I.什么是IGBT？

絕緣柵雙極晶體管（以下簡稱IGBT）是一種復合半導體器件，融合了MOSFET的快速開關能力、高頻操作、高輸入阻抗、簡單的驅動電路和有利的熱特性等優點，同時還具備了GTR的大電流承載能力和高阻擋電壓等優勢。因此，IGBT是一種理想的開關器件，可以替代GTR，廣泛應用于各種需要具備關閉能力的應用領域，如各種固態電源供應系統。

然而，對于IGBT，必須采用合理的驅動電路，因為不當的控制可能導致損壞，包括由于過電流而導致的IGBT故障，這可能會對整個系統的性能產生不利影響。因此，本文主要討論了IGBT的驅動和短路保護，基于對其工作原理的分析，然后設計并模擬了驅動電路的過電流保護。

II.IGBT的驅動要求

IGBT是一種電壓控制型器件，為了確保其安全可靠地開啟和關閉，驅動電路必須滿足以下條件。值得注意的是，IGBT的柵極電容遠遠大于MOSFET的柵極電容，因此需要適當的柵極偏壓電壓和柵極串聯電阻來增加開關速度。

1.柵極電壓：在開啟狀態下，柵極驅動電壓不能超過參數表規定的限制值（通常為20V），而最佳的柵極正向偏壓電壓為15V±1.5V。這個電壓水平可以讓IGBT達到飽和狀態，從而最小化導通損耗。在關閉狀態下，當IGBT處于阻斷狀態時，可以在柵極和源極之間添加-5~-15V的反向電壓，以減小關斷時間，提高IGBT的阻擋能力和抗干擾能力。

2.柵極串聯電阻（RG）：選擇適當的柵極串聯電阻（RG）對IGBT的驅動至關重要。RG影響開關損耗，主要與輸入電容充放電的動態電流變化有關。由于IGBT的輸入阻抗在10^9到10^11之間，因此直流增益可以達到10^8到10^9，幾乎沒有任何功耗。根據電流和電壓額定值以及開關頻率，通常選擇從幾十歐姆到幾百歐姆的適當RG值，建議參考設備手冊以獲取更具體的RG值。

3.驅動電源的要求：IGBT的開關過程會消耗來自驅動電源的一定功率。功耗取決于諸如柵極電壓差、工作頻率、柵極電容和電源的最小峰值電流等參數。

III.IGBT的過電流保護

IGBT的過電流保護是為了限制短路電流，將其控制在安全工作范圍內，以防止IGBT損壞。當上下電極同時導通時，電源電壓幾乎完全施加在開關上。在這種情況下，高短路電流可能導致器件損壞。

IGBT的過電流保護分析

一種包含隔離光耦和過電流保護的IGBT驅動電路，如下圖所示。

1.隔離光耦（6N137）：高速隔離光耦6N137確保了輸入和輸出信號之間的電氣隔離，適用于高頻應用。

2.驅動電路：采用推挽輸出配置，主要驅動電路降低輸出阻抗，增強了驅動能力，適用于高功率IGBT的驅動。

3.過電流保護：過電流保護電路依賴于集電極飽和。當發生過電流時，IGBT被關閉。此保護機制涉及到組件，如V1、V3、V4、D1、R6、R7和V2，它們共同檢測和響應過電流條件。

額外的雙向電壓穩壓器（D3和D4）用于保護電源器件免受靜電放電。

IV.模擬和實驗

高電平（15V）和低電平（-5V）方波信號被應用為驅動電路的輸入。IGBT的輸出波形如下圖所示。

總之，所提出的IGBT驅動電路確保為IGBT提供適當的驅動電壓（-5V和+15V），以確保IGBT的順暢開關。該電路包含過電流保護機制，以防止IGBT在過電流事件中損壞。它具備多功能性、根據負載動態調整最大電流的能力，以及通過采用離散元件降低整個系統成本的特點，使其成為各種應用的理想選擇。