纯干货 逆变电源后级IGBT保护指导

逆变电源当中存在前级与后级电路，它们对于逆变电源的工作效率起着较为重要的作用。在后级电路中，H桥的IGBT管异常脆弱，相较于同等容量的MOS管，H桥中的IGBT更加容易炸毁。这就意味着在设计电路时，虽然IGBT看似正常，但和IGBT进行配合之后就可能出现开机带载炸毁的情况。

有的朋友可能认为更换一个功率稍大的IGBT就会解决炸管的现象。但事实上，在更换IGBT后带载的情况下会突然增加负载和撤销负载，几次反复下来仍然会发生炸管的现象。但是有心的朋友们会发现，这其中是包含着一定规律的，只要是采用峰值电流保护措施就能避免炸管现象的发生。因此本篇文章就从此点出发，来为大家讲解逆变电源H桥中的IGBT单管驱动与保护。

驱动电路

IGBT为IXYS的，IXGH48N60B3D1，驱动电路如图1。

图1

这是一个非常典型的应用电路，完全可以用于IGBT或者MOSFET，但是也有些不一样的地方。

区别如下：有负压产生电路、隔离驱动、单独电源供电。

从总体来看，此电路没有保护，用在逆变上100%炸，但是我们可以将这个电路的实质摸清楚。

1：驱动电阻R2，这是驱动中非常重要的部分，图1中D1配合关闭的时候，让IGBT的CGE快速的放电，但实际只要需要设计即可，D1可有可无。也可以在D1回路里头串联一个电阻做0FF关闭时候的栅极电阻。

（a）

（b）
图2

再来看波形。不同的栅极电阻和高压HV+400V共同产生作用的时候，（a）与（b）2个IGBT栅极的实际情况。

图2（a）是在取消负压的时候，上下2管之间的栅极波形，栅极电阻都是在10R情况下，在不加DC400V情况下测量2管G极波形，图2（b）是在DC400V情况下，2管的栅极波形。

为何图2（b）会有一个尖峰呢？这个要从IGBT的内部情况说起，简单来说，IGBT的GE上有一个寄生的电容，它和另外的CGC一个寄生电容共同组成一个水池子，那就是QG。

那么在来看看为何400V加上去，就会在下管上的G级上产生尖峰。

图3

如图3所示，当上管开通的时候，此时是截止的，由于上管开通的时候，这个时候要引入DV/DT的概念，通俗的说就是上管开通的时候，上管等效为直通，+DC400V电压立马加入到下管的C级上，这么高的电压立刻从IGBT的寄生电容上通过产生一个感应电流，这个感应电流上图有公式计算，这个电流在RG电阻和驱动内阻的共同作用下，在下管的栅极上构成一个尖峰电压，如上面那个示波器的截图所示。到目前为止，没有引入米勒电容的概念，理解了这些，然后对着规格书一看，米勒电容是什么，对电路有何影响，就容易理解多了。

这个尖峰有许多坏处，从上面示波器截图可以看出来，在尖峰时刻，下管实际上已经到7V电压了，也就是说，在尖峰的这个时间段内，上下2个管子是共同导通的。下管的导通时间短，但是由于有TON的时间关系在里面，所以这个电流不会太大。管子不会炸，但是会发热，随着传输的功率越大，会大大影响效率。

电流采集电路

讲到这里就离保护不远了，电流采集速度要很快，这样才能在过流或短路的时候迅速反应，让IGBT迅速安全的关闭。

这个电路该如何实现呢？对于逆变电路，我们可以直接用电阻采样，也可以用VCE管压降探测方式。管压降探测虽然出现的较多，但是都没有一个真正能用，真正实际应用过，测试过的电路（专用驱动芯片例外），这是因为每种实际应用的参数大不一样，比如IGBT参数不同，需要调整的参数很多，需要一定的经验做调整。

我们可以从最简单的方式入手，采用电阻检测这个电流，短路时可以在电阻上产生压降，用比较器和这个电压进行比较，得出最终是否有过流或者短路信号。

可以参考图4，因为原理非常简单，就一个比较的作用，大家实现起来会非常容易，没有多少参数可以调整的。

图4

图4是采样H桥对地的电流，举个例子：如果IGBT是40A，我们可以采取2倍左右的峰值电流，也就是80A，对应图4，RS为0.01R，如果流入超过80A脉冲电流那么在该电阻上产生0.01R*80A=0.8V电压，此电压经过R11，C11消隐之后到比较器的+端，与来自-端的基准电压相比较，图上的-端参考电阻设置不对，实际中请另外计算，本例可以分别采用5.1K和1K电阻分压变成0.81V左右到-端，此时如果采样电阻RS上的电压超过0.8V以上，比较器立即翻转，输出SD5V电平到外部的电路中。这个变化的电平信号就是我们后面接下来需要使用的是否短路过流的信号了。

拥有这个信号之后，们如何关闭IGBT呢？可以看情形是否采取软关闭，也可以采取直接硬关闭。

采取软关闭，可以有效防止在关闭的瞬间造成电路的电压升高的情况，关闭特性非常软，很温柔，非常适合于高压大功率的驱动电路。

如果采取硬关闭，可能会造成高压DC上的电压过冲，比如第一图中的DC400V高压可能变成瞬间变成DC600V也说不定，当时我看一些资料上的记载的时候，非常难以理解：关就关了嘛，高压难道还自己升上去了？实际情况却是真实存在的。

用通俗一点的例子解释，以水塔为例，水塔在很高的楼上，水龙头在一楼，打开水龙头，水流下，然后用极快的速度关闭这个水龙头，你会听到水管子有响声，连水管子都会要震动一下，IGBT在桥电路的原理同样如此。在IGBT严重短路的时候，如果立马硬关闭IGBT，轻则只是会在母线上造成过冲的感应电压（至于为何会过冲可以查相关资料，很多资料都说到了），管子能抗过去，比如你在直流高压母线上并联了非常好的吸收电容，有多重吸收电路等等。

重则，管子关闭的时候会失效，关了也没有用，IGBT还是会被过冲电压击穿短路，而且这个短路是没有办法恢复的，会立即损坏非常多的电路。有时候没有过压也能引起这种现象，这个失效的原理具体模型本人未知，但是可以想象的是可能是由于管子相关的其他寄生电容和米勒电容共同引起失效的，或者是由于在过流，短路信号发生时候，IGBT已经发生了擎柱效应就算去关，也无法达到最佳效果。

还有第三种方式，二级关闭。这种方式简单来说，就是检测到了短路，过流信号，PWM此时这个脉冲并没有打算软关闭或直接关闭，而是立即将此时刻对应的VGE驱动脉冲电压降低到8V左右以此来判断是否还是在过流或短路区域，如果还是，继续沿用这个8V的驱动，一直到设定的时间，比如多个个us还是这样就会立即关了，如果是，PWM将会恢复正常。这种方式一般可能见到不多，所以我们不做深入研究。

通过文中讲解的这些方式，在安装逆变电源的IGBT时，就可以根据具体情况来选择关闭方式。比如在2KW级别中，只要再H桥上并联一个吸收较好的电容，就可以选择硬关闭的方法，完全可以保证一个600V的IGBT。总的来说，想要保证IGBT不炸管，就要做到快速反应，不仅检测速度要快，关闭速度同样也要快速，只有这样IGBT才能安然无恙。