IGBT驅動器的短路保護測試注意要點和方法以及IGBT柵極升壓及其驅動器的設計
IGBT能夠承受的短路時間取決于它的飽和壓降和短路電流的大小，一般僅為幾微秒至幾十微秒。短路電流過大不僅使短路承受時間縮短，而且使關斷時電流下降率di/dt過大，由于漏感及引線電感的存在，將導致IGBT集電極過電壓。該過電壓可在器件內部產生鎖定效應，使IGBT鎖定失效，同時高的過電壓會使IGBT擊穿。因此，當出現短路過流時，必須采取有效的保護措施。
為了實現IGBT的短路保護，則必須進行過流檢測。適用IGBT過流檢測的方法，通常是采用霍爾電流傳感器直接檢測IGBT的電流Ic，然后與設定的閾值比較，用比較器的輸出去控制驅動信號的斷；或者采用間接電壓法，檢測過流時IGBT的電壓降UCE，因為管壓降中含有短路電流信息，過流時UCE增大且基本上為線性關系，檢測過流時的UCE并與設定的閾值進行比較，比較器的輸出控制IGBT驅動電路的關斷。
在短路電流出現時，為了避免關斷電流的di/dt過大形成過電壓，導致IGBT鎖定無效和損壞，以及為了降低電磁干擾，通常采用軟降柵壓和軟關斷綜合保護技術。在檢測到過電流信號后首先是進入降柵保護程序，以降低故障電流的幅值，延長IGBT的短路承受時間。在降柵壓動作后，設定一個固定延遲時間，用以判斷故障電流的真實性。如在延遲時間內故障消失，則柵壓自動恢復；如故障仍然存在，則進入軟關斷程序，使柵壓降至0V以下，關斷IGBT的驅動信號。由于在降柵壓階段集電極電流已減小，故軟關斷時不會出現過大的短路電流下降率和過高的過電壓。采用軟降柵壓及軟關斷柵極驅動保護，使故障電流的幅值和下降率都能受到限制，過電壓降低，IGBT的電流，電壓運行軌跡能保證在安全區內。
帶保護功能的驅動器和驅動板，用戶如要測試正常的靜態(不加主電情況下)輸出波形，需要注意以下幾點：
1、如果功率管IGBT或MOSFET已經連接在電路中了，則加上驅動電源和PWM輸入信號，就可以在輸出端用示波器看到相應的輸出信號。
2、如果功率管沒有接，只是在做一個輸出測試，那么必須將應接功率管集電極和發射極(或漏極和源極)的兩點予以短路才行。因為如果集電極或漏極懸空，那么驅動器或驅動板將認為功率管處于短路狀態而啟動內部的保護機制，這時看到的將是驅動器輸出的保護信號波形，無論是波形形狀還是周期都與輸入的PWM信號完全不同。
IGBT在應用中要解決的主要問題就是如何在過流、短路和過壓的情況下對IGBT實行比較完善的保護。過流故障一般需要稍長的時間才使電源過熱，因此對它的保護都由主控制板來解決。過壓一般發生在IGBT關斷時，較大的di/dt在寄生電感上產生了較高的電壓，這需要用緩沖電路來鉗制，或者適當降低關斷的速率。短路故障發生后瞬時就會產生極大的電流，很快就會損壞IGBT，主控制板的過流保護根本來不及，必須由驅動電路或驅動器立刻加以保護。 因此驅動器的短路保護功能設計的是否完善，對電源的安全運行至關重要。拿到一個驅動電路，使用前先測試一下它的短路保護功能是否完善，是很有必要的。本文介紹兩種測試方法。
??1、第一種測試方法
圖中PWM信號送到驅動器的信號輸入端，故障后再啟動電容Creset=10nF，Dhv是高反壓快恢復管，限流電阻Rlimit=10-100R，電容 C=10-470uF。示波器可在驅動器的輸入和輸出端監測。如果不接Creset，則驅動器輸出端輸出的是約1ms的脈沖，也就是IGBT每1ms短路一次。考慮到有的IGBT在這種情況下時間長了仍有可能過熱燒毀，接入10nF的Creset后，則為約12ms短路一次，保證了IGBT的安全。過流動作閾值設置電阻Rn的選取，請根據所試驅動器說明中的關于Rn的說明和所試驗IGBT的正向伏安特性曲線選取合適的阻值。在單管電路的開關電源中，接入適當的Creset后，可以省去通常的短路信號反饋光耦。
??2、第二種測試方法
與第一種方法類似，只是不讓IGBT始終保持短路，用手工來短路A、B兩點。這種短路試驗比第一種更嚴酷，對驅動器的要求也更高，因為手工短路，不可能一下接實，實際是一連串的通斷過程。落木源的驅動器可以保證您的IGBT的安全。
注意：實驗時一定注意人身安全，最好在工頻輸入處加一個隔離變壓器。
IGBT驅動器的短路保護測試注意要點和方法以及IGBT柵極升壓及其驅動器的設計
1.?IGBT柵極升壓/加強
如果IGBT按照慣例導通，充電電流取決于柵極電阻和柵極驅動電壓。首先，在開通階段，IGBT柵-射極電壓為0V或是負電壓(由施加在柵極的關斷電壓決定)，并且充電電流的峰值只受柵極電阻和電感限制。IGBT的輸入電容和反向傳輸電容被充電直至最大電壓(一般為15V)。
一種快速達到IGBT閥值電壓UCE(TO)的方法是給柵極增壓。通過較大的柵極電流，IGBT能更快開通。為了保證續流二極管的軟換流，當達到閥值電壓時充電過程要立即放緩。通過這種策略可以在不損壞續流二極管的情況下，減小IGBT的開通損耗。事實上，可以選擇一個很小的柵極電阻RGon，一旦達到UCE(TO)，立即增大RGon。這個過程稱為兩級開關。
另一種方法是利用輔助升壓電路，如圖1所示。當増大柵-射極電壓，門電路導通，IGBT柵極電流相應地增加。到達UGE(TO)后，升壓(24V)電路被關斷，這樣IGBT電容由正常的柵極驅動電壓(15V)驅動，而柵極電流相應地降低。
??2.?柵極驅動器的設計
柵極驅動器的設計不僅要關注IGBT靜態和動態特性，也需要注意相應續流二極管的特性。下文將探討驅動設計的基本概念。權衡開關特性的影響和整合保護功能等方面的設計將在后面文章討論。
當選擇驅動器時，一個重要的參數是驅動IGBT的最大峰值電流’p￠ak。為此，需要分開考慮開通和關斷電流。雖然在很多應用中，開通電流、關斷電流都是一致的，但它們要分開計算，并估算出最小的柵極電阻。
可以通過式(1)來估算最大峰值電流，即
式中，Ipeak為驅動器必須提供的峰值電流(A)；?UCE,max為用于開通IGBT的正柵極電壓(V)；UCE,min為用于關斷IGBT的負柵極電壓(V)或0；RGint為IGBT內部的柵極電阻(如果存在)(Ω)；RGext為外部柵極電阻(Ω)。
如果IGBT驅動器增加了額外的外部柵-射極電容CG，常用的近似方法是把這個電容等效于內部柵極電阻的短路。因此，RGint在式(1)中應被 置為0。
在實際應用中，計算峰值電流的校正因數為0.7。這是因為驅動器內部阻抗總是存在的，同時也考慮到了寄生電阻和電感的效應。校正因數的推導過程需要考慮以下問題：
在開通和關斷時，假設IGBT的內部電容CGE恒定，寄生電感LG和獨立的引線電感LGon和LGoff由二階RLC電路的微分方程推導確定，即
式中，L為柵極路徑中電感的總和(H)；?RG為外部和內部柵極電阻的總和(Ω)；iG(t)為隨時間變化的柵極電流(A)。
柵極路徑中不會引起振蕩的最小柵極電阻RGmin為
式中，e為自然對數，e=2.71828。
因此對于大的LG，RG(主要是RGon)的值也必須增大，以避免續流一極管的跳變行為。
如果采用不同的柵極電阻RGon和RGoff，所需峰值電流由最小的電阻確定，從而選擇驅動器。需要注意的是一些驅動芯片在IGBT開關期間，提供不同的峰值電流。在這種情況下，開關期間的峰值電流都應該加以計算且驅動芯片也要做出相應的選擇。圖2給出了含寄生元件的驅動級。
如果驅動級的峰值電流能力不足，可以在驅動器的輸出和IGBT柵極電阻之同增加一個額外的升壓器。當BJT作為升壓級時，計算過程如下：
·用式(1)計算所需的峰值電流。需要考慮不同的RGon和RGoff以及一個合適的CG。
·選擇合適的NPN和PNP的BJT以及每個升壓級的最大電流。當只用一個升壓級時，這個電流與以前計算的峰值電流一致。然而，當有多個升壓級一起使用時，可以并聯。每個升壓級提供電流可以由計算的峰值電流除以升壓器的數量。
·參照相應的數據手冊確定BJT的電流傳輸比hFE。hFE取決于先前計算的每個升壓級的電流。
·計算驅動芯片驅動升壓級所需的電流。這個電流取決于電流傳輸比和電路中升壓級的數量。
雙極性升壓電路的計算示例如圖3所示。