基于集成驅(qū)動電路的IGBT驅(qū)動電路設(shè)計畢設(shè)論文

遼寧工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計說明書（論文）PAGE遼寧工業(yè)大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計（論文）題目：基于集成驅(qū)動電路的IGBT驅(qū)動電路設(shè)計院（系）：電氣工程學(xué)院專業(yè)班級：自動化124班學(xué)號：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：（簽字）起止時間：2014.12.29-2015.01.09本科生課程設(shè)計（論文）PAGEIII課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語院（系）：電氣工程學(xué)院教研室：自動化學(xué)號學(xué)生姓名專業(yè)班級自動化124課程設(shè)計（論文）題目基于集成驅(qū)動電路的IGBT驅(qū)動電路設(shè)計課程設(shè)計（論文）任務(wù)課題完成的功能：本課程設(shè)計利用集成驅(qū)動電路實現(xiàn)絕緣柵雙極晶體管IGBT的驅(qū)動電路設(shè)計。設(shè)計任務(wù)及要求：（1）根據(jù)給出的絕緣柵雙極晶體管IGBT的額定數(shù)據(jù)，利用集成驅(qū)動電路（如EXB841、M57962L等）實現(xiàn)IGBT的外圍驅(qū)動電路設(shè)計。（2）要求為IGBT提供一定幅值的正反向柵極電壓。（3）驅(qū)動電路要具有隔離輸入、輸出信號的功能。（4）要求控制好的前后沿陡度，控制好IGBT的開關(guān)損耗。（5）具有過電壓保護和du/dt保護能力。（6）具有完善的短路保護能力。（7）撰寫課程設(shè)計說明書（論文）。技術(shù)參數(shù)：絕緣柵雙極晶體管IGBT的額定電壓1200V，額定電流400A，最大開關(guān)頻率20kHz，驅(qū)動電壓+15V，關(guān)斷電壓-5V。進度計劃（1）布置任務(wù)，查閱資料，確定系統(tǒng)的組成（2天）（2）對系統(tǒng)各組成部件進行功能分析（3天）（3）系統(tǒng)電氣電路設(shè)計及調(diào)試設(shè)計（3天）（4）撰寫、打印設(shè)計說明書及答辯（2天）指導(dǎo)教師評語及成績平時：論文質(zhì)量：答辯：總成績：指導(dǎo)教師簽字：年月日注：成績：平時20%論文質(zhì)量60%答辯20%以百分制計算摘要介紹了絕緣柵雙極型晶體管IGBT（InsulatedCateBipolarTransistor）器件驅(qū)動電路設(shè)計的一般要求，對EXB841芯片的工作過程作了深入的分析，研究了EXB841對IGBT的開通和關(guān)斷以及過流保護的原理，指出了用EXB841直接驅(qū)動IGBT時存在的問題和不足，主要是過流保護的閥值太高，關(guān)斷不可靠及在軟關(guān)斷時沒有對外部輸入信號進行封鎖。同時，提出了針對這些不足在設(shè)計驅(qū)動電路時應(yīng)當(dāng)采取的幾種有效方法。最后，運用EXB841及其他器件設(shè)計和優(yōu)化了一個IGBT的驅(qū)動電路，該驅(qū)動電路通試驗證明能夠有效地對IGBT器件進行驅(qū)動和過電流保護。關(guān)鍵詞：絕緣柵雙極型晶體管；EXB841；驅(qū)動電路目錄TOC\o"1-3"\f\h\z第1章緒論 1第2章課程設(shè)計的方案 32.1概述 32.2系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu) 3第3章IGBT驅(qū)動電路設(shè)計 43.1IGBT驅(qū)動電路設(shè)計要求 53.2EXB841的控制原理 53.3EXB841存在的不足與改進 7第4章基于EXB841驅(qū)動電路設(shè)計、優(yōu)化 94.1IGBT驅(qū)動電路及故障信號封鎖電路設(shè)計 94.2IGBT驅(qū)動電路優(yōu)化 11第5章課程設(shè)計總結(jié) 13參考文獻 14PAGE14緒論80年代初期，用于功率MOSFET制造技術(shù)的DMOS（雙擴散形成的金屬-氧化物-半導(dǎo)體）工藝被采用到IGBT中來。在那個時候，硅芯片的結(jié)構(gòu)是一種較厚的NPT（非穿通）型設(shè)計。后來，通過采用PT（穿通）型結(jié)構(gòu)的方法得到了在參數(shù)折衷方面的一個顯著改進，這是隨著硅片上外延的技術(shù)進步，以及采用對應(yīng)給定阻斷電壓所設(shè)計的n+緩沖層而進展的。幾年當(dāng)中，這種在采用PT設(shè)計的外延片上制備的DMOS平面柵結(jié)構(gòu)，其設(shè)計規(guī)則從5微米先進到3微米。90年代中期，溝槽柵結(jié)構(gòu)又返回到一種新概念的IGBT，它是采用從大規(guī)模集成（LSI）工藝借鑒來的硅干法刻蝕技術(shù)實現(xiàn)的新刻蝕工藝，但仍然是穿通（PT）型芯片結(jié)構(gòu)。在這種溝槽結(jié)構(gòu)中，實現(xiàn)了在通態(tài)電壓和關(guān)斷時間之間折衷的更重要的改進。硅芯片的重直結(jié)構(gòu)也得到了急劇的轉(zhuǎn)變，先是采用非穿通（NPT）結(jié)構(gòu)，繼而變化成弱穿通（LPT）結(jié)構(gòu)，這就使安全工作區(qū)（SOA）得到同表面柵結(jié)構(gòu)演變類似的改善。這次從穿通（PT）型技術(shù)先進到非穿通（NPT）型技術(shù)，是最基本的，也是很重大的概念變化。這就是：穿通（PT）技術(shù)會有比較高的載流子注入系數(shù)，而由于它要求對少數(shù)載流子壽命進行控制致使其輸運效率變壞。另一方面，非穿通（NPT）技術(shù)則是基于不對少子壽命進行殺傷而有很好的輸運效率，不過其載流子注入系數(shù)卻比較低。進而言之，非穿通（NPT）技術(shù)又被軟穿通（LPT）技術(shù)所代替，它類似于某些人所謂的“軟穿通”（SPT）或“電場截止”（FS）型技術(shù)，這使得“成本—性能”的綜合效果得到進一步改善。1996年，CSTBT（載流子儲存的溝槽柵雙極晶體管）使第5代IGBT模塊得以實現(xiàn)，它采用了弱穿通（LPT）芯片結(jié)構(gòu)，又采用了更先進的寬元胞間距的設(shè)計。目前，包括一種“反向阻斷型”（逆阻型）功能或一種“反向?qū)ㄐ汀保鎸?dǎo)型）功能的IGBT器件的新概念正在進行研究，以求得進一步優(yōu)化。經(jīng)過20多年的發(fā)展，IGBT表現(xiàn)出了很強的生命力，其開關(guān)性能經(jīng)歷五代改進也日臻完善。同時，IGBT的容量等級也在快速提升，單管電壓已6500V，無均流并聯(lián)電流已3300A，已成為基本上取代了GTR，并在很多應(yīng)用領(lǐng)域挑戰(zhàn)GTO的電力半導(dǎo)體開關(guān)器件。驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)會對IGBT的運行性能產(chǎn)生顯著影響，如開關(guān)時間、開關(guān)損耗、短路電流保護能力和抗du/dt的能力等。因此，根據(jù)IGBT的型號類型和參數(shù)指標(biāo)合理設(shè)計驅(qū)動電路對于充分發(fā)揮IGBT的性能是十分重要的。功率器件的不斷發(fā)展使其驅(qū)動電路也在不斷地發(fā)展，相繼出現(xiàn)了許多專用的驅(qū)動集成電路。IGBT的觸發(fā)和關(guān)斷要求給柵極和發(fā)射極之間加上正向電壓和負(fù)向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動電路產(chǎn)生。當(dāng)選擇這些驅(qū)動電路時，必須基于以下因素進行：器件關(guān)斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性的要求等。IGBT的驅(qū)動電路是IGBT與控制電路之間的接口，它對IGBT的正常運行具有非常重要的影響。采用一套性能良好的驅(qū)動電路可縮短開關(guān)時間，減小開關(guān)損耗，使IGBT工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)下，同時對電源的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。另外，一套性能良好的驅(qū)動電路由于本身具有多種保護措施，可以防止運行中的一些意外沖擊而損壞IGBT。因此驅(qū)動電路的選擇和設(shè)計顯得尤為重要。IGBT作為功率電源的主要電力電子器件，其柵極驅(qū)動電路設(shè)計的優(yōu)劣直接關(guān)系到由IGBT構(gòu)成的系統(tǒng)長期運行的可靠性。只有設(shè)計合理的IGBT驅(qū)動電路，才能保證IGBT的可靠運行。課程設(shè)計的方案概述本次設(shè)計主要是綜合應(yīng)用所學(xué)知識，運用EXB841及其他器件設(shè)計和優(yōu)化了一個IGBT的驅(qū)動電路。能夠較全面地鞏固和應(yīng)用“電力電子技術(shù)”課程中所學(xué)的基本理論和基本方法，并初步掌握利用IGBT設(shè)計的基本方法。應(yīng)用場合:隨著電力電子技術(shù)朝著大功率、高頻化、模塊化發(fā)展,絕緣柵雙極晶體管(IGBT)已廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、變頻器、電機控制以及要求快速、低損耗的領(lǐng)域中。IGBT是復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式電力電子器件,兼有MOSFET和GTR的優(yōu)點:輸人阻抗高,驅(qū)動功率小,通態(tài)壓降小,工作頻率高和動態(tài)響應(yīng)快。目前,市場上500—3000V，800—1300A的IGBT，因其耐高壓、功率大的特性，已成為大功率開關(guān)電源等電力電子裝置的首選功率器件。系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)驅(qū)動電路主電路保護電路主電路保護電路電壓信號圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖EXB841存在過流保護無自鎖功能等問題，再結(jié)合這些問題設(shè)計了驅(qū)動電路并對其進行了優(yōu)化。設(shè)計一個保護電路對IGBT進行有效的驅(qū)動、控制和過電流保護。使其正常工作，保護電路中的器件不被損壞。IGBT驅(qū)動電路設(shè)計絕緣柵雙極型晶體管IGBT（InsulatedCateBipolarTransistor）是一種由雙極晶體管與MOSFET組合的器件，它既具有MOSFET的柵極電壓控制快速開關(guān)特性，又具有雙極晶體管大電流處理能力和低飽和壓降的特點，近年來在各種電力變換裝置中得到廣泛應(yīng)用。但是IGBT的門極驅(qū)動電路影響IGBT的通態(tài)壓降、開關(guān)時間、開關(guān)損耗、承受短路電流能力及duce/dt等參數(shù)，決定了IGBT的靜態(tài)與動態(tài)特性。因此，在使用IGBT時IGBT的等效電路如圖3.1所示。由圖1可知，若在IGBT的柵極G和發(fā)射極E之間加上驅(qū)動正電壓，則MOSFET導(dǎo)通，這樣PNP晶體管的集電極C與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通；若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V，則MOS截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。IGBT與MOSFET一樣也是電壓控制型器件，在它的柵極G—發(fā)射極E間施加十幾伏的直流電壓，只有在uA級的漏電流流過，基本上不消耗功率。圖圖3.1(a)為IGBT等效電路圖(b)為IGBT電氣符號IGBT模塊的電壓規(guī)格與所使用裝置的輸入電源即試電電源電壓緊密相關(guān)。使用中當(dāng)IGBT模塊集電極電流增大時，所產(chǎn)生的額定損耗亦變大。同時，開關(guān)損耗增大，使原件發(fā)熱加劇，因此，選用IGBT模塊時額定電流應(yīng)大于負(fù)載電流。特別是用作高頻開關(guān)時，由于開關(guān)損耗增大，發(fā)熱加劇，選用時應(yīng)該降溫等使用。IGBT驅(qū)動電路設(shè)計要求(1).動態(tài)驅(qū)動能力強，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動脈沖。否則IGBT會在開通及關(guān)斷過程中產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗。(2）.能向IGBT提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪驏艍?。一般?15V左右的正向柵壓比較恰當(dāng)，取-5V的反向柵壓讓IGBT能可靠截止。(3).具有柵壓限幅電路，保護柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為±20V，驅(qū)動信號超出此范圍可能破壞柵極。(4).當(dāng)IGBT處于負(fù)載短路或過流狀態(tài)時，能在IGBT允許時間內(nèi)通過逐漸降低柵壓自動抑制故障電流，實現(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷。驅(qū)動電路的軟關(guān)斷過程不應(yīng)隨輸入信號的消失而受到影響。當(dāng)然驅(qū)動電路還要注意其他幾個問題。主要是要選擇合適的柵極電阻Rg和Rge以及要有足夠的輸入輸出電隔離能力，要能夠保證輸入輸出信號無延時，同時要保證當(dāng)IGBT損壞時驅(qū)動電路中的其他元件不會被損壞。EXB841是300A/1200V快速型IGBT驅(qū)動專用模塊，整個電路延遲時間不超過1μs，最高工作頻率達40一50kHz，它只需外部提供一個+20V單電源，內(nèi)部產(chǎn)生一個一5V反偏壓，模塊采用高速光耦合隔離，射極輸出。有短路保護和慢速關(guān)斷功能.EXB841主要由放大、過流保護、5V基準(zhǔn)電壓和輸出等部分組成。其中放大部分由TLP550,V2,V4,V5和R1,C1,R2,R9組成，TLP550待改進。起信號輸人和隔離作用，V2是中間級，V4和V5組成推挽輸出;短路過流保護部分由V1,V3,V6,VZ1和C2,R3,R4,R5,R6,C3,R7,R8,C4等組成，實現(xiàn)過流檢測和延時保護功能。EXB841的6腳通過快速恢復(fù)二極管接至IGBT的C極，檢測IGBT的集射之間的通態(tài)電壓降的高低來判斷IGBT的過流情況加以保護;5V電壓基準(zhǔn)部分由R10,VZ2,C5組成，為IGBT驅(qū)動提供一5V反偏壓。日本FUJI公司的EXB841芯片具有單電源、正負(fù)偏壓、過流檢測、保護、軟關(guān)斷等主要特性，是一種比較典型的驅(qū)動電路。其功能比較完善，在國內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。EXB841的控制原理EXB841工作原理如圖3.2所示（圖中V1G即為IGBT管，下圖同；V1S為光耦I(lǐng)S01）。圖3.2EXB841的工作原理圖(1).正常開通過程當(dāng)EXB841輸入端腳14和腳15有10mA的電流流過時，光耦I(lǐng)S01導(dǎo)通，A點電位迅速下降至0V，V1和V2截止；V2截止使D點電位上升至20V，V4導(dǎo)通，V5截止，EXB841通過V4及柵極電阻Rg向IGBT提供電流使之迅速導(dǎo)通。(2).正常關(guān)斷過程控制電路使EXB841輸入端腳14和腳15無電流流過，光耦I(lǐng)S01不通，A點電位上升使V1和V2導(dǎo)通；V2導(dǎo)通使V4截止、V5導(dǎo)通，IGBT柵極電荷通過V5迅速放電，使EXB841的腳3電位迅速下降至0V（相對EXB841腳1低5V），使IGBT可靠關(guān)斷。(3).保護動作IGBT已正常導(dǎo)通，則V1和V2截止，V4導(dǎo)通，V5截止，B點和C點電位穩(wěn)定在8V左右，VZ1不被擊穿，V3截止，E點電位保持為20V，二極管VD6截止。若此時發(fā)生短路，IGBT承受大電流而退飽和，uce上升很多，二極管VD7截止，則EXB841的腳6“懸空”，B點和C點電位開始由8V上升；當(dāng)上升至13V時，Vz1被擊穿，V3導(dǎo)通，C4通過R7和V3放電，E點電位逐步下降，二極管VD6導(dǎo)通時D點電位也逐步下降，使EXB841的腳3電位也逐步下降，緩慢關(guān)斷IGBT。B點和C點電位由8V上升到13V的時間可用下式求得：13=20（1-式3-1中t=1.3μs；τ1為R3和C2的充電時間常數(shù),τ1=R3C2。（3-2）C3與R7組成的放電時間常數(shù)為τ2=C3R7=4.84（μs）（3-3）E點由20V下降到3.6V的時間由下式求得：3.6=20e-tτ2，t=8.3μs此時慢關(guān)斷過程結(jié)束，IGBT柵極上所受偏壓為0V，這種狀態(tài)一直持續(xù)到控制信號使光耦I(lǐng)SO1截止，IGBT柵極所受偏壓由慢關(guān)斷時的0V迅速下降到-5V，IGBT完全關(guān)斷。V1導(dǎo)通C2迅速放電，V3截止，20V電源通過R9對C4充電，RC充電時間常數(shù)為τ3=C4R9=4.84(μs)，則E點由3.6V充至19V的時間可用下式求得：19=201-則E點恢復(fù)到正常狀態(tài)需135μs，至此EXB841恢復(fù)到正常狀態(tài)，可以進行正常的驅(qū)動。EXB841存在的不足與改進(1).EXB841存在的不足①.過流保護閥值太高。由EXB841實現(xiàn)過流保護的過程可知，EXB841判定過流的主要依據(jù)是6腳電壓。6腳電壓U6不僅和Uce有關(guān)，還和二極管V7的導(dǎo)通電壓Ud及Ue有關(guān)，V7在0.5～0.6V時即可開通，故過流保護閾值Uceo=U-Ud-Ue=13V-0.6V-5.1V=7.3V（3-6）通常IGBT在通過額定電流時導(dǎo)通壓降Uce為3.5V，當(dāng)Uce=Uceo=7.5V時。IGBT已嚴(yán)重過流，對應(yīng)電流約為額定電流的2～3倍，因此，應(yīng)降低Uceo。②.存在保護盲區(qū)。一般大功率IGBT的導(dǎo)通時間ton在1us左右。實際上，IGBT導(dǎo)通時尾部電壓下降是較慢的，實驗表明，當(dāng)工作電壓較高時，Uce下降至飽合導(dǎo)通壓降約需4～5s，而過流檢測的延遲時間約為2.7s。因此，在IGBT開通過程中，若過流保護動作閾值太高，會出現(xiàn)虛假過流。為了識別真假過流，5腳的過流故障輸出信號應(yīng)延時5us，以便外部保護電路對真正的過流進行保護，在EXB841完成內(nèi)部軟關(guān)斷后再封鎖外加PWM信號。③.軟關(guān)斷保護不可靠。過流保護后，在10μs內(nèi)驅(qū)動信號緩降至零。因為存在盲區(qū)時間。同時還有較長的軟關(guān)斷時間，這就導(dǎo)致不可靠，使保護效果變差。④.負(fù)偏壓不足。EXB841為了防止較高dv/dt引起IGBT誤動作設(shè)置了負(fù)柵壓，實際負(fù)柵壓值一般不到-5V。在大功率臭氧電源等具有較大電磁干擾的全橋逆變應(yīng)用中，電磁干擾使負(fù)柵壓信號中存在隨工作電流增大而增大的干擾尖鋒脈沖，其值可超過6V，甚至達到8-9V，能導(dǎo)致截止的IGBT誤導(dǎo)通，造成橋臂直通。⑤.過電流保護無自鎖功能。在出現(xiàn)過流時，EXB841將正常的驅(qū)動信號變成一系列降幅脈沖實現(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷，并在5腳輸出故障指示信號，但不能封鎖輸入的PWM控制信號。因5腳輸出信號無鎖存功能，須在發(fā)生真正的過流時，用觸發(fā)器鎖定故障輸出信號，用外部電路實現(xiàn)對系統(tǒng)的保護和停機。(2).改進措施針對以上不足，可以考慮采取一些有效的措施，從而解決以上問題。以下結(jié)合設(shè)計的具體電路進行說明?；贓XB841驅(qū)動電路設(shè)計、優(yōu)化本文基于EXB841設(shè)計IGBT的驅(qū)動電路如圖4.2所示，圖中上半部分是利用EXB841構(gòu)成的IGBT的驅(qū)動電路，下半部分是由NE555定時器構(gòu)成的以實現(xiàn)對IGBT過流時封鎖故障信號的電路。IGBT驅(qū)動電路及故障信號封鎖電路設(shè)計驅(qū)動電路中Vz5起保護作用。避免EXB841的6腳承受過電壓，通過VD1檢測是否過電流，接VZ3的目的是為了改變EXB模塊過流保護起控點，以降低過高的保護闕值從而解決過流保護閥值太高的問題。R1和C1及VZ4接在+20V電源上保證穩(wěn)定的電壓。VZ1和VZ2避免柵極和射極出現(xiàn)過電壓，Rge是防止IGBT誤導(dǎo)通。針對EXB841存在保護盲區(qū)的問題，可如圖4.2所示將EXB841的6腳的超快速恢復(fù)二極管VD1換為導(dǎo)通壓降大一點的超快速恢復(fù)二極管或反向串聯(lián)一個穩(wěn)壓二極管，也可采取對每個脈沖限制最小脈寬使其大于盲區(qū)時間，避免IGBT過窄脈寬下的低輸出大功耗狀態(tài)。針對EXB841軟關(guān)斷保護不可靠的問題，可以在EXB841的5腳和4腳間接一個可變電阻,4腳和地之間接一個電容，都是用來調(diào)節(jié)關(guān)斷時間，保證軟關(guān)斷的可靠性。針對負(fù)偏壓不足的問題，可以考慮提高負(fù)偏壓。一般采用的負(fù)偏壓是-5V可以采用-8V的負(fù)偏壓（當(dāng)然負(fù)偏壓的選擇受到IGBT柵射極之間反向最大耐壓的限制）。圖4.2下半部分所示為故障信號的封鎖電路。當(dāng)IGBT正常工作時EXB841的5腳是高電平，此時光耦6N137截止，其6腳為高電平，從而V1導(dǎo)通，于是電容C6不充電，NE555P的3腳輸出為高電平，輸入信號被接到15腳，EXB841正常工作驅(qū)動IGBT。當(dāng)EXB841檢測到過電流時EXB841的5腳變?yōu)榈碗娖?，于是光耦?dǎo)通使V1截止+5V電壓經(jīng)R4和R5對C6，充電R4和R5的總阻值為90kΩ，C6為100pF，經(jīng)過5μs后NE555P的3腳輸出為低電平，通過與門將輸入信號封鎖。因為EXB841從檢測到IGBT過電流到對其軟關(guān)斷結(jié)束要10μs此電路延遲5μs工作是因為EXB841檢測到過電流到EXB841的5腳信號為低電平需要5μs這樣經(jīng)過NE555P定時器延遲5μs使IGBT軟關(guān)斷后再停止輸入信號，避免立即停止輸入信號造成硬關(guān)斷。同時，在EXB841檢測到過流時進行軟關(guān)斷的過程中為了防止外部輸入信號撤除從而直接使IGBT硬關(guān)斷，可從V1的集電極引出一高電平對輸入信號進行封圖4.2IGBT驅(qū)動電路鎖，從而保證軟關(guān)斷的順利進行。該電路解決了EXB841存在的過電流保護無自鎖功能這一問題。經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)該電路在正常工作時，可以通過EXB841的3腳發(fā)出+15V和-5V電壓信號驅(qū)動IGBT開通和關(guān)斷，當(dāng)IGBT發(fā)生過流時該電路能可靠地進行軟關(guān)斷。IGBT驅(qū)動電路優(yōu)化（1）過流保護

①過電流損壞原因IGBT內(nèi)部有寄生晶閘管，在規(guī)定漏極電流范圍內(nèi)，其產(chǎn)生的正偏壓不足以使晶體管導(dǎo)通，當(dāng)漏極電流大到一定程度，正偏壓足以使晶體管導(dǎo)通，近而使寄生晶閘管開通，柵極失去控制，發(fā)生擎柱效應(yīng)。此時關(guān)斷無效，集電極電流很大致使IGBT損壞。當(dāng)電流還未達到擎柱效應(yīng)所需電流大小時，如果IGBT運行指標(biāo)超過SOA所限定的電流安全邊界，也就工作在了過流狀態(tài)下，長時間過流運行造成很高的功耗，損壞器件。當(dāng)最嚴(yán)重的過流情況，短路發(fā)生時，電流很快達到額定電流的4-5倍，此時必須盡快關(guān)斷器件，否則器件將很快損壞。②過電流的處理根據(jù)IGBT的靜態(tài)特性，當(dāng)發(fā)生過流時，VCE會隨電流急劇變大，可以通過檢測VCE的大小來判斷是否過流。當(dāng)檢測到過流發(fā)生時，首先采取降柵壓措施，從圖4.2的靜態(tài)特性曲線可知，柵壓降低以后，電流顯著減小。這樣一方面可以保護器件，另一方面如果確定是短路需要關(guān)閉器件時，不用在相當(dāng)大電流的基礎(chǔ)上執(zhí)行關(guān)斷，反而引入di/dt的問題。當(dāng)降柵壓運行一段時間后（一般是10

），如果電流恢復(fù)正常，可以再加上正常的柵壓。這樣可以有效避免假過流造成的誤保護。但如果電流仍然處于過流的狀態(tài)，可以判斷是短路故障，應(yīng)該馬上對IGBT進行關(guān)斷。此時絕對不能快速關(guān)斷，因為短路時電流非常大，直接關(guān)斷會在線路寄生電感上產(chǎn)生很大的電壓，進而損壞器件。此時應(yīng)該保證電流變化率不會過大，讓柵極電壓緩慢降低關(guān)斷器件。圖圖4.2IGBT特性曲線（2）柵極過壓的保護①柵極過壓原因IGBT大多是工作于感性負(fù)載狀態(tài)，當(dāng)其處于關(guān)斷狀態(tài)，而反并二極管正在反向恢復(fù)過程時，就會有很大的dv/dt加

于CE兩端。由于密勒電容的存在，該dv/dt將在電容上產(chǎn)生瞬間電流，流向柵極驅(qū)動電路。該電流與Rg作用，如果Rg值偏大，使Vge超過IGBT開通門限電壓值，器件就會被誤觸發(fā)導(dǎo)通。

②柵極過壓的處理在柵射間并接入一個柵射電阻可以解決這個問題。另外，為了防止柵極驅(qū)動電路出現(xiàn)高壓尖峰，我們在柵射間并接兩只反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管，其穩(wěn)壓值與正柵壓和負(fù)柵壓相同。這樣可以保證柵射電壓的穩(wěn)定，并且能有效地將密勒電容產(chǎn)生的電流通過柵射電阻釋放，達到柵極過壓保護的目的IGBT應(yīng)用時還需注意在關(guān)斷時在源射極間會有較大的電壓，此時主回路采用軟關(guān)斷技術(shù)，并且在IGBT的源射極間加阻容或其他的吸收緩沖電路。同時在關(guān)斷IGBT的時候du/dt較大，會導(dǎo)致IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)，因此在關(guān)斷的時候要增大柵極電阻RG這樣可以延長關(guān)斷時間，以減小過電壓。電路改進部分如圖4.3所示，在IGBT開通時EXB841的3腳提供+15V電壓，此時，兩個電阻并聯(lián)使Rg值較小，IGBT關(guān)斷的時候，EXB841提供-5V電壓，此時二極管截止，Rg=Rg2，此時Rg值較大，可以增大關(guān)斷時間，減小過電壓。當(dāng)然Rg阻值的增加會加大IGBT的開關(guān)損耗，因此要合理選擇Rg1和Rg2的阻值。圖4.3驅(qū)動電路優(yōu)化部分課程設(shè)計總結(jié)本文在對IGBT器件的驅(qū)動要求進行深入的分析之后，詳細(xì)地研究了EXB841的工作原理,，并且指出了存在的諸如過流保護無自鎖功能等一系列問題，再結(jié)合這些問題設(shè)計了驅(qū)動電路并對其進行了優(yōu)化。經(jīng)實際電路試驗證明，所設(shè)計的電路完全可以對IGBT進行有效的驅(qū)動、控制和過電流保護。經(jīng)過十多天的電力電子課程設(shè)計讓我懂得了很多，也得到了很多的收獲，受益匪淺。不僅僅是在知識方面得到了提升，在交流方面也有了進一步提高。剛剛看到這個課程設(shè)計任務(wù)書時，對這些課程很熟悉卻無從入手，課本上都有提到，但有些不打全面。考慮很久，才確定了課程設(shè)計，那就是“基于集成驅(qū)動電路的IGBT驅(qū)動電路設(shè)計”這個課題時，在復(fù)習(xí)這章節(jié)的同時，也去了圖書館找了很多資料。經(jīng)過幾天的努力，終于有了一個電路圖的基本框架，只帶了一個完整的電路應(yīng)該包含幾部分，各部分之間的連接又應(yīng)該注意什么問題等等。知道了大概的模塊之后，我認(rèn)真地設(shè)計每個模塊，在設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)問題后，可以再加一完善。實在不懂的問題，可以和團隊交流，再者上網(wǎng)查資料。也正因此，我對IGBT驅(qū)動電路有了更深的認(rèn)識和了解，同時，也加強了自己的文件檢索能力，特別是如