详解IGBT的驱动电路及短路保护设计

什么是IGBT？

IGBT，中文名字为绝缘栅双极型晶体管，它是由MOSFET（输入级）和PNP晶体管（输出级）复合而成的一种器件，既有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的特点（控制和响应），又有双极型器件饱和压降低而容量大的特点（功率级较为耐用），频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内。

理想等效电路与实际等效电路如图所示：

IGBT的驱动要求

IGBT的驱动要求主要包括以下几个方面：

1.电压要求：IGBT的驱动电压通常在15V到20V之间，具体取决于IGBT的型号和应用场合。驱动电压过高会导致IGBT损坏，而驱动电压过低则可能导致IGBT无法正常开关。

2.电流要求：IGBT的驱动电流通常在几安培到十几安培之间，具体取决于IGBT的型号和应用场合。驱动电流过大会导致IGBT损坏，而驱动电流过小则可能导致IGBT无法正常开关。

3.速度要求：IGBT的驱动速度应该足够快，以确保在实际应用中能够快速响应外部信号的变化。驱动速度过慢可能导致IGBT无法及时开关，从而影响系统的性能。

4.稳定性要求：IGBT的驱动电路应该具有良好的稳定性，以确保在实际应用中能够稳定工作。驱动电路的稳定性不足可能导致IGBT无法正常工作，甚至损坏。

IGBT的过电流保护

IGBT的过电流保护分析

一种包含隔离光耦和过电流保护的IGBT驱动电路，如下图所示。

为了防止IGBT在运行过程中出现过电流现象，通常需要采取一定的过电流保护措施。以下是一些常见的过电流保护方法：

1.采用保险丝或断路器：在IGBT的输入端串联一个保险丝或断路器，当电流超过设定值时，保险丝熔断或断路器断开，从而切断IGBT的输入电源，实现过电流保护。这种方法简单可靠，但可能会导致系统停机。

2.采用热敏电阻：在IGBT的散热器上安装一个热敏电阻，当温度超过设定值时，热敏电阻的阻值发生变化，从而改变IGBT的驱动电压或电流，实现过电流保护。这种方法可以实现自动保护，但可能会影响系统的性能。

3.采用过电流检测电路：通过检测IGBT的输出电流，当电流超过设定值时，通过控制电路切断IGBT的输入电源，实现过电流保护。这种方法可以实现精确的保护，但需要额外的检测电路和控制电路。

4.采用软关断技术：通过控制IGBT的驱动电压和电流，使其在关断过程中逐渐降低，从而实现软关断。这种方法可以减少关断过程中产生的电压和电流冲击，降低过电流的风险。

IGBT的开通过程

在这个阶段，栅极电压逐渐升高，使得MOS管从截止状态转为导通状态。随着电导调制现象，N-基区内部充满了自由载流子（电子和空穴）。这些载流子的注入使得IGBT导通。然而，大功率IGBT器件内部续流二极管的反向恢复过程可能会增加开通损耗，因此这一过程越来越受到工程师们的关注。

IGBT的关断过程

关断过程中，器件栅压由正压降低至0或负栅压。这时，MOS管从反型开通转为空穴堆积，导致电子沟道关断。BJT基极电流消失，电子空穴被逐步建立的空间电荷区抽离体区。随着这个过程的继续，空间电荷区扩展至芯片背面，背面空穴通过复合消失，这被称为拖尾电流。此外，随着载流子寿命控制等技术的应用，IGBT的关断损耗得到了明显改善。