1引言

在我們研制的30kVA逆變電源中，最容易損壞的部件是組成逆變橋的IGBT，和其它電力電子器件相比，IGBT雖然具有電流容量大、驅動功率小、開關頻率高等優(yōu)點，但要用好IGBT，使其不受損壞并不容易。IGBT的驅動與保護問題是逆變電源能否可靠工作的基礎和關鍵。本文就30kVA逆變電源裝置中IGBT的驅動與保護技術進行敘述。

2IGBT的驅動

2.1IGBT對柵極驅動電路" title="驅動電路">驅動電路的要求

（1）柵極驅動電壓

驅動電路提供的正偏壓＋UGE使IGBT導通。增大正偏壓對減小開通損耗和導通損耗有利，但也會使IGBT承受短路電流的時間變短，續(xù)流二極管反向恢復過電壓" title="過電壓">過電壓增大。因此正偏壓要適當，通常為＋15V。為了保證IGBT在C－E間出現(xiàn)dv/dt噪聲時可靠關斷" title="關斷">關斷，關斷時必須在柵極施加負偏壓，采用負偏壓還可以減小關斷損耗，負偏壓?。?V左右為宜。

（2）柵極串聯(lián)電阻Rg

IGBT的開通和關斷是通過柵極電路的充放電來實現(xiàn)的，因此柵極電阻對IGBT的動態(tài)特性影響極大，減小Rg使開關時間和開關損耗減小，減小關斷時dv/dt噪聲帶來誤導通的可能性，提高IGBT的短路耐量，但會增加續(xù)流二極管反向恢復過電壓，使EMI也增大。對于1200V/400A的IGBT，Rg取2Ω比較合適。

（3）驅動電路的電源

驅動電路的電源應穩(wěn)定，能提供足夠高的正負柵壓，電源應有足夠的功率，以滿足柵極對驅動功率的要求。在大電流應用場合，每個柵極驅動電路最好都采用獨立的分立絕緣電源。驅動電路的電源和控制電路的電源應獨立，以減小相互間的干擾，推薦使用帶多路輸出的開關電源作為驅動電路電源。

2.2三菱驅動模塊M57962L簡介

在我們的逆變電源裝置中，使用了日本三菱公司的驅動模塊M57962L。M57962L是N溝道大功率IGBT模塊的驅動電路，能驅動600V/400A和1200V/400A的IGBT，M57962L的原理方框圖如圖1所示，它有以下幾個特點：

（1）采用光耦實現(xiàn)電氣隔離，光耦是快速型的，適合20kHz左右的高頻開關運行，光耦的原邊已串聯(lián)限流電阻（約185Ω），可將5V的電壓直接加到輸入側；

圖1M579621L的原理框圖

（2）如果采用雙電源驅動技術，使輸出負柵壓比較高。電源電壓的極限值為＋18V/－15V，一般?。?5V/－10V；

（3）信號傳輸延遲時間短，低電平－高電平的傳輸延遲時間以及高電平－低電平的傳輸延遲時間都在1.5μs以下；

（4）具有過流" title="過流">過流保護功能。M57962L通過檢測IGBT的飽和壓降來判斷IGBT是否過流，一旦過流，M57962L將對IGBT實施軟關斷，并輸出過流故障信號。

　　M57962L的典型應用實例如圖2所示。

3IGBT的保護

圖2M579621L的典型應用實例

IGBT損壞的原因可以歸結為以下3個方面：

過熱損壞，它又分為由于集電極" title="集電極">集電極電流過大引起的瞬時過熱損壞和其它原因引起的持續(xù)過熱損壞；

集電極發(fā)射極間過壓損壞；

柵極過壓損壞。

因此IGBT的保護要從以下4個方面著手：

集電極發(fā)射極間過電壓保護；

柵極過電壓保護；

過流保護；

過熱保護。

3.1集電極、發(fā)射極間過電壓保護

IGBT的集電極發(fā)射極間產(chǎn)生過電壓的類型有兩類，即IGBT關斷過電壓和續(xù)流二極管反向恢復過電壓。安裝緩沖電路是抑制集電極、發(fā)射極間過電壓的有效措施。緩沖電路之所以能減小IGBT集電極發(fā)射極間的過電壓，是因為它給回路電感提供了泄能回路，降低了回路電感上電流的變化率。30kVA逆變電源中所采用的緩沖電路如圖3所示。

圖3所示電路中采用以下3種器件及電路：

圖3緩沖電路

（1）金屬氧化物壓敏電阻（Rrl～Rr5）

金屬氧化物壓敏電阻是一種良好的電壓尖峰抑制器件，它的響應時間為ns級，能抑制寬度很窄的尖峰電壓，金屬氧化物壓敏電阻具有通流容量大（500A～5000A），平均漏電流?。◣?mu;A），使用電壓范圍廣（30V～1500V），體積小、可靠性高且價格便宜等特點。但它能抑制的尖峰電壓寬度不能過大，否則壓敏電阻將會因功耗過大而燒壞。

（2）并在直流母線上的無感電容。

（3）由R，C，VD組成的放電阻止型緩沖電路，在放電阻止型緩沖電路中，要選擇高頻特性好的無感電容器作為緩沖電容，要選擇過渡正向電壓低，反向恢復時間短，反向恢復特性軟的二極管作為緩沖二極管，緩沖二極管的反向耐壓及峰值正向電流要與IGBT的額定電壓及額定電流相當。

圖4柵極過壓保護電路

3.2柵極過電壓保護

IGBT的柵極出現(xiàn)過電壓的原因有兩個：

（1）靜電聚積在柵極電容上引起過壓；

（2）密勒效應引起的柵極過壓，柵極過壓保護電路如圖4所示。

3.3過電流保護

圖5集中過電流保護" title="過電流保護">過電流保護框圖

在逆變電源的負載過大或輸出短路的情況下，會造成IGBT因過流而損壞。在30kVA逆變電源中，采用集中過電流保護與分散過電流保護相結合的過流保護策略，所謂集中過電流保護，就是通過檢測逆變橋輸入直流母線上的電流，當該電流值超過設定的閾值時，封鎖所有橋臂IGBT的驅動信號；分散過電流保護是通過檢測逆變橋各個橋臂上的電流，當該電流超過設定的閾值時，封鎖該橋臂IGBT的驅動信號，采取雙重過電流保護使裝置的可靠性大大提高。

（1）集中過電流保護

圖6分散過電流保護電路原理圖

圖5所示為集中過電流保護的原理圖

電流檢測點放在直流側，檢測元件采用日本HINODE公司的直測式霍爾效應電流傳感器HAP8－200/4，用以檢測直流側電壓的瞬時值。HAP8－200/4需要±15V的供電電源，額定電流為±200A，飽和電流在450A以上，額定輸出電壓為±4V，di/dt響應時間在10μs以下。在正常情況下，集中過電流保護電路的輸出OC為高電平，一旦直流母線電流超過設定的閾值，比較器LM311的輸出狀態(tài)將由高電平變?yōu)榈碗娖剑?jīng)過R2，C2的延遲，OC將由高電平變?yōu)榈碗娖?，這個低電平的信號將使封鎖電路動作，封鎖逆變橋所有IGBT的驅動信號。R2C2組成的延遲電路是為防止封鎖電路誤動作而采取的抗干擾措施。

（2）分散過電流保護

圖6所示為分散過電流保護的原理圖。我們知道，當柵極驅動電壓不變時，IGBT的飽和壓降UCE（sat），將隨著集電極電流Ic的增大而增大，通過查閱三菱1200VIGBT的產(chǎn)品手冊可知，UCE（sat）與Ic的關系可由如下經(jīng)驗公式表示出來：其中Iced為IGBT的額定電流。

因此通過監(jiān)測UCE（sat），就可以判斷IGBT是否過流。在圖6中，M57962L通過快恢復二級管VD1及穩(wěn)壓管VZ來監(jiān)測UCE（sat），當M57962L輸入側光耦導通后，并且當UAE=UCE（sat）＋UVD1＋UVZ超過閾值UAE＊后，將開始軟關斷，M57962L的輸出電壓將從正柵壓逐漸下降到負柵壓。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，當VEE=10V，VCC=15V時，閾值UAE＊=9.5V，并且當VEE不變時，VCC每增加1V，UAE＊也將加1V?？梢钥闯?，改變穩(wěn)壓管VZ的穩(wěn)壓值可以改變分散過流閾值。在實際裝置中，VCC=15V，VEE=10V，VD為ERA34－10，其管壓降為0.5V，UVZ=5V，這樣分散過流保護的電流閾值為3倍的額定電流。

3.4過熱保護

IGBT過熱的原因可能是驅動波形不好或電流過大或開關頻率太高，也可能由于散熱狀況不良?？梢岳脺囟葌鞲衅鳈z測IGBT的散熱器溫度，當超過允許溫度時使主電路停止工作。

4結語

本文介紹IGBT的驅動電路M57962L和逆變電源中IGBT的過壓，柵極過壓，過流、過熱保護措施，所介紹的驅動與保護技術及其實現(xiàn)電路，已成功地應用于我們所研制的30kVA正弦波逆變電源裝置中，由于該電源具有良好的驅動和可靠的保護措施，即使在輸出直接短路的情況下，仍能保證IGBT不損壞，從而確保電源整機工作的可靠性。