一种IGBT短路保护驱动电路的优化

赵晓博，刘立群，翟晓宇，吴祥辉，刘　晓

(1.太原科技大学电子信息工程学院，太原 030024；2.国家电网阜阳市城郊供电公司，安徽阜阳 236033)



一种IGBT短路保护驱动电路的优化

赵晓博1，刘立群1，翟晓宇2，吴祥辉1，刘晓1

(1.太原科技大学电子信息工程学院，太原 030024；2.国家电网阜阳市城郊供电公司，安徽阜阳 236033)

摘要：通过对IGBT短路失效原因的分析，提出了防止短路故障时IGBT失效的有效方法。进而对具有短路保护功能的EXB841驱动电路的各部分功能进行了详细地阐述，最后针对EXB系列电路存在的缺陷，给出了改进后的驱动电路。该电路不仅改善了因EXB模块过流保护起控点设置不合理带来的弊端，同时专门设置了延时封锁信号的功能，实现了对IGBT的软关断处理，避免了过流情况下硬关断所造成的危害。这对EXB系列驱动模块的进一步改进具有较大的参考价值。

关键词：IGBT；短路保护；驱动电路；改进

工业化的快速发展使得各个领域对电力电子设备功率等级的要求也越来越高，IGBT作为大功率全桥变换器的理想开关元件，其良好的运行情况对于大功率系统的稳定性显得尤为重要[1-2]。

IGBT是电压控制型大功率电力电子器件，其高输入阻抗使其驱动较为容易，但IGBT的短路电流可以达到其额定电流的6～10倍，如果IGBT在短路发生后持续的时间超过其所能承受的最大短路时限，则会发生锁定性失效。IGBT的驱动已经有了很多成熟的应用，将IGBT的隔离驱动和短路检测保护集成混合集成电路是提高IGBT运行可靠性的一种有效途径。现在流行使用的HR065、EXB841等HIC都具有短路保护的驱动功能，但它们都具有较严重的缺陷。HR065的短路保护可靠性差。EXB841在短路故障的情况下虽然考虑到要缓慢关断IGBT，但仍不能实现封闭保护功能。因而，有必要对其进行优化。本文针对EXB841的缺陷，合理地进行改进，并通过实验验证了优化电路的可行性。

1IGBT短路保护的分析

如图1所示为常见的逆变电源主电路，电压等级为380V的三相交流电首先通过滤波电路输送到由三个桥臂组成的三相全桥整流电路中，然后通过高频滤波电容后再经过全桥逆变电路逆变成交流电，最后通过变压器TI变换成负载所需的电压。

图1　逆变电源主电路

当全桥逆变电路Q1、Q3(或者Q2、Q4)组成的逆变桥上、下桥臂直通或者负载出现短路故障时，开关管因承受太大的电压而使其集电极电流迅速增加，当超过其所能承受的最大电流时就会损坏，因此合理的设计短路保护才能保证IGBT可靠的工作。

在设计短路保护电路时，首先应了解IGBT短路失效的几个主要原因：

1)超过热极限。器件如果短路时间过长，就会引起器件温度的骤升，如果温度超过硅的本征温度(约250 ℃)，IGBT就会失去阻断能力，栅极控制失效。

2)擎住效应。擎住效应分为静态擎住效应和动态擎住效应，静态擎住效应由集电极电流过大产生，动态擎住效应是因为集射电压变化太快。

图2　IGBT等效电路

如图2所示，IGBT体内存在一个NPN晶体管，其基极与发射极之间并联着一个扩展电阻Rbr.当集电极电流增大到一定值时，此扩展电阻产生的正偏置电压就会将NPN晶体管导通，当上下两个晶体管达到饱和状态，门极就会失去控制作用，形成静态擎住效应，随着IGBT集电极电流的继续增大，其过高的功耗将会使器件失效。

IGBT在故障情况下短时间关断的过程中，由于dVCE/dt很大，在扩展电阻Rbr产生的正偏置电压足以将NPN晶体管开通，形成动态擎住效应。

3)瞬时过电流。短路过电流、续流二极管的反向恢复电流、噪声干扰造成的尖峰电流，对于这些瞬时过电流，如果不采取相应措施进行处理，也可能导致IGBT失效。

以上分析可知，减小故障电流是防止短路故障时IGBT失效的有效方法。由文献[6]可知通过降低栅射电压，其短路电流会明显减小，其允许的短路时间也相应地增大。

2EXB841过流保护功能分析

2.1工作原理

EXB841的工作原理如图3所示。

为了防止驱动信号受外部因素的干扰而使IGBT误导通或者误关断，该电路选用TLP550把驱动电路与前级控制电路隔离开。当控制电路使EXB841输入端14和15脚有持续1 μs的大小为10 mA的电流流过时，IGBT导通。此时集射极电压下降到3 V，内部电路C点的电位与EXB841的6脚的电位都被箝制在8 V左右。不足以将稳压值为13 V的稳压管VZ1击穿，所以V3不会导通，E点的电位与脚2的电位相同，其值为20 V，二极管V6截止，V4、V5不受影响。

图3　EXB841工作原理图

当IGBT发生短路时，开关管集电极电流太大而退饱和，集射极的电压迅速上升，进而使V7截止，此时EXB841的6脚“悬空”，C点电位由8 V开始上升，当达到13 V时，稳压管VZ1被击穿，V3导通后，C4通过R7和V3放电，E点的电位开始逐步降低，随后二极管V6导通，3脚的电位也开始逐步下降，最终缓慢地将IGBT关断。

E点由20 V下降到3.6 V所经历的时间可由下列式子求得：

3.6=20e-t/τ1

(1)

τ1=C4R7=2.2×102×22×10-9=4.84 μs

(2)

由公式(1)和公式(2)求得：

t=8.3μs

直到控制信号给EXB841使光耦截止，此时V1、V2导通，C2在V1导通后迅速放电，B点电位的下降使V3截止，20 V电源通过R9、V6给C4充电，E点电压由3.6 V充到19 V所需的时间可由下列式子求得：

19=20(1-e-t/τ3)+3.6e-t/τ2

(3)

τ2=R9C4=2.2×103×22×10-9=48.4 μs

(4)

由公式(3)和公式(4)求得：

t=135 μs

至此，EXB841恢复正常，可以进行正常的驱动。

2.2保护功能分析

由以上分析可知，在IGBT发生短路，EXB841在检测到短路1.5 μs后开始降低VGE，经过大约8 μs的时间缓慢地将IGBT关断。如果短路现象在这期间消失，VGE会逐渐恢复正常值，恢复所需时间由τ2决定，这就避免了保护电路的频繁动作。

然而，EXB模块仍有以下不足：

1)EXB841内部的光耦由稳压管VZ2供电，其1脚与开关管的发射极相连，在IGBT开通和关断的过程中难免会产生浪涌尖峰电压，必然会对稳压管VZ2造成冲击使之损坏，降低整个电路的可靠性。

2)1.5 μs的延时设置不合理。由于E点的充电时间远远大于放电时间，一旦慢关断电路工作，即使短路很快消失，EXB841的3脚输出也很难很快使开关管的栅射极电压恢复到正常值。这样就会降低与本脉冲关断时刻相距143us以内的所有后续脉冲正电平作用的稳定性。

3)过流保护的起控点设置不合理。EXB841主要根据脚6电压的大小来判定是否过流，而6脚电位的高低由开关管集射极电压、V7的导通电压决定。EXB系列一般使用型号为ERA34-10的二极管，其通态管压降为0.5～0.6 V，所以发生过流情况时，而IGBT在额定工作情况下其导通压降为3.5 V，所以在VCE=7.5 V时，流过IGBT的电流已经是额定电流的约2～3倍，这样在严重过流的情况下，即使EXB模块对IGBT进行保护，对其寿命也有不良的影响。

VCE=V6-VD-VE=13-0.5-5=7.5 V

3IGBT短路保护电路的优化

针对以上所述的不足，综合对IGBT驱动的要求以及IGBT开关断特性的考虑，我们对EXB841模块加以优化。其短路保护动作流程如图4所示。

图4　IGBT短路保护动作流程图

优化的电路原理图如图5所示。

图5　EXB841保护电路的优化

为了抑制浪涌尖峰电压对1脚造成的电压冲击，在1脚和9脚之间并联一只瞬态电源抑制二极管(TVS).正常情况下，TVS处于高阻态。当产生浪涌尖峰电压时，TVS发生短路并对浪涌尖峰电压进行吸收。因为功率开关管在静电或者其他外界干扰的情况下很容易误导通，所以需要在门极和发射极之间并接一对双向稳压管VZ3和VZ4，以防止其受到外界的干扰。

在开关管关断过程中由于其内部电感的存在，可能产生较高的感应电压，会对6脚造成冲击而使之损坏，所以在6脚端口接一只稳压管VZ1起到稳压保护的作用。除此之外，为了防止过电压通过电路反向输送给驱动电路，还需要在开关管集电极侧串接一个快恢复二极管V7.在保护电路对短路故障进行保护的过程中，在V7端反接稳压管VZ5，可以减小开关管集射极压降，提高IGBT的使用寿命。从而改善了因EXB模块过流保护起控点设置不合理带来的弊端。

过流情况下，为了实现对IGBT的软关断处理，设置了延时封锁信号功能，它由T1、555定时器、T2和与门4081配合实现。当系统检测到过流信号时，由5脚输出故障信号，然后作用于T1使之截止，经由RC构成的延时电路后作用于LM555，之后555定时器就会触发T2导通，向与门4081输入低电位，光耦在4801输出低电平后关断，驱动电路对输入信号封锁。其延时的时间T可由公式T=1.1×RC求取，在本电路里，我们取R2为10 kΩ，C2为620 pF，求得延时时间约为7 μs.如果短路故障未在7 μs的延时封锁输入信号内消除，对于控制电路给定的输入信号，驱动电路将始终保持封锁状态，此时必须关闭整个系统去排除短路故障。

3结语

通过PROTEUS仿真软件搭建优化的电路，调节信号发生器使之产生33 kHz的脉冲信号，在IGBT门极端放置一电压探针，集电极端放置一电流探针，实时检测其变化。发生短路故障时在设置的1 ms时间内，通过仿真图表绘制电压探针、电流探针随时间变化其变量的变化情况如图6所示。

当负载出现短路故障后，保护电路在约3 μs后开始动作，通过调节使IGBT的门极电压降低，曲线A为IGBT门极的电压变化情况，曲线B为开关管集电极处的电流变化情况。在集电极电流迅速增加时，在允许的过流时间内，随着IGBT栅射极电压的逐渐减小最终将开关管缓慢地关断。

本文对IGBT短路保护进行分析，指出了EXB系列驱动电路的缺陷，并对其加以优化，实验验证了电路的可行性，这对EXB系列驱动模块的进一步改进具有较大的参考价值。

图6　故障情况下门极电位的变化波形

参考文献：

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Improvement of Short-Circuiting Protective Circuit and Driving Circuit for IGBT

ZHAO Xiao-bo1，LIU Li-qun1，ZHAI Xiao-yu2,WU Xiang-hui1，LIU Xiao1

(1.School of Electronic and Information Engineering，Taiyuan University of Science & Technology，Taiyuan 030024，China；2.State Grid Fuyang City Chengjiao Electric Power Supply Company,Anhui Fuyang 236033,China)

Abstract：Though analyzing the cause of losing efficacy when IGBT encounters short circuit fault，an effective way was presented to avoid IGBT to lose efficacy.Then，each part functions of EXB841 drive circuit with short circuit protection function were explained.Later，for the defects of EXB841 drive circuit，an improved drive circuit was provided.Not only the circuit improves the disadvantage that is caused by setting up the starting point of over-circuit protection unreasonably，but also it increases delay block signal function，which is realized to shut off IGBT softly and avoid the damages caused by hard turn-off.It provided a great of reference values to further improve EXB drive circuit.

Key words：IGBT，short-circuiting protection，driving circuit，improve

收稿日期：2015-11-04

基金项目：中国博士后基金(2014T70324；2013M530895)

作者简介：赵晓博(1988-)，男，硕士研究生，主要研究方向为现代电力电子与新能源发电技术。

文章编号：1673-2057(2016)04-0256-04

中图分类号：TM5

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1673-2057.2016.04.002