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IGBT驱动电路过压保护设计

1. IGBT栅极过压保护电路
IGBT的栅极-发射极驱动电压UGE的保证值为±20V,如果在它的栅极与发射极之间加上超出保证值的电压,则可能会损坏IGBT,因此,在IGBT的驱动电路中应当设置栅压限幅电路。另外,若IGBT的栅极与发射极间开路,而在其集电极与发射极之间加上电压,则随着集电极电位的变化,由于栅极与集电极和发射极之间寄生电容的存在,栅极电位升高,集电极发射极有电流流过。这时若集电极和发射极间处于高压状态,可能会使IGBT发热甚至损坏。如果设备在运输或震动过程中使得栅极回路断开,在不经检查的情况下就给主电路加上电压,则IGBT就可能会损坏。IGBT的栅极出现过电压的原因有以下两个。文章来源:http://www.igbt8.com/qd/210.html
    ①静电聚积在栅极电容上引起过压。
    ②电容密勒效应引起的栅极过压。
为防止IGBT的栅极-发射极过电压情况发生,应在IGBT的栅极与发射极间并接一只几十千欧的电阻。此电阻应尽量靠近栅极与发射极,如下图所示。
IGBT栅极过压保护电路
2.集电极与发射极间的过压保护电路
    IGBT的栅极-发射极过电压的产生主要有两种情况:一种是施加到IGBT的集电极发射极间的直流电压过高,另一种为集电极发射极间的浪涌电压过高。
    对于IGBT的关断过电压和续流二极管的反向恢复过电压,设计缓冲电路是抑制集电极-发射极间过电压的有效措施。缓冲电路之所以能减小IGBT集电极发射极间的过电压,是因为它给回路电感提供了泄能回路,降低了回路电感上电流的变化率。在逆变电源中所采用的缓冲电路如下图所示。图中所示电路中用于抑制过电压的件有:
1)金属氧化物压敏电阻(Rr1~Rr5),金属氧化物压敏电阻是一种良好的电压尖峰抑制器件,它的响应时间为纳秒级,能抑制宽度很窄的尖峰电压。金属氧化物压敏电阻具有通流容量大(500-5000A)、平均漏电流小(几微安)、使用电压范围广(30~1500V)、体积小、可靠性高且价格便宜等特点,但它能抑制的尖峰电压宽度不能过大,否则压敏电阻将会因功耗大而烧坏。
集电极与发射极间的过压保护电路
 
2)并在直流母线上的无感电容。在上图中由R、C、VD构成放电阻止型缓冲电路。在放电阻止型缓冲电路中,要选择高频特性好的无感电容器作为缓冲电容,选择过渡正向电压低、反向恢复时间短、反向恢复特性软的二极管作为缓冲二极管,缓冲二极管的反向耐压及峰值正向电流要与IGBT的额定电压及额定电流相当。
3.直流过电压
直流过压产生的原因是输入交流电源或IGBT的前一级输入发生异常,解决的办法是在选取IGBT时进行降额设计,另外也可在检测出这一过电压时关断IGBT的输人,保证IGBT的安全。
4.浪涌过电压
因电路中分布电感的存在,加之IGBT的开关速度较高,当IGBT关断时及与之并接的反向恢复二极管逆向恢复时,就会产生很大的浪涌电压Ldi/di,威胁IGBT的安全。通常IGBT的浪涌电压波形如下图所示。
IGBT浪涌过电压
在图中,UCE为IGBT集电极-发射极间的电压波形;Ic为IGBT的集电极电流;Ud为输入IGBT的直流电压;UCESP为浪涌电压峰值。
UCESP = Ud + Ldi/dt
如果UCESP超出IGBT的集电极-发射极间耐压值UCES,就可能损坏IGBT。抑制浪涌电压的方法主要有;
1)选取IGBT时考虑设计裕量。
2)在电路设计时调整IGBT驱动电路的栅极电阻RG,使di/dt尽可能小。
3)尽量将电解电容靠近IGBT安装,以减小分布电感。
4)根据情况加装缓冲保护电路,旁路高频浪涌电压。
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