微电机2007年第40卷第4期(总第160期) 中图分类号：TN702 文献标识码：A 文章编号：1001-6848(2007)06．0098．03 一种基于EXB841的IGBT驱动与保护电路设计 (1．中国石油大学，北京100080；2．北京机械工业学院，北京100080) 孙佃升1，白连平2 摘 要：叙述了绝缘栅双极型晶体管IGBT对驱动和保护电路的要求以及设计其驱动和保护电路 时应注意的问题。以EXB841为例，介绍了一种实用的功率IGBT驱动和保护电路。该电路具有 很好的性能。 关键词：IGBT；驱动电路；保护电路；EXB841 Design of Driving and Protecting Circuit for IGBT Applying EXB841 SUN Dian—shen91，BAI Lian—pin92 (1．China University of Petroleum，Beijing 100080，China 2．Beijing Institute of Machinery，Beijing 100080，China) ABSTRACT：This paper introduced the require of driving and protecting circuit for IGBT and the atten— tions to design driving and protecting circuit．It also introduced a practically driving and protecting cir— cuit for power IGBT applying EXB84 1．The capability of the circuit is good and the circuit is applied successfully． KEY WORDS：IGBT；Driving circuit；Protecting circuit；EXB841 O 引 言 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)综合了GTR和 MOSFET的特点，具有输入阻抗高、开关损耗小、 驱动功率小等一系列优点。功率IGBT正13益广泛 地应用于变频电源、斩波器以及交直流电机的调 速系统之中。其驱动和保护电路的性能直接影响 到IGBT性能的发挥和整个系统的可靠，因此，驱 动和保护电路的设计是IGBT应用中的关键。 1功率IGBT对驱动电路的要求 IGBT属电压驱动器件，具有2．5 V一5 V的阈 值电压；当栅极和发射极之间电压(也称栅极电 压)为正时，称为栅极正偏电压+％。，为负时，称 为栅极负偏电压一％。，R。为门极电阻。IGBT的 栅极驱动电路影响其通态压降、开关时间、开关 损耗、承受短路电流的能力及dK。／dt等电路参 数，决定了IGBT的动态及静态特性；当电路发生 故障时，必须采取适当措施保护IGBT。 收稿日期：2006—09-21 —98— 万方数据 1．1栅极驱动电压％。 栅极驱动电压脉冲的上升率和下降率要充分 大，上升沿陡峭栅极正偏电压能使IGBT快速开 通，达到缩短开通时间和减小开通损耗的目的， 同样，下降沿陡峭的栅极负偏电压能够达到快速 关断器件，减小关断损耗的目的。此外，为保证 IGBT正常工作，对栅极电压幅度也有要求。当IG． BT开通后栅极正偏电压应有足够的幅度，以使IG． BT能够适应短时过载，以免其退出饱和区，导致 损坏。但栅极正偏电压的幅值也不能任意大，因 为增大到一定程度后，对IGBT承受短路电流的能 力以及dVG。／dt具有不利影响。实验证明，室温状 态下，60 A／1 200 V以下的IGBT的阈值电压一般 为5 V．6 V，实际应用时应选其1．5-2．5倍，即+ 15 V较合适。在关断IGBT时在栅射极之间施加反 偏电压，有利于管子的快速关断，并抑制擎住现 象的发生，受栅射极之间最大耐压限制，一般取 反偏电压为一5 V。 1．2栅极电阻足G IGBT的输入阻抗高达109—1011 Q，且为纯容 

一种基于EXB841的IGBT驱动与保护电路设计孙佃升 白连平 性的，静态时不需要直流电流，只需要对输入电 容进行充、放电的动态电流。为了改善输入脉冲 的前后沿陡度和防止震荡，需在栅极串联电阻足G。 但足G增大时会延长IGBT通断时间，增加通断损 耗，而减小足G会使di／dt增加，可能引起误导通。 因此，R。应根据开关频率和电流电压额定值选择， 一般为几十至几百欧姆。 1．3栅射电阻露GE 当IGBT集射极问有高压时，很容易受外界干 扰使栅射电压超过％。(th)引起器件误导通。为避 免这类情况发生，可在栅射极并接一电阻，通常 大小为(1 000—5 000)足G，而且放在距离栅射极最 近处为宜。为防止栅射出现电压尖峰，最好在栅 射极间并接2只反向串联的稳压管，其值分别与+ ‰和一％。相等。 2 IGBT保护 2．1过电流和短路保护 图1是IGBT饱和压降与集电极电流之间的关 系。可见，当集电极电流增大时，饱和压降迅速 上升，二者大体成线性关系，可通过检测饱和压 降来判断IGBT是否过流。 l，lO I／5 图1饱和压降与集电极电流的关系 图2栅极电压和IGBT过电流、允许过电流持 续时间的对应关系。从图中可以看到，当栅极电 压减小时，过电流迅速减小，允许过电流持续时 间相应增加。一般情况下，IGBT在过电流开始的 10斗s内允许承受10倍的过电流。因此必须在过流 的瞬间迅速降低栅极电压，但应当在规定的时限 内慢速关断。 2．2 dv／dt保护 当IGBT集射极间电压变化率dv／dt过高时， 可能引起IGBT发生动态锁定效应，甚至可能被击 穿。另外，由于IGBT极问等效电容的存在，dv／dt 过大还可能导致器件误导通。因此应合理设计关 万方数据 断缓冲放电电路，如图3所示。关于图中参数的选 择，请参阅文献[1]。 I|扎 图2栅极电压和过电流、允许过电流持续时间的关系 图3缓冲放电电路 2．3过热保护 为使IGBT正常工作，应考虑其散热问题，配 置合适的散热片，如有必要还可用温度传感器测 量其壳温度，如果高于允许温度，应使主电路跳 闸或关断栅极信号。 3基于EXB841的IGBT驱动与保护 电路设计 EXB系列模块是日本富士公司开发的针对IG． BT的专用混合集成驱动电路。EXB系列有高速型 和标准型。标准型的驱动信号最大延迟为4斗s， 高速型的驱动信号延迟最大为1．5 Ixs。EXB系列 内部有2 500 V的高隔离电压的光耦合器，有过流 保护电路和过流保护信号输出端子。EXB841适合 驱动300 A／1 200 V以下的IGBT。其最高工作频率 为40 kHz，单20 V电源供电，内部产生一5 V的 负偏电压，有过流保护和软关断功能。应用 EXB841可大大简化IGBT驱动和保护电路的设计， 同时也提高了可靠性。 用IGBT构成的电路系统在调试或发生故障 时，往往会出现过流或短路的情况。如果能够设 计可靠的过流(短路)保护电路，就能够避免故障 时器件的损坏。图4是用EXB841构成的IGBT驱 动和保护电路图。 图中EAR34．10是反向恢复时间为150 ns的快 恢复二极管，正向导通压降为3 V。如果采用其他 一99～ 

微电机2007年第40卷第4期(总第160期) 出端Q输出高电平，经过三极管，加到与门上的 电平为低电平，封锁EXB841的输入信号，达到及 时撤出栅极信号、保护IGBT的目的。图4中在RS 触发器的R端加了复位按扭，发生故障时，RS触 发器将Q端输出的高电平锁住，当排除故障后， 可以按动复位按钮，解除对栅极控制信号的封锁。 该电路已投入实际应用，运行稳定可靠。 参考文献 [1] 易映萍．IGBT的驱动与保护[J]．湘潭机电高等专科学校学 报，1996，(1)：53-54． [2]卫三民，李发海．一种大功率IGBT实用驱动及保护电路 图4用EXB841构成的驱动和保护电路 [J]．清华大学学报，2001，41(9)：56-57． 不满足这种性能指标的二极管，将会降低驱动电 路过流保护的速度，造成过流保护的失败。图中 RS触发器采用CD4043构成，与门采用74LS09构 成，TLP52为快速光耦。保护电路部分中，TLP521 的信号延迟时问为2．3个IXS，CD4043的信号延迟 时间最大为几百个ns，而74LS09的信号延迟时间 最大为几十个ns。因此，保护电路在信号响应上 是足够快的。当IGBT发生过流时，EXB841的5 脚电平收高为低，Rs触发器s端变为高电平，输 (上接第94页) 器工作状态不一致，不存在可比性。但从测试电 路图可以看出，采用串联连接的方式时当开关K 断开后，电动机和制动器同样不能构成闭合回路， 同样不存在采用图1所示测试电路的振荡过渡 过程。 3 结语 对于不同的机组，要针对电动机与制动器的 具体参数指标及系统所采用的连接方式进行分析。 当电动机与制动器的电压参数一致时，可以 采用图1所示测试电路，也可以采用图2所示测试 电路(当然，为了节省系统的空间、减小系统的体 积，此种情况存在的可能性不大)。虽然采用图2 [3]施涛昌．功率IGBT的驱动保护及其应用技术[J]．电子技 术，1996，(7)：12—13． [4]李振民，刘事明，张锐．IGBT驱动及短路电路保护研究 [J]．电测与仪表，2002，(6)：4849． [5] 林力，武和雷．IGBT逆变器的驱动与新型保护电路设计 [J]．实验室研究与探索，2000，(6)：55-56． 作者简介：白连平，男，博士生，现为教授，硕士生导师， 从事电子技术研究。 孙佃升(1980一)，男，硕士研究生，从事电子技术研究。 测试电路测得的结果较小，但采用图1所示的测试 电路所测得的结果更能真实地反映系统中机组的 制动时间。 当电动机与制动器的电压参数不一致时，而 系统中电动机和制动器又采用的是并联连接的方 式，只能采用图2所示测试电路，所测得的结果就 是系统中机组制动时间的真实反映。 当系统中电动机和制动器采用的是串联连接 的方式，只能采用图3所示测试电路，所测得的结 果也是系统中机组制动时间的真实反映。 作者简介：米永存(1973～)，男，工程师，主要从事微特直 流电机的设计、研发。 ．--——100．—·—— 万方数据 

一种基于EXB841的IGBT驱动与保护电路设计 作者： 孙佃升， 白连平， SUN Dian-sheng， BAI Lian-ping 作者单位： 孙佃升,SUN Dian-sheng(中国石油大学,北京,100080)， 白连平,BAI Lian-ping(北京机械 工业学院,北京,100080) 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 微电机 MICROMOTORS 2007，40(6) 1次 引用次数： 参考文献(5条) 1.易映萍 IGBT的驱动与保护 1996(1) 2.卫三民.李发海 一种大功率IGBT实用驱动及保护电路[期刊论文]-清华大学学报(自然科学版) 2001(9) 3.施涛昌 功率IGBT的驱动保护及其应用技术 1996(7) 4.李振民.刘事明.张锐 IGBT驱动及短路保护电路研究[期刊论文]-电测与仪表 2002(6) 5.林力.武和雷 IGBT逆变器的驱动与新型保护电路设计[期刊论文]-实验室研究与探索 2000(6) 相似文献(10条) 1.期刊论文 马俊兴.孙汉卿.MA Jun-xing.SUN Han-qing IGBT短路保护的驱动电路的设计 -通信技术2009,42(11) IGBT(绝缘栅双极型晶体管)在现代电力电子技术中得到越来越广泛的应用.文中主要对绝缘栅双极型晶体管的驱动和短路保护电路进行了研究.首先 谈论了IGBT的驱动电路的基本要求和短路保护分析,然后运用IGBT集电极退饱和原理,提供了一个采用分立元件构成的IGBT具有短路保护功能的驱动电路 .理论分析和实验结果证明了所设计驱动电路的可行性,而且该电路简单实用,可靠性高. 2.期刊论文 付永生.FU Yong-sheng IGBT栅极驱动电路的特性分析和应用 -电气开关2005,43(4) 详细叙述了功率绝缘栅双极型晶体管IGBT 对驱动电路的特殊要求以及设计驱动电路应该考虑的问题,概述了IGBT驱动电路的常用类型,并给出了几个 具有实用意义的典型电路. 3.期刊论文 丁金龙.高超.闫志平.安东华 IGBT的光纤隔离驱动技术在中压大功率SRD中的应用 -电气传动 2010,40(1) 在中压大功率SRD中,为了增强IGBT驱动电路的抗干扰能力,引入光纤隔离驱动技术,对驱动电路的控制信号和驱动信号进行光电隔离.介绍了中压大功 率SRD驱动电路中的收发器、发送方式及光纤元件的选用原则,通过在系统中的具体应用、性能检测、型式试验等证明,IGBT的光纤隔离驱动技术能有效防 止驱动电路干扰问题,提高中压大功率SRD的工作可靠性. 4.期刊论文 付永生.FU Yong-sheng IGBT栅极驱动电路的特性分析和应用 -河南纺织高等专科学校学报2004,16(4) 分析了功率绝缘栅双极性晶体管IGBT 对驱动电路的特殊要求以及设计驱动电路应该考虑的问题,概述了IGBT驱动电路的常用类型,并给出了几个具有 实用意义的典型电路. 5.学位论文 廖天明 适用于高速、大容量的有源电力滤波器IGBT驱动电路的研制 2005 本文在对有源电力滤波器主回路开关器件IGBT的基本结构和特性深入了解分析的基础上，对有源电力滤波器主回路的驱动和保护电路的要求以及电 路中各参数对驱动保护性能的影响进行了分析。之后，设计了一较完整的针对有源电力滤波器主回路单IGBT的驱动保护电路。在详细计算了其节点工作 电压以及保护延时等重要参数，并分析了其驱动、保护工作原理之后，用OrCAD Pspice A/D进行了正常、故障等多种情况下的仿真，进一步证实了设计 的灵活性和可靠性。 最后，基于以上单片IGBT驱动保护电路的分析和仿真，完成了适合主回路的多IGBT驱动保护电路板的个子功能模块设计—IGBT驱动模块，保护模块（过 流保护、零电压检测、死区保护等），CPLD集中逻辑控制模块，工作状态指示模块。制作了实用的电路板，并给出了调试波形。实验证明，该驱动板有 着良好的驱动和保护性能，完全能够满足有源电力滤波器主电路的驱动保护要求。 6.期刊论文 甄任贺.ZHEN Renhe 负载波动下IGBT损坏分析及驱动电路优化设计 -电力自动化设备2008,28(4) 通过对变频控制系统的4种常用驱动电路的工作特点进行分析,并从维修的角度总结了这些驱动电路的工作可靠性,结论是可靠性比较高的变频器的驱 动电路能有效地隔离输出级对控制级的影响并能有效地吸收栅极的各种干扰信号.对IGBT建立了工作模型进行分析,认为当电机负载波动时,冲击电压会在 IGBT栅极产生振荡电压信号,该电压信号能使本该截止的IGBT导通,结果造成上下桥的IGBT直通,导致IGBT损坏;提出优化的IGBT驱动电路结构,设计了一种 可靠的驱动电路方案,通过实际使用证明,该驱动电路具有结构简单、运行可靠等优点. 7.期刊论文 王方.党怀东.杨有涛.张婉 一种用于大功率IGBT的驱动电路 -电气传动自动化2010,32(1) 对大功率 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)的开关特性、驱动波形、驱动功率、布线等方面进行了分析和讨论,介 绍了一种用于大功率 IGBT 的驱动电路. 8.期刊论文 何秀华.杨景红.HE Xiuhua.YANG Jinghong 大功率IGBT驱动电路的设计 -电子工程师2008,34(9) 大功率IGBT(绝缘栅双极晶体管)在现代雷达发射机,特别是全固态调制器、高压开关电源中得到广泛应用.其驱动电路要求驱动能力强、保护迅速有 效.介绍了互感器触发方式的大功率IGBT驱动电路的设计.该电路具有输出电阻低、电流增益高等优点,并具备快速过流检测和保护功能,解决了IGBT高低 电位隔离以及多个IGBT同步驱动问题.实验表明,该驱动电路不仅满足设计要求,而且工作稳定可靠,通用性强,可广泛应用于全固态调制器和高压开关电源 . 9.期刊论文 冯国雨.姜斌.杨志刚.刘晓论.田丰君.FENG Guo-yu.JIANG Bin.YANG Zhi-gang.LIU Xiao-lun.TIAN Feng-jun 半桥逆变IGBT模块压电驱动与保护电路设计 -电源技术2009,33(8) 介绍了半桥逆变电路的工作方式,探讨了IGBT静态特性及动态开关过程,对正常工作和过流故障时的原理进行了分析,给出了IGBT驱动和保护的详细电 

路.三菱公司CT60AM设计的实际电路已在某研究所大功率并联多余度逆变电源上可靠运行.应用表明该驱动及保护电路结构简单,抗干扰能力强,证明了该 方案的合理性、可靠性. 10.学位论文 查申森 基于混合式断路器的IGBT驱动保护与串并联技术研究 2006 混合式电力电子断路器在传统机械式断路器的基础上利用电力电子器件构建电力电子换流装置，可以有效提高机械式断路器的开关速度和使用寿命 。本文主要讨论了混合式断路器中电力电子换流装置的相关技术，即绝缘栅双极晶体管(IGBT)驱动保护与串并联技术。全文共分六章。 第一章绪论中，首先叙述了混合式电力电子断路器提出的背景和意义，然后介绍了。IGBT驱动保护与串并联技术的研究现状，最后指出本文主要研 究的内容。 第二章对混合式断路器及其关键部件作了简介。讨论了混合式断路器的拓扑结构和工作原理，对IGBT的基本结构、工作原理、基本特性、擎住效应 及安全工作区进行了分析。 第三章介绍了IGBT驱动与保护电路的设计。在驱动技术中介绍了IGBT驱动电路的基本条件、特殊要求以及分类，重点分析与比较了基于混合式断路 器设计与改进的EXB841驱动电路和M57962AL驱动电路。在保护技术中提出了一种新型IGBT缓冲电路和一种由CPLD逻辑控制单元构成的数字式过流保护自 锁电路。 第四章讨论了IGBT串联均压技术。运用仿真和实验手段对影响IGBT串联动、静态均压的因素进行了研究，分析了串联均压措施，提出了一种闭环控 制均压电路，并对其在交、直流两种供电条件下的工作情况进行了详细分析。 第五章讨论了IGBT并联均流技术。对影响IGBT并联动、静态均流的因素进行了仿真分析，提出了均流措施，并对栅极驱动信号补偿电路的工作原理 进行了理论分析和仿真。 第六章结论，总结了全文的工作，并对本文的后续工作进行了展望。 引证文献(1条) 1.朱连成.王琳.宁春明.刁嫣妲 基于EXB841的IGBT驱动保护电路的设计[期刊论文]-辽宁科技大学学报 2008(01) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_wdj200706028.aspx 下载时间：2010年5月10日