IGBT
IGBT是一种非常重要的电力电子器件。它不仅具有功率MOSFET的低驱动功率和高开关频率的优点，而且具有大功率晶体管低导通电压和高导通电流的优点。它可以在任何时间关断导通电流，避免了普通晶闸管只能在半波内关断的缺点。它是电力电子领域很有前途的大功率半导体器件。
IGBT又称绝缘栅双极晶体管，是电力半导体器件第三次技术革命的代表产品。广泛应用于轨道交通、航天、船舶驱动、智能电网、新能源、交流变频、风力发电、电机驱动、汽车等行业。它自创立以来已经有大约30年了。它实现了12英寸的硅片和6500伏的高电平。
简单易懂的IGBT驱动电路
IGBT目前被广泛使用的高功率开关，广泛应用于各行业的电子器件中。IGBT的工作状态直接影响电子产品的性能，IGBT驱动电路对整个系统显得很重要，为避免IGBT发生常见的过流而使IGBT损坏问题，本文主要研究了IGBT的驱动和短路保护问题，就其工作原理进行分析，设计出具有过流保护功能的驱动电路。
IGBT驱动电路图如下:
图1 IGBT驱动电路图
本IGBT驱动电路具有的作用
(1)该驱动电路能够为IGBT提供+15v和-5V驱动电压确保IGBT的开通和关断。
(2)具有过流保护功能，当过流时，保护电路起作用，及时的关断IGBT，防止IGBT损坏。
(3)本电路的可根据负载的需要动态调节最大电流，可以有很广的使用范围。
(4)本驱动电路采用分立元件组成驱动电路，降低整个系统的成本。
IGBT驱动电路功能详解
图1中，高速光耦6N137实现输入输出信号的电气隔离，能够达到很好的电气隔离，适合高频应用场合。驱动主电路采用推挽输出方式，有效地降低了驱动电路的输出阻抗，提高了驱动能力，使之适合于大功率IGBT的驱动，过流保护电路运用退集电极饱和原理，在发生过流时及时的关断IGBT，其中V1.V3.V4构成驱动脉冲放大电路。V1和R5构成一个射极跟随器，该射极跟随器提供了一个快速的电流源，减少了功率管的开通和关断时间。利用集电极退饱和原理，D1、R6、R7和V2构成短路信号检测电路.其中D1采用快速恢复二极管，为了防止IGBT关断时其集电极上的高电压窜入驱动电路。为了防止静电使功率器件误导通，在栅源之间并接双向稳压管D3和D4。如是IGBT的门极串联电阻。
正常工作时:
当控制电路送来高电平信号时，光耦6N137导通，V1、V2截止，V3导通而V4截止，该驱动电路向IBGT提供+15V的驱动开启电压，使IGBT开通。
当控制电路送来低电平信号时，光耦6N137截至，VI、V2导通。V4导通而v3截止，该驱动电路向IBGT提供-5v的电压，使IGBT关闭。
当过流时:
当电路出现短路故障时，上、下桥直通此时+15V的电压几乎全加在IGBT上.产生很大的电流，此时在短路信号检测电路中v2截止，A点的电位取决于D1、R6、R7和Vces的分压决定，当主电路正常工作时，且IGBT导通时，A点保持低电平，从而低于B点电位。所有A1输出低电平，此时V5截止，而c点为高电平，所以正常工作时。输入到光耦6N137的信号始终和输出保持一致。当发生过流时，IGBT集电极退饱和，A点电位升高，当高于B电位(即是所设置的电位)时，即是当电流超过设计定值时，A1翻转而输出高电平，V5导通，从而将C点的电位箝在低电位状态，使与门4081始终输出低电平，即无论控制电路送来是高电平或是低电平，输人到光耦6N137的信号始终都是低电平，从而关断功率管。从而达到过流保护。直到将电路的故障排除后，重新启动电路。
IGBT驱动电路设计过程:
IGBT是电压型控制器件，为了能使IGBT安全可靠地开通和关断.其驱动电路必须满足以下的条件:
IGBT的栅电容比VMOSFET大得多，所以要提高其开关速度，就要有合适的门极正反向偏置电压和门极串联电阻。
(1)门极电压
任何情况下，开通状态的栅极驱动电压都不能超过参数表给出的限定值(一般为20v)，最佳门极正向偏置电压为15v土10%。这个值足够令IGBT饱和导通;使导通损耗减至最小。虽然门极电压为零就可使IGBT处于截止状态，但是为了减小关断时间，提高IGBT的耐压、dv/dt耐量和抗干扰能力，一般在使IGBT处于阻断状态时.可在门极与源极之间加一个-5~-15v的反向电压。
(2)门极串联电阻心
选择合适的门极串联电阻Rg对IGBT的驱动相当重要，Rg对开关损耗的影响见图2。
图2:Rg对开关损耗的影响
IGBT的输入阻抗高压达109~1011，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。其直流增益可达108~109，几乎不消耗功率。为了改善控制脉冲的前后沿陡度和防止振荡，减少IGBT集电极大的电压尖脉冲，需在栅极串联电阻Rg，当Rg增大时，会使IGBT的通断时间延长，能耗增加;而减少RF又会使di/dt增高，可能损坏IGBT。因此应根据IGBT电流容量和电压额定值及开关频率的不同，选择合适的Rg，一般选心值为几十欧姆至几百欧姆。具体选择Rg时.要参考器件的使用手册。
(3)驱动功率的要求
IGBT的开关过程要消耗一定的来自驱动电源的功耗，门极正反向偏置电压之差为△Vge，工作频率为f，栅极电容为Cge，则
电源的最少峰值电流为:
驱动电源的平均功率为:
(4)驱动电路须具有保护功能
IGBT的过流保护就是当上、下桥臂直通时，电源电压几乎全加在了开关管两端，此时将产生很大的短路电流，IGBT饱和压降越小，其电流就会越大，从而损坏器件。当器件发生过流时，将短路电流及其关断时的I—V运行轨迹限制在IGBT的短路安全工作区，用在损坏器件之前，将IGBT关断来避免开关管的损坏。
IGBT驱动电路仿真实验:
本IGBT驱动电路在orCAD软件的仿真图形如下:
向驱动电路输入，高电平为+15v，低电平为-5v的方波信号。IGBT的输出波形如图3所示:
图3:IGBT输出信号波形图
根据前面的原理和分析，该电路的实际电路输出波形如图4所示:
图4 实际电路输出波形
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