H橋電路中IGBT管子驅(qū)動(dòng)以及保護(hù)機(jī)制

大家都知道，IGBT單管相當(dāng)?shù)拇嗳酰瑯?a href="http://srfitnesspt.com/tags/電流/" target="_blank">電流容量的IGBT單管，比同樣電流容量的MOSFET脆弱多了，也就是說，在逆變H橋里頭，MOSFET上去沒有問題，但是IGBT上去，可能開機(jī)帶載就炸了。這一點(diǎn)很多人估計(jì)都深有體會。當(dāng)時(shí)我看到做魚機(jī)的哥們用FGH25N120AND這個(gè)，反映很容易就燒了，當(dāng)時(shí)不以為然。

只到我在工作中遇到，一定要使用IGBT的時(shí)候，我才發(fā)現(xiàn)我錯(cuò)了，當(dāng)初我非常天真的認(rèn)為，一個(gè)IRFP460，20A/500V的MOSFET，我用個(gè)SGH40N60UFD40A/600V的IGBT上去怎么樣也不會炸的吧，實(shí)際情況卻是，帶載之后，突然加負(fù)載和撤銷負(fù)載，幾次下來就炸了，我以為是電路沒有焊接好，然后同樣的換上去，照樣炸掉，這樣白白浪費(fèi)了好多IGBT。

后來發(fā)現(xiàn)一些規(guī)律，就是采用峰值電流保護(hù)的措施就能讓IGBT不會炸，下面我就會將這些東西一起詳細(xì)的說一說，說的不好請大家見諒。

我們將這個(gè)問題看出幾個(gè)部分來解決：

1，驅(qū)動(dòng)電路;

2，電流采集電流;

3，保護(hù)機(jī)制;

一、驅(qū)動(dòng)電路

這次采用的IGBT為IXYS的，IXGH48N60B3D1，詳細(xì)規(guī)格書如下：IXGH48N60B3D1

驅(qū)動(dòng)電路如下：

這是一個(gè)非常典型的應(yīng)用電路，完全可以用于IGBT或者M(jìn)OSFET，但是也有些不一樣的地方。

1，有負(fù)壓產(chǎn)生電路，

2，隔離驅(qū)動(dòng)，

3，單獨(dú)電源供電。

首先我們來總體看看，這個(gè)電路沒有保護(hù)，用在逆變上100%炸，但是我們可以將這個(gè)電路的實(shí)質(zhì)摸清楚。

先講講重點(diǎn)：

1：驅(qū)動(dòng)電阻R2，這個(gè)在驅(qū)動(dòng)里頭非常重要，圖上還有D1配合關(guān)閉的時(shí)候，讓IGBT的CGE快速的放電，實(shí)際上看需要，這個(gè)D1也可以不要，也可以在D1回路里頭串聯(lián)一個(gè)電阻做0FF關(guān)閉時(shí)候的柵極電阻。

下面發(fā)幾個(gè)波形照片，不同的柵極電阻，和高壓HV+400V共同產(chǎn)生作用的時(shí)候，上下2個(gè)IGBT柵極的實(shí)際情況。

上面的圖，是在取消負(fù)壓的時(shí)候，上下2管之間的柵極波形，柵極電阻都是在10R情況下。

上面的圖是在不加DC400V情況下測量2管G極波形，下圖是在DC400V情況下，2管的柵極波形。

為何第二個(gè)圖會有一個(gè)尖峰呢。這個(gè)要從IGBT的內(nèi)部情況說起，簡單來說，IGBT的GE上有一個(gè)寄生的電容，它和另外的CGC一個(gè)寄生電容共同組成一個(gè)水池子，那就是QG，其實(shí)這個(gè)和MOSFET也很像的。

那么在來看看為何400V加上去，就會在下管上的G級上產(chǎn)生尖峰。借花獻(xiàn)佛，抓個(gè)圖片來說明：

如上圖所示，當(dāng)上官開通的時(shí)候，此時(shí)是截止的，由于上官開通的時(shí)候，這個(gè)時(shí)候要引入DV/DT的概念，這個(gè)比較抽象，先不管它，簡單通俗的說就是上管開通的時(shí)候，上管等效為直通了，+DC400V電壓立馬加入到下管的C級上，這么高的電壓立刻從IGBT的寄生電容上通過產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電流，這個(gè)感應(yīng)電流上圖有公式計(jì)算，這個(gè)電流在RG電阻和驅(qū)動(dòng)內(nèi)阻的共同作用下，在下管的柵極上構(gòu)成一個(gè)尖峰電壓，如上面那個(gè)示波器的截圖所示。到目前為止，沒有引入米勒電容的概念，理解了這些，然后對著規(guī)格書一看，米勒電容是什么，對電路有何影響，就容易理解多了。

這個(gè)尖峰有許多壞處，從上面示波器截圖可以看出來，在尖峰時(shí)刻，下管實(shí)際上已經(jīng)到7V電壓了，也就是說，在尖峰的這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，上下2個(gè)管子是共同導(dǎo)通的。下管的導(dǎo)通時(shí)間短，但是由于有TON的時(shí)間關(guān)系在里面，所以這個(gè)電流不會太大。管子不會炸，但是會發(fā)熱，隨著傳輸?shù)墓β试酱?，這個(gè)情況會更加嚴(yán)重，大大影響效率。

本來是要發(fā)出加入負(fù)壓之后波形照片，負(fù)壓可以使這個(gè)尖峰在安全的電平范圍內(nèi)。示波器需要U盤導(dǎo)出位圖，這樣清晰，今天發(fā)懶沒有摸儀器了，后面再去補(bǔ)上去。

二，電流采集電路

說到這一步，就是離保護(hù)不遠(yuǎn)了，我的經(jīng)驗(yàn)就是電流采集速度要很快，這樣才能在過流或短路的時(shí)候迅速告訴后面的電路-》，這里出問題了。讓IGBT迅速安全的關(guān)閉。

這個(gè)電路該如何實(shí)現(xiàn)呢？對于逆變電路，我們可以直接用電阻采樣，也可以用VCE管壓降探測方式。管壓降探測這個(gè)論壇里有多次討論出現(xiàn)過，但是都沒有一個(gè)真正能用，真正實(shí)際應(yīng)用過，測試過的電路（專用驅(qū)動(dòng)芯片例外），這是因?yàn)槊糠N實(shí)際應(yīng)用的參數(shù)大不一樣，比如IGBT參數(shù)不同，需要調(diào)整的參數(shù)很多，需要一定的經(jīng)驗(yàn)做調(diào)整。

我們可以從最簡單的方式入手，采用電阻檢測這個(gè)電流，短路來了，可以在電阻上產(chǎn)生壓降，用比較器和這個(gè)電壓進(jìn)行比較，得出最終是否有過流或者短路信號。

用這個(gè)圖就可以了，因?yàn)樵矸浅：唵?，就一個(gè)比較的作用，大家實(shí)現(xiàn)起來會非常容易，沒有多少參數(shù)可以調(diào)整的。

上圖是采樣H橋?qū)Φ氐碾娏?，舉個(gè)例子：如果IGBT是40A，我們可以采取2倍左右的峰值電流，也就是80A，對應(yīng)上圖，RS為0.01R，如果流入超過80A脈沖電流那么在該電阻上產(chǎn)生0.01R*80A=0.8V電壓，此電壓經(jīng)過R11，C11消隱之后到比較器的+端，與來自-端的基準(zhǔn)電壓相比較，圖上的-端參考電阻設(shè)置不對，實(shí)際中請另外計(jì)算，本例可以分別采用5.1K和1K電阻分壓變成0.81V左右到-端，此時(shí)如果采樣電阻RS上的電壓超過0.8V以上，比較器立即翻轉(zhuǎn)，輸出SD 5V電平到外部的電路中。這個(gè)變化的電平信號就是我們后面接下來需要使用的是否短路過流的信號了。

有了這個(gè)信號了，那我們?nèi)绾侮P(guān)閉IGBT呢？我們可以看情形是否采取軟關(guān)閉，也可以采取直接硬關(guān)閉。

采取軟關(guān)閉，可以有效防止在關(guān)閉的瞬間造成電路的電壓升高的情況，關(guān)閉特性非常軟，很溫柔，非常適合于高壓大功率的驅(qū)動(dòng)電路。

如果采取硬關(guān)閉，可能會造成高壓DC上的電壓過沖，比如第一圖中的DC400V高壓可能變成瞬間變成DC600V也說不定，當(dāng)時(shí)我看一些資料上的記載的時(shí)候，非常難以理解：關(guān)就關(guān)了嘛，高壓難道還自己升上去了？實(shí)際情況卻是真實(shí)存在的。

如果大家難以理解，可以做個(gè)試驗(yàn)，家里有水塔的，最清楚，水塔在很高的樓上，水龍頭在一樓，打開水龍頭，水留下來了，然后用極快的速度關(guān)閉這個(gè)水龍頭，你會聽到水管子有響聲，連水管子都會要震動(dòng)一下（不知道說的對不對，請高手指正，在此引入水龍頭這個(gè)例子還得感謝我讀書的時(shí)候，老師看我們太笨了，講三極管特性原理的時(shí)候打的比喻，在此我要感謝他），IGBT在橋電路的原理同樣如此。在IGBT嚴(yán)重短路的時(shí)候，如果立馬硬關(guān)閉IGBT，輕則只是會在母線上造成過沖的感應(yīng)電壓（至于為何會過沖可以查相關(guān)資料，很多資料都說到了），管子能抗過去，比如你在直流高壓母線上并聯(lián)了非常好的吸收電容，有多重吸收電路等等……

重則，管子關(guān)閉的時(shí)候會失效，關(guān)了也沒有用，IGBT還是會被過沖電壓擊穿短路，而且這個(gè)短路是沒有辦法恢復(fù)的，會立即損壞非常多的電路。有時(shí)候沒有過壓也能引起這種現(xiàn)象，這個(gè)失效的原理具體模型本人未知，但是可以想象的是可能是由于管子相關(guān)的其他寄生電容和米勒電容共同引起失效的，或者是由于在過流，短路信號發(fā)生時(shí)候，IGBT已經(jīng)發(fā)生了擎柱效應(yīng)就算去關(guān)，關(guān)也關(guān)不死了。

還有第三種方式，是叫做：二級關(guān)閉，這種方式簡單來說，就是檢測到了短路，過流信號，PWM此時(shí)這個(gè)脈沖并沒有打算軟關(guān)閉或直接關(guān)閉，而是立即將此時(shí)刻對應(yīng)的VGE驅(qū)動(dòng)脈沖電壓降低到8V左右以此來判斷是否還是在過流或短路區(qū)域，如果還是，繼續(xù)沿用這個(gè)8V的驅(qū)動(dòng)，一直到設(shè)定的時(shí)間，比如多個(gè)個(gè)us還是這樣就會立即關(guān)了，如果是，PWM將會恢復(fù)正常。這種方式一般可能見到不多，所以我們不做深入研究。

理解了這些，我們可以看情況來具體采用那些關(guān)閉的方式，我認(rèn)為在2KW級別中，DC380V內(nèi)，直接采取硬關(guān)閉已經(jīng)可以滿足要求了，只需要在H橋上并聯(lián)吸收特性良好的一個(gè)電容，就可以用600V的IGBT了。

關(guān)鍵的一點(diǎn)就是檢測時(shí)候要快速，檢測之后要關(guān)閉快速，只有做到了快，IGBT就不會燒。

責(zé)任編輯：lq6