,在此自行设计了一种简单又适用的保护电路,并取得了很好的效果。

　　1 IGBT驱动要点

　　1.1 IGBT栅极驱动电压Uge

　　IGBT的驱动条件与IGBT的特性密切相关。在设计栅极驱动电路时,当栅极驱动电压大于阈值电压时IGBT即可开通,一般情况下阈值电压Uge(th)=5～6V。这样即可以使IGBT在开通时完全饱和,通态损耗最小,又可以限制短路电流。因此栅极驱动电压Uge需要选择一个合适的数值,以保证IGBT的可靠运行。栅极电压增高时,有利于减小IGBT的开通损耗和导通损耗,但同时将使IGBT能承受的短路时间变短(10μs以下),使续流二极管反向恢复过电压增大,所以务必控制好栅极电压的变化范围,一般Uge可选择在-10～+15V之间,关断电压为-10V,开通电压为+15V。因此通常选取栅极驱动电压Uge≥D×Uge(th),系数D=1.5、2、2.5、3。当阈值电压Uge(th)为6V时,栅极驱动电压Uge则分别为9V、12V、15V、18V,12V最佳。使IGBT在关断时,栅极加负偏压,以提高抗负载短路能力和du/dt引起的误触发等问题。

　　1.2 IGBT栅极电阻Rg

　　选择适当的栅极串联电阻Rg对IGBT驱动相当重要。当Rg增加时,将使IGBT的开通与关断时间增加,使开通与关断能耗均增加,但同时,可以使续流二极管的反向恢复过电压减小,同时减少EMI的影响。而门极电阻减少,则又使di/dt增大,可能引发IGBT误导通,当Rg减小时,减小IGBT开关时间,减小开关损耗;但Rg太小时,可导致g、e之间振荡,IGBT集电极di/dt增加,引起IGBT集电极尖峰电压,使IGBT损坏。因此,应根据IGBT电流容量和电压额定值及开关频率选取Rg值,如10Ω、15Ω、27Ω等,建议g、e之间并联数值为10kΩ左右的Rge,以防止栅极损坏。

　　2 保护电路

　　2.1 设计思路[1]

　　在负载持续短路时,这些驱动集成电路有可能使IGBT重复承受数毫秒的大电流脉冲。短路期间强大的电流脉冲威胁IGBT的安全并有可能导致其不可恢复性损坏。因此一旦发生负载短路,必须尽可能地减少IGBT短路过电流的工作时间,这就必须通过外电路闭锁输入驱动信号,防止IGBT连续通过大电流脉冲。单靠驱动集成电路本身不足以完全保护IGBT,必须外加辅助保护电路切断输入驱动信号。