一种带短路保护的磁隔离IGBT驱动架构-AET-电子技术应用

一种带短路保护的磁隔离IGBT驱动架构

电子技术应用

刘甲俊，李飞，陈荣昕，邓玉清，肖培磊

中国电子科技集团公司第五十八研究所

摘要：设计一种带短路保护的磁隔离IGBT驱动架构，该架构采用变压器隔离，集成去饱和检测电路、米勒钳位电路和软关断，当IGBT发生短路故障退出饱和区，便对器件执行软关断，并通过米勒钳位电路抑制栅极电压尖峰。同时通过故障反馈通道将故障信号反馈给前级控制器，实现对短路故障的快速响应。仿真和实测结果表明，本架构具有8 kV的隔离耐压，去饱和检测和米勒钳位阈值分别为9 V和2 V，去饱和故障响应时间为419 ns，故障报错时间为311 ns，软关断时间为136 ns。该架构实现了短路故障保护和故障反馈，已应用在某一高耐压隔离IGBT驱动器中。

关键词： 短路保护磁隔离隔离IGBT驱动架构

中图分类号：TN433 文献标志码：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245808
中文引用格式：刘甲俊，李飞，陈荣昕，等. 一种带短路保护的磁隔离IGBT驱动架构[J]. 电子技术应用，2025，51(3)：44-48.
英文引用格式：Liu Jiajun，Li Fei，Chen Rongxin，et al. A magnetic isolation IGBT driver architecture with short circuit protection[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(3)：44-48.

A magnetic isolation IGBT driver architecture with short circuit protection

Liu Jiajun，Li Fei，Chen Rongxin，Deng Yuqing，Xiao Peilei

The 58th Research Institute of China Electronics Technology Group

Abstract：A magnetic isolation IGBT drive architecture with short circuit protection is designed in this paper. The architecture adopts transformer isolation, integrates desaturation detection circuit, Miller clamp circuit and soft turn-off. When IGBT exits the saturation zone due to short circuit fault, soft turn-off is performed on the device. The gate voltage spike is suppressed by Miller clamp circuit. At the same time, the fault signal is fed back to the front controller through the fault feedback channel to realize the fast response to the short-circuit fault. The simulation and measured results show that the architecture has an isolated voltage withstand of 8 kV, desaturation detection and Miller clamp threshold of 9 V and 2 V respectively, desaturation fault response time of 419 ns, fault error time of 311 ns, soft shutdown time of 136 ns. The architecture realizes short-circuit fault protection and fault feedback, and has been applied to a high voltage isolated IGBT driver.

Key words :short circuit protection；magnetic isolation；isolated IGBT driver architecture

引言

绝缘栅双极性晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)因为具有输入阻抗高、开关损耗小和饱和压降低等特点被广泛应用[1-3]。但是IGBT栅极寄生电容大，导通电压高[4-5]，传统微控制器无法直接驱动IGBT。并且IGBT主要工作在高压和大电流的环境中，常发生短路故障使其退出饱和区，造成器件过流而发生损坏。另外IGBT驱动器应用在IGBT和控制器之间，为防止高压侧发生故障对人体和设备造成伤害，驱动器需要有较高的隔离耐压。因此为了提高系统的稳定性和安全性，需要一种带短路保护和高隔离耐压的驱动架构，有足够高的导通电压驱动IGBT，当IGBT发生短路故障退出饱和区时，能够迅速地关断IGBT，并且能够抑制关断期间产生的栅极电压和集电极电压尖峰，同时要将短路故障信号从高压侧传回到低压侧完成短路故障监测。

文献[6-7]提出了一种带短路保护电路的IGBT驱动架构，利用一个低阻值电阻串联在IGBT的发射极实现短路检测，该架构不能抑制关断期间产生的栅极和集电极电压尖峰，并且无隔离功能。文献[8-9]提出一种带短路保护的光耦隔离IGBT驱动架构，该驱动架构采用光耦隔离，完成对IGBT去饱和检测的同时又能抑制尖峰电压，但是该架构集成的软关断时间较长，并且光耦随时间会发生老化，可靠性较差。文献[10]提出一种带短路保护的电容隔离IGBT驱动架构，具有去饱和检测电路，并且采用电容隔离解决了光耦隔离发生老化的问题，但是该架构没有栅极和集电极电压尖峰保护电路，IGBT在关断期间存在击穿风险，并且电容隔离传输速度慢，对噪声的抑制能力较差。

针对上述问题，本文设计一种带短路保护的双通道磁隔离IGBT驱动架构，该架构在典型条件下具有15 V的驱动电压，并且具有去饱和检测电路、米勒钳位电路和软关断功能。并且设计两个数字隔离信号通道，分别传输控制信号和去饱和故障信号，当检测到IGBT发生短路故障后可以迅速关断IGBT，并将故障信号通过故障反馈通道传回到前级控制器，以便对故障做出响应。另外通过米勒钳位电路和软关断抑制关断期间产生的栅极和集电极电压尖峰，确保IGBT安全关断，并采用无磁芯变压器技术将高压侧和低压控制侧进行电气隔离，克服了光耦发生老化和电容传输速率低和对噪声抑制能力差的缺点。

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作者信息：

刘甲俊，李飞，陈荣昕，邓玉清，肖培磊

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡 204135）

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