IGBT驱动与短路保护解析
一、IGBT 简介
IGBT 是一种新型功率器件，兼具电压和电流容量高的优势。其开关速度虽较双极型晶体管快，但略逊于 MOS 管，因此在各类电源领域应用广泛。然而，IGBT 也存在一些不足之处。
二、IGBT 的缺点
集电极电流拖尾问题 ：IGBT 的集电极电流存在一个较长的拖尾现象，导致关断时间相对较长。通常，在关断过程中需要加入负电压以加速关断。
抗 DI/DT 能力差 ：与 MOS 管不同，IGBT 的抗 DI/DT 能力较弱。若在出现较大短路电流时像保护 MOS 管一样快速关断 IGBT，很可能在集电极引发很高的 DI/DT。这会因引脚和回路杂散电感的影响，使 UCE 感应出高电压，进而损坏 IGBT。
三、IGBT 短路保护策略
IGBT 的短路保护主要通过检测 CE 极的饱和压降来实现。当集电极电流过大或发生短路时，IGBT 会退出饱和区，进入放大区。此时，直接快速关断 IGBT 并非明智之举，我们可以通过降低栅极电压的方式来减小集电极电流。这样做既可以延长保护时间的耐量，又能减小集电极的 DI/DT。
若不采取降低栅极电压的措施，不同饱和压降的 IGBT 的短路耐量差异显著：
2V 以下饱和压降的 IGBT 的短路耐量仅有 5μS。
3V 饱和压降的 IGBT 的短路耐量约为 10 - 15μS。
4 - 5V 饱和压降的 IGBT 的短路耐量约为 30μS。
此外，降低栅极电压时，降栅压的时间不宜过快，通常应控制在 2μS 左右。如此一来，集电极电流从很大的短路电流降至过载保护的 1.2 - 1.5 倍所需时间也能得到合理控制。如果在过载保护的延时内短路情况消失，IGBT 可以自动恢复；若短路电流依然超过过载保护电流，则由过载保护电路负责关断 IGBT。
鉴于此，IGBT 的短路保护通常与过载保护协同工作。下面展示一个 TLP250 增加慢降栅压的驱动和短路保护的应用电路图：
在正常工作状态下，因 D2 的导通，ZD1 的负端电位不足以使 ZD1 导通，进而 Q1 截止；同时，D1 的负端为高电平，Q3 也处于截止状态。此时，C1 未充电，两端电位为 0。一旦 IGBT Q3 短路，它将退出饱和状态，集电极电位迅速上升，导致 D2 由导通转为截止。
当驱动信号变为高电平时，ZD1 被击穿，C2 能使 Q1 的开通产生一小段延时。这样，在 Q3 导通时，可以拥有一小段下降时间，有效避免了正常工作时保护电路的误保护。
ZD1 被击穿后，得益于 C2 的存在，Q1 经过短暂延时后导通。随后，C1 开始通过 R4、Q1 充电，D1 的负端电位随之下降。当 D1 的负端电位降至 D1 与 Q3be 结的压降之和时，Q3 开始导通，Q2、Q4 的基极电位下降，Q3 的栅极电压也随之降低。
当 C1 充电至 ZD2 的击穿电压时，ZD2 被击穿，C1 停止充电，降栅压过程结束，栅极电压被钳位在一个固定电平上。此时，Q3 的集电极电流也被降低至一个固定水平。
四、IGBT 过电流保护
IGBT 的过电流保护旨在将短路电流限制在安全工作范围内，防止 IGBT 因过流而损坏。当上下电极同时导通时，电源电压几乎全部施加在开关上，此时高短路电流极易损坏器件。
以下是一种包含隔离光耦和过电流保护的 IGBT 驱动电路：
（一）隔离光耦（6N137）
高速隔离光耦 6N137 实现了输入和输出信号之间的电气隔离，特别适用于高频应用场合。
（二）驱动电路
采用推挽输出配置的驱动电路能够有效降低输出阻抗，增强驱动能力，使其适用于高功率 IGBT 的驱动需求。
（三）过电流保护
过电流保护电路依据集电极饱和原理工作。当过电流发生时，IGBT 将被关闭。该保护机制涉及 V1、V3、V4、D1、R6、R7 和 V2 等组件，它们协同检测和响应过电流条件。此外，电路中还配备有额外的双向电压稳压器（D3 和 D4），用于保护电源器件免受静电放电的损害。
IGBT 的驱动与保护电路设计对于其稳定、安全运行至关重要。通过合理的电路设计与保护策略，可以充分发挥 IGBT 的性能优势，同时有效避免因短路、过流等问题导致的器件损坏，对于提高电力电子系统的可靠性具有重要意义。
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