IGBT驱动电路原理及保护电路

驱动电路的作用是将单片机输出的脉冲进行功率放大，以驱动IGBT.保证IGBT 的可

靠工作，驱动电路起着至关重要的作用，对IGBT驱动电路的基本要求如下：

⑴提供适当的正向和反向输出电压，使IGBT可靠的开通和关断。

(2) 提供足够大的瞬态功率或瞬时 电流，使IGBT能迅速建立栅控电场而导 通。

(3) 尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率。

(4) 足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘。

(5) 具有灵敏的过流保护能力。

第一种驱动电路 EXB841/840

EXB841工作原理如图1,当EXB841的14脚和15脚有10mA的电流流过1us 以

后IGBT正常开通，VCE下降至3V左右，6脚电压被钳制在8V左右，由 于 VS1稳

压值是13V,所以不会被击穿，V3不导十字架的路 通，E点的电位约为20V,二极管 VD,截止，不

影响V4和V5正常工作。

当14脚和15脚无电流流过，则 V1和V2导通，V2的导通使V4截止、V5 导

通，IGBT栅极电荷通过V5迅速放电，引脚3电位下降至0V,是IGBT栅一 射 间承

受5V左右的负偏压，IGBT可靠关断，同时VCE的迅速上升使引脚6悬 空” .C的

放电使得B点电位为0V,则V S1仍然不导通，后续电 路不动作，IGBT 正常关断。

如有过流发生，IGBT的V CE过大使得VD2截止，使得VS1击穿，V3导通，

C4通过R7放电，D点电位下降，从而使IGBT的栅一射间的电压UGE降低 完成

，

慢关断，实现对IGBT的保护。由EXB841实现过流保护的过程可知，EXB841 判定

过电流的主要依据是6脚的电压，6脚的电压不仅与VCE有关，还和二极 管VD2的

导通电压Vd有关。

典型接线方法如图2,使用时注意如下几点：

a IGBT栅-射极驱动回路往返接线不能太长一般应该小于1m）,并且应该 采用

（

双绞线接法，防止干扰。

b、 由于IGBT集电极产生较大的电压尖脉冲，增加IGBT栅极串联电阻RG 有利

于其安全工作。但是栅极电阻RG不能太大也不能太小，如果RG增大，则 开通关断

时间延长，使得开通能耗增加相反，如果RG太小，松子怎么炒 则使得di/dt增加， 容易产生

；

误导通。

c、 图中电容C用来吸收由电源连接阻抗引起的供电电压变化，并不是 电源 的

供电滤波电容，一般取值为47 F.

d、 6脚过电流保护取样信号连接端，通过 快恢复二极管接IGBT集电极。

e、 14、15接驱动信号，一般14脚接脉冲形成部分的地，15脚接输入信号 的

正端，15端的输入电流一般应该小于20mA故在15脚前加限流 电阻。

，

f、 为了保证可靠的关断与导通，在栅射极加稳压二极管。

第二种M57959L/M57962L厚膜驱动电路

M57959L/M57962L厚膜驱动电路采用双电源+15V,-10V)供电，输出负偏压 为-

(

10V,输入输出电平与TTL电平兼容，配有短路/过载保护和封闭性短路保护 功能，同

时具有延时保护特性。其分别适合于驱动 1200V/100A、600V/200A和

1200V/400A、600V/600A 及其以下的 IGBT.M5物理初中 7959L/M57962L 在驱动中小功 率的

IGBT时，驱动效果和各项性能表现优良，但当其工作在高频下时，其脉冲 前后沿变

的较差，即信 号的最大传输宽度受到限制。且厚膜内部采用印刷电路 板设计，散热

不是很好，容易因过热造成内部器件的烧毁。

日本三菱公司的M57959L集成IGBT专用驱动芯片它可以作为 600V/200A或 者

1200V/100A的IGBT驱动。其最高 频率也达40KHz,采用双电源 供电(+15V 和-15V)

输出电流峰值为 吃A,M57959L有以下特点：

20KHZ左右的高频开关 采用光耦实现电器隔离，光耦是快速型的，适合

运行，光耦的原边已串联限流电阻，可将 5V电压直接加到输入 侧。

(2) 如果采用双电源驱动技术，输出负栅压比较高，电源电压的极限值为 +18V/-

15V, —般取 +15V/-10V.

(3) 信号传输延迟时间短，低电平-高电平的传输延时以及高电平-低电平的传 输延

时时间都在1.5卩以下。

⑴

⑷

具有过流保护功能。M57962L通过检测IGBT的饱和压降来判断IGBT 是否过

流，一旦过流，M57962L就会将对IGBT实施软关断，并输出过 流故障 信号。

（5） M57959的内部结构如图所示，这一电路的驱动部分与EXB系列相仿，但

是过流保护方面有所不同。过流检测仍采用电压采样，电路特 点是采用栅压缓 降，

实现IGBT软关断，

避免了关断中过电压和大电流冲击另外，在关断过程中，输入控制信号的状 态

；

失去作用，既保护关 断是在封闭状态中完成的。当保护开始时，立即送出故 障信

号，目的是切断控制信号，包括电路中其它有源器件。

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第三种2SD315A集成驱动模块

集成驱动模块采用+15V单电源供电，内部集成有过流保护电路，其最大的特 点

是具有安全性、智能性与易用性。2SD315A能输出很大的峰 值电流（最大瞬时 输出

电流可达5A），具有很强的驱动能力和很高的隔离电压能力 4000V）

（

。

2SD315A具有两个驱动输出通道，适合于驱 动等级为1200V/1700V极其以上的 两

个单管或一个半桥式的双单元大功率IGBT模块。其中在作为半桥驱动器使用 的时

候，可以很方便地 设置死区时间。

2SD315A内部主要有三大功能模块构成，分别是 LDI（Log IC To Driver In terface,

逻辑驱动转换接口、IGD（Intelligent Gate Driver,智能门极驱动和输入与输出相

））

互绝缘的DC/DC转换器。当外部输入PWM信号后，由LDI进行编码处理，为 保证

信号不受外界条件的 干扰，处理过的信号在进入IGD前需用高频隔离变压 器进行电

气隔离。从隔离变压器另一侧接收到的信号首先在 IGD单元进行解码， 并把圣公方腊 解码后

的PWM信号进行放大5V/5A）以驱动外接大功率IGBT.当智能 门极驱动单元

（

IGD内的过流和短路保护 电路检测到IGBT发生过流和短路故障 时，由封锁时间逻

辑电路和状态确认电路产生相应的 响应时间和封锁时间，并把 此时的状态信号进行

编码送到逻辑控制单 元LDI丄DI单元对传送来的IGBT工

作状态信号进行解码处理，使之在控制回路中得以处理。为防止 2SD315A的两

路输出驱动信号相互干扰由DC/DC转换器提供彼此隔离的 电源供电。

，

SCALE驱动常模

缺

2SD315使用时注意事项：

a工作模式

驱动模块的模式选择端 MOD外接+15V电源，输入引脚RC1和RC2接地，为 直

接工作模式。逻辑控制 电平采用+15V,信号输入管脚InA、InB连 接在一起接 收来

自单片机的 脉冲信号。2SD315A的SO1和SO2两只管脚输出通道的工作 状态。当

MOD接地时，MOD接地。通常半桥模式都是驱动一个直流母线上的 一个桥臂，为

避免上下桥臂直通必须设置死区时间， 在死区时间里两个 管子同 时关断。因此，

RC 1, RC2端子必须根据要求外接RC网络来产生死区时间，死 区时间一般可以从

100n,到几个ms•图中所示的RC 1, RC2分别连接IOk.的电阻和 1OOpF的电容，这

样产生的死区时间大约是 500ns.

b、端口 VL/Ret

这个端子是用来定义具有施密特性质的输入 InA和InB的，使得输入在2/3VL 时开

通，在I/3 VL时作为关断信号。当PWM信号是TTL电平时，该端子连接 如图3-5

所示，当输入InA和InB信号为15V的时候，该端子应该通过一个大 约1K左右的电

阻连接到++15V电源上，这样开启和关 断电压分别应该是lov 和5V.另外，输入

UL/Ret端还有另外的功能：如果其接地，则逻辑驱动接口单 元001内的错误

信息被清除。

C、门极输出端

门极输出Gx端子接电力半导体的门极，当SCALE驱动器用15V供电的时候, 门

极输出土 15V.负的门极电压由驱动器内部产生。使用如图 3-6结构的电路可 以实现

开通和关断的速度的不一样，增加了用户使用的灵活性。

d、布局和布线

驱动器应该尽可能近的和功率半导体放在一起， 这样从驱动器到电力 晶体管的

引线就会尽可能的短，一般来说驱动器的连线尽量不要长 过10厘米。同时一般 要

求到集电极和发射极的引线采用绞合线， 还有可以在IGBT的门极和发射极之 间连

接一对齐纳 稳压二极管15~18V）电脑游戏英语 来保护IGBT不会被击穿。

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Channel 2

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外盘半桥工作模式外围电路

圉

驱动模块的模式选择端 MOD外接+15V电源，输入引脚RC1和RC2接地，为 直

接工作模式。逻辑控制电平采用+15V,信号输入管脚InA、InB连 接在一起接 收来自

单片机的脉冲信号，进行同步控制。2SD315A的SO1和SO2两只管脚外 接三极管

和光耦用来向单片机输出两输出通道的 工作状态，其输出端结构皆为

集电极开路输出，可以通过外接 上拉电阻以适用于各种电平逻辑。在管脚 SO1、

SO2和电源之间，以及VisoX和LSX之间加发光二极管进行故障指示。正常情 况下

SO1和SO2输出皆为高电平，上电后D3和D4先亮，延时几秒后熄灭，同 时D8和

D15发亮。

当检测到故障信号时，SO1和S02的输出电平被拉低到地，即D3和D4发亮, 同

时D8和D15闪烁。2SD315A是通过监测 UCE(sat)来判断回路是否 短路和过 流，

当检测到一路或两路发生过流现象时， 检测电路会把异常状态回馈到驱动模 块，驱

动模块内部会产生一个故障信号并将它 锁存，锁存时间为1s,在这段时间

内，驱动模块不再输出信号，而是将两组IGBT及时关断予以保护。同时，状态 输出

管脚S01和S02的高电平 被拉低，光耦TLP521导通，两路状态信号通过 或门

74LS32送给单片机。为防止因关断速度太快在IGBT的集电极上产生很高 的反电动

势，在 门极输出端采用如图3.11所示的电路结构实现开通和关断速度 的不同。开通

时门极 电阻为3.4 Q,关断时电阻为6.8 0,二极管采用快恢 复型， 这样就使关断速度

下降到安全水平。这是一张缩略图，点击可放大。按住CTRL, 滚动鼠标滚轮可自由缩

放

IGBT短路失效机理

IGBT负载短路下的几种后果

(1) 超过热极限：半导体的本征温度极限为 250，当结温超过本征温度，器 件

E

将丧失阻断能力，IGBT负载短路时，由于短路电流时结温升 高，一旦超过其 热极

限时，门级保护也相应失效。

(2) 电流擎住效应：正常工作电流下，IGBT由于薄层电阻Rs很小，没有电流 擎

住现象，但在短路状态下，由于短路电流很大，当Rs上的压降 高dare 于0.7V时, 使J1

正偏，产生电流擎住，门级便失去电压控制。

(3) 关断过电压：为

了抑制短路电流，当故障发生时，控制电路立即撤去正门 级电压，将IGBT关断，短

路电流相应下降。由于短路电流大， 因此，关断中

电流下降率很高，在布线电感中将感生很高的电压，尤其是在器件内封装引复杂的反义词 线 电 感

上的这种感应电压很难抑制，它将使器件 有过电流变为关断过电压而失效

IGBT过流保护方法

(1)减压法：是指在故障出现时，降低门级电压。由于短路电流比例于外加正 门级

电压Ug1,因此在故障时，可将正门级电压降低。

⑵

切断脉冲方法：由于在过流时，Uce电压升高，我们利用检测集电极电压 的方

法来判断是否过流，如果过流，就切断触发脉冲。同时尽 量采用软关断方

式，缓解短路电流的下降率，避免产生过电压造成对 IGBT的损坏。

单端式关断缓冲吸收电路

RCD

在开关过程中，如果没有缓冲吸收电路的保护，器件容易同时承受高电压大电流，造成

PN

结温度上升，容易损坏。