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1引言
絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar tramistor，igbt)是mosfet與gtr的復(fù)合器件，因此，它既具有mosfet的工作速度快、開關(guān)頻率高、輸入阻抗高、驅(qū)動電路簡單、熱溫度性好的優(yōu)點，又包含了gtr的載流量大、阻斷電壓高等多項優(yōu)點．是取代gtr的理想開關(guān)器件。igbt目前被廣泛使用的具有自關(guān)斷能力的器件，廣泛應(yīng)用于各類固態(tài)電源中。igbt的工作狀態(tài)直接影響整機的性能，所以合理的驅(qū)動電路對整機顯得很重要，但是如果控制不當(dāng)，它很容易損壞，其中一種就是發(fā)生過流而使igbt損壞，本文主要研究了igbt的驅(qū)動和短路保護(hù)問題，就其工作原理進(jìn)行分析，設(shè)計出具有過流保護(hù)功能的驅(qū)動電路，并進(jìn)行了仿真研究。
2 igbt的驅(qū)動要求和過流保護(hù)分析
1 igbt的驅(qū)動
igbt是電壓型控制器件，為了能使igbt安全可靠地開通和關(guān)斷．其驅(qū)動電路必須滿足以下的條件：
igbt的柵電容比vmosfet大得多，所以要提高其開關(guān)速度，就要有合適的門極正反向偏置電壓和門極串聯(lián)電阻。
(1)門極電壓
任何情況下，開通狀態(tài)的柵極驅(qū)動電壓都不能超過參數(shù)表給出的限定值(一般為20v)，最佳門極正向偏置電壓為15v土10％。這個值足夠令igbt飽和導(dǎo)通；使導(dǎo)通損耗減至最小。雖然門極電壓為零就可使igbt處于截止?fàn)顟B(tài)，但是為了減小關(guān)斷時間，提高igbt的耐壓、dv／dt耐量和抗干擾能力，一般在使igbt處于阻斷狀態(tài)時．可在門極與源極之間加一個-5~-15v的反向電壓。
(2)門極串聯(lián)電阻心
igbt的輸入阻抗高壓達(dá)109~1011，靜態(tài)時不需要直流電流．只需要對輸入電容進(jìn)行充放電的動態(tài)電流。其直流增益可達(dá)108~109，幾乎不消耗功率。為了改善控制脈沖的前后沿陡度和防止振蕩，減少igbt集電極大的電壓尖脈沖，需在柵極串聯(lián)電阻rg，當(dāng)rg增大時，會使igbt的通斷時間延長，能耗增加；而減少rf又會使di／dt增高，可能損壞igbt。因此應(yīng)根據(jù)igbt電流容量和電壓額定值及開關(guān)頻率的不同，選擇合適的rg，一般選心值為幾十歐姆至幾百歐姆。具體選擇rg時．要參考器件的使用手冊。
(3)驅(qū)動功率的要求
igbt的開關(guān)過程要消耗一定的來自驅(qū)動電源的功耗，門極正反向偏置電壓之差為△vge，工作頻率為f，柵極電容為cge，則電源的最少峰值電流為:
驅(qū)動電源的平均功率為:
2 igbt的過流保護(hù)
igbt的過流保護(hù)就是當(dāng)上、下橋臂直通時，電源電壓幾乎全加在了開關(guān)管兩端，此時將產(chǎn)生很大的短路電流，igbt飽和壓降越小，其電流就會越大，從而損壞器件。當(dāng)器件發(fā)生過流時，將短路電流及其關(guān)斷時的i—v運行軌跡限制在igbt的短路安全工作區(qū)，用在損壞器件之前，將igbt關(guān)斷來避免開關(guān)管的損壞。
3 igbt的驅(qū)動和過流保護(hù)電路分析
圖2中，高速光耦6n137實現(xiàn)輸入輸出信號的電氣隔離，能夠達(dá)到很好的電氣隔離，適合高頻應(yīng)用場合。驅(qū)動主電路采用推挽輸出方式，有效地降低了驅(qū)動電路的輸出阻抗，提高了驅(qū)動能力，使之適合于大功率igbt的驅(qū)動，過流保護(hù)電路運用退集電極飽和原理，在發(fā)生過流時及時的關(guān)斷igbt，其中v1．v3．v4構(gòu)成驅(qū)動脈沖放大電路。v1和r5構(gòu)成一個射極跟隨器，該射極跟隨器提供了一個快速的電流源，減少了功率管的開通和關(guān)斷時間。利用集電極退飽和原理，d1、r6、r7和v2構(gòu)成短路信號檢測電路．其中d1采用快速恢復(fù)二極管，為了防止igbt關(guān)斷時其集電極上的高電壓竄入驅(qū)動電路。為了防止靜電使功率器件誤導(dǎo)通，在柵源之間并接雙向穩(wěn)壓管d3和d4。如是igbt的門極串聯(lián)電阻。
正常工作時：
當(dāng)控制電路送來高電平信號時，光耦6n137導(dǎo)通，v1、v2截止，v3導(dǎo)通而v4截止，該驅(qū)動電路向ibgt提供+15v的驅(qū)動開啟電壓，使igbt開通。
當(dāng)控制電路送來低電平信號時，光耦6n137截至，vi、v2導(dǎo)通。v4導(dǎo)通而v3截止，該驅(qū)動電路向ibgt提供-5v的電壓，使igbt關(guān)閉。
當(dāng)過流時：
當(dāng)電路出現(xiàn)短路故障時，上、下橋直通此時+15v的電壓幾乎全加在igbt上．產(chǎn)生很大的電流，此時在短路信號檢測電路中v2截止，a點的電位取決于d1、r6、r7和vces的分壓決定，當(dāng)主電路正常工作時，且igbt導(dǎo)通時，a點保持低電平，從而低于b點電位。所有a1輸出低電平，此時v5截止，而c點為高電平，所以正常工作時。輸入到光耦6n137的信號始終和輸出保持一致。當(dāng)發(fā)生過流時，igbt集電極退飽和，a點電位升高，當(dāng)高于b電位(即是所設(shè)置的電位)時，即是當(dāng)電流超過設(shè)計定值時，a1翻轉(zhuǎn)而輸出高電平，v5導(dǎo)通，從而將c點的電位箝在低電位狀態(tài)，使與門4081始終輸出低電平，即無論控制電路送來是高電平或是低電平，輸人到光耦6n137的信號始終都是低電平，從而關(guān)斷功率管。從而達(dá)到過流保護(hù)。直到將電路的故障排除后，重新啟動電路。
采用電源模塊的優(yōu)點
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目前不同的供應(yīng)商在市場上推出多種不同的電源模塊，而不同產(chǎn)品的輸入電壓、輸
出功率、功能及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等都各不相同。采用電源模塊可以節(jié)省開發(fā)時間，使產(chǎn)品
可以更快推出市場，因此電源模塊比集成式的解決方案優(yōu)勝。電源模塊還有以下多
個優(yōu)點：
•每一模塊可以分別加以嚴(yán)格測試，以確保其高度可靠，其中包括通電測試，以
便剔除不合規(guī)格的產(chǎn)品。相較之下，集成式的解決方案便較難測試，因為整個供
電系統(tǒng)與電路上的其他功能系統(tǒng)緊密聯(lián)系一起。
•不同的供應(yīng)商可以按照現(xiàn)有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計同一大小的模塊，為設(shè)計電源供應(yīng)器
的工程師提供多種不同的選擇。
•每一模塊的設(shè)計及測試都按照標(biāo)準(zhǔn)性能的規(guī)定進(jìn)行，有助減少采用新技術(shù)所承受
的風(fēng)險
•若采用集成式的解決方案，一旦電源供應(yīng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題，便需要將整塊主機板更
換；若采用模塊式的設(shè)計，只要將問題模塊更換便可，這樣有助節(jié)省成本及開發(fā)
時間
經(jīng)常被忽略的電源模塊設(shè)計問題
雖然采用模塊式的設(shè)計有以上的多個優(yōu)點，但模塊式設(shè)計以至板上直流/直流轉(zhuǎn)換器
設(shè)計也有本身的問題，很多人對這些問題認(rèn)識不足，或不給予足夠的重視。以下是
其中的部分問題：
•輸出噪音的測量
•磁力系統(tǒng)的設(shè)計
•同步降壓轉(zhuǎn)換器的擊穿現(xiàn)象
•印刷電路板的可靠性