IGBT过流保护电路设计1
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第２９卷第８期
２０１２年 ８月
机 电 工 程
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏ１．２９ Ｎｏ．８
Ａｕｇ．２０１２
ＩＧＢＴ过流保护电路设计
张海 亮 ，陈 国定 ，夏 德 印
（浙江工业大学 信息工程学院，浙江 杭州 ３１００２３）
摘要 ：为解决绝缘栅双极性晶体管（ＩＧＢＴ）在实际应用中经 常出现 的过流击穿问题 ，在分析 了ＩＧＢＴ过流特性 和过流检测方法 的基础
上，根据过流时 ＩＧＢＴ集电极电流的大小分别设计了过载保 护电路和短路保护电路。过载保护 电路在检测到过载时立 即关断ＩＧＢＴ，
根据不 同的过载保护要求可实现持续封锁 、固定时间封锁及单周期封锁 ＩＧＢＴ的驱动信号 ；短路保护电路通过检测 ＩＧＢＴ通态压降判
别短路故 障，利用降栅压 、软关断和降频综合保护技术降低短路电流并安全关 断 ＩＧＢＴ。详细 阐述了保护 电路的保护机制及电路原
理 ，最后 对设计 的所有保护 电路进行 了对应的过流保护测试 ，给 出了测试波形图。试验结果表 明 ，ＩＧＢＴ保护 电路能及时进行过流检
测并准确动作 ，ＩＧＢＴ在不 同的过流情况下都得到 了可靠保护。
关键词 ：绝缘栅双极性 晶体管 ；过流保护 ；降栅压 ；软关断
中图分类号 ：ＴＮ３８６．２；ＴＭ１３ 文献标志码 ：Ａ 文章编号：１００１—４５５１（２０１２）０８—９６６—０５
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＩＧＢＴ ｏｖｅｒ－ｃｕｒｒｅｎｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ
ＺＨＡＮＧ Ｈａｌ—ｌｉａｎｇ，ＣＨＥＮ Ｇｕｏ—ｄｉｎｇ，ＸＩＡ Ｄｅ—ｙｉｎ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００２３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｏｖｅｒ－ｃｕｒｒｅｎｔ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＩＧＢＴ）ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，
ｓｈｏｒｔ—ｃｉｒｃｕｉｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｏｖｅｒｌｏａｄ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｗｅｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ＩＧＢＴ Ｓ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ｃｕｒｒｅｎｔ，ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ
ｏｆ ＩＧＢＴ Ｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｏｖｅｒ－ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｓ．Ｗ ｈｅｎ ｏｖｅｒｌｏａｄ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｏｖｅｒ－ｃｕｒｒｅｎｔ，ｉｔ ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｏｆｆ ＩＧＢＴ
ｉｍｍｅｄｉａｔｅｌｙ，ＩＧＢＴ Ｓ ｄｒｉｖｅ ｓｉｇｎａｌ ｃａｎ ｂｅ ｂｌｏｃｋｅｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ，ｆｏｒ ｆｉｘｅｄ ｔｉｍｅ ｏｒ ｆｏｒ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｃｙｃｌｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｖｅｒｌｏａｄ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ
ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ；ｓｈｏｒｔ－ｃｉｒｃｕｉｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｔｈｅ ｏｖｅｒ－ｃｕｒｒｅｎｔ ｂｙ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ＩＧＢＴ Ｓ ｏｎ—ｓｔａｔｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｄｒｏｐ，ｕｓｉｎｇ ｄｒｏｐｐｉｎｇ ｔｈｅ
ｇｒｉｄ ｖｏｌｔａｇｅ，ｓｏｆｔ ｓｗｉｔｃｈ—ｏｆｆ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ＩＧＢＴ Ｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃａｎ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｓｈｏｒｔ—ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｓｗｉｔｃｈ ｏｆｆ ＩＧＢＴ
ｓａｆｅｌｙ．Ｄｅｔａｉｌｅｄ ｅｌａｂｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｗａｓ ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅ ｏｖｅｒ～ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｌ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔｓ
ｗａｓ ｄｏｎｅ．Ｔｈｅ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｇｒａｐｈｓ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｃａｎ ｄｅｔｅｃｔ ｏｖｅｒ—ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎ ｔｉｍｅ
ａｎｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ，ＩＧＢＴ ｉｓ ｐｒｏｔｅｃｔｅｄ ｒｅｌｉａｂｌｙ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｖｅｒ－ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｓｔｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＩＧＢＴ）；ｏｖｅｒ－ｃｕｒｒｅｎｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ｄｒｏｐ ｇｒｉｄ ｖｏｌｔａｇｅ；ｓｏｆｔ ｓｗｉｔｃｈ ｏｆｆ
Ｏ 引 言
ＩＧＢＴ既具有功率 ＭＯＳＦＥＴ的高速开关及 电压驱
动特性 ，又具有 巨型晶体管（ＧＴＲ）的低饱和电压特性
及 易实现 较大 电流 的能力 ，广泛应 用 于电机 调速 、
ＵＰＳ、开关电源等领域 。
在 ＩＧＢＴ的应用 中 ，过流保护是其 中的一项关键
技术 。过流保护电路不仅关系到 ＩＧＢＴ本身的工作性
能和运行安全 ，也影响到整个系统的性 能及安全。可
以说 ，过流保护电路的设计水平在很大程度上决定了
系统整体设计 的成败。
本研究针对 ＩＧＢＴ不同的应用场合及多种过流情
况分别设计过流保护电路 ，并对保护电路进行测试。
１ ＩＧＢＴ过流保护 电路设 计要点
ＩＧＢＴ常见的损坏 原因有 ：过热 、栅 极过 压 、 （ＩＧ—
ＢＴ集 电极一发射极 电压 ）或 ｄ ／ 超 限 、过 流等ｎ 。
考虑到 ＩＧＢＴ高压大 电流 的应用场合 ，过流损坏的出
收稿 日期 ：２０１２—０２—１６
作者简介 ：张海亮 （１９８７一），男 ，浙江余姚人 ，主要从事 电力电子与智能电源方面的研究 ．Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｉｖ０５１０３５＠１６３．ｃｏｒｎ
通信联 系人 ：陈国定 ，男 ，教授 ，博士．Ｅ—ｍａｉｌ：ｇｄｃｈｅｎ＠ｚｊｕｔ．ｅｄｕ．ｃａ
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