大功率IGBT驅(qū)動(dòng)的技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)分析

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2022-03-17 07:59:02 1

1引言

由于igbt具有開關(guān)頻率高、導(dǎo)通功耗小及門極控制方便等特點(diǎn)，在大功率變換系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。在igbt應(yīng)用中，除其本身的技術(shù)水平以外，另一個(gè)要考慮的重要因素是其驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)是否合理與可靠。igbt驅(qū)動(dòng)器作為功率電路和控制器之間的接口電路，對(duì)系統(tǒng)的功耗和可靠性等方面有著極大的關(guān)聯(lián)，一個(gè)優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)器在功率變換系統(tǒng)中是不可或缺的，選擇適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電路就和變換器整體方案的可靠性緊密相關(guān)。

驅(qū)動(dòng)器主要完成以下三個(gè)方面的功能，首先是驅(qū)動(dòng)功能，為igbt開關(guān)提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流，保證igbt能在其控制下可靠地開通和關(guān)斷;其次是驅(qū)動(dòng)器要具有保護(hù)功能，當(dāng)igbt發(fā)生短路或者過流時(shí)，驅(qū)動(dòng)器能在最短的時(shí)間關(guān)斷igbt，保護(hù)功率器件。另外，在高電壓、大功率的應(yīng)用場(chǎng)合，驅(qū)動(dòng)器作為控制電路與功率電路之間的連接橋梁，必須要具有電氣隔離的功能，保證控制電路不會(huì)受功率電路的干擾和影響。在滿足上述三種功能的前提下，驅(qū)動(dòng)器還要考慮靈活性、性能與價(jià)格之間的關(guān)系。

由于igbt電流容量和電壓等級(jí)的不同，對(duì)其驅(qū)動(dòng)器的技術(shù)要求也存在差異。在小功率應(yīng)用中，由于驅(qū)動(dòng)電流比較小，大多采用集成化的驅(qū)動(dòng)器，而在大功率、高電壓的應(yīng)用中，比如：大功率ups電源，高壓變頻器等，要求驅(qū)動(dòng)器提供更大的驅(qū)動(dòng)電流，更高的隔離電壓和更完善的保護(hù)功能。本文針對(duì)目前市場(chǎng)上常用的大功率igbt驅(qū)動(dòng)模塊，比如：semikron公司的skhi22和concept公司的2sd315a等，分析它們所共有的一些技術(shù)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)要點(diǎn)以及未來大功率igbt驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

2技術(shù)特點(diǎn)分析

2.1完善的信號(hào)處理功能

在高壓大功率應(yīng)用中，考慮到開關(guān)產(chǎn)生的強(qiáng)干擾和igbt的高成本等因素，確保igbt驅(qū)動(dòng)信號(hào)的可靠性非常重要。因此，大功率的igbt驅(qū)動(dòng)模塊通常都具有完善的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)預(yù)處理功能，其目的是保證igbt柵極的脈沖信號(hào)的可靠性。常見的驅(qū)動(dòng)信號(hào)處理功能如下：

（1）雙路脈沖互鎖功能

當(dāng)驅(qū)動(dòng)模塊輸出兩路脈沖信號(hào)分別控制同一橋臂上面的上、下兩只igbt時(shí)，如果驅(qū)動(dòng)信號(hào)同時(shí)控制兩只igbt導(dǎo)通，則會(huì)出現(xiàn)直通短路的現(xiàn)象，可能造成igbt或其它器件的損壞。為了防止出現(xiàn)上述情況，在驅(qū)動(dòng)模塊的內(nèi)部設(shè)計(jì)了信號(hào)互鎖電路，確保當(dāng)輸入兩路脈沖信號(hào)同時(shí)為高時(shí)，兩路輸出同時(shí)為低電平，防止出現(xiàn)直通現(xiàn)象。當(dāng)需要雙路驅(qū)動(dòng)信號(hào)獨(dú)立控制時(shí)，也可以通過外部端子屏蔽互鎖功能。

（2）抑制窄脈沖功能

由于控制電路或者干擾等原因造成的窄脈沖信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)器加到igbt的柵極，可能造成igbt在短時(shí)間內(nèi)完成一個(gè)開關(guān)過程，過短的脈沖信號(hào)使igbt還未完全開通又轉(zhuǎn)為關(guān)斷，對(duì)變換器的輸出產(chǎn)生不良影響，并且增加了igbt的開關(guān)損耗，降低了系統(tǒng)的效率。在驅(qū)動(dòng)器中設(shè)計(jì)了濾波電路，去除窄脈沖信號(hào)，有利于提高igbt可靠性。

（3）死區(qū)時(shí)間設(shè)定功能

在半橋式的工作模式下，兩只igbt必須輪流導(dǎo)通，為了防止兩只igbt在開關(guān)交替過程中出現(xiàn)兩管同時(shí)處于開通狀態(tài)，在兩管交替導(dǎo)通時(shí)必須加入一定的死區(qū)時(shí)間，根據(jù)不同特性的igbt，死區(qū)時(shí)間也不相同。在雙路大功率驅(qū)動(dòng)模塊中，內(nèi)部設(shè)計(jì)了死區(qū)控制電路，都可以通過外部端子的不同接法來調(diào)節(jié)死區(qū)的大小，比如：通過外接不同容量的電容（2sd106）或高、低電平（skhi22a/b）。

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圖1為semikrom公司的igbt大功率驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)處理框圖［3］，其中包括了各種信號(hào)處理功能模塊，其目的就是保證igbt驅(qū)動(dòng)信號(hào)的可靠性。

2.2 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離傳輸方式

考慮高壓大功率igbt驅(qū)動(dòng)器工作在高電壓環(huán)境，為了保證控制器不受高壓側(cè)的影響，驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)必須經(jīng)過隔離后再傳送到igbt的柵極。通常的隔離方式有光隔離和磁隔離，光隔離又包括光耦隔離和光纖隔離，光耦隔離方式由于隔離電壓相對(duì)較低，存在傳輸延遲、老化和可靠性等方面的問題，在直流母線電壓超過800v的高壓應(yīng)用場(chǎng)合很少采用。而采用脈沖變壓器隔離方式（磁隔離）可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)較高的隔離電壓，而且變壓器的可靠性高，傳輸延遲小，可以實(shí)現(xiàn)較高的開關(guān)頻率，不存在老化的問題，因此在高壓igbt驅(qū)動(dòng)器中多數(shù)采用脈沖變壓器作為隔離元件來完成驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離傳輸。

傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)用脈沖變壓器是將放大后的脈沖信號(hào)隔離后直接驅(qū)動(dòng)igbt或功率mos管，其基本的電路原理如圖2所示。初級(jí)串聯(lián)電容的作用是去除驅(qū)動(dòng)脈沖的直流分量。次級(jí)并聯(lián)的穩(wěn)壓管用于防止輸出電壓過高而損壞功率開關(guān)管。這種工作方式無需單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)電源，電路設(shè)計(jì)簡單，成本也比較低。但是當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比變化范圍比較大，特別是在占空比比較大時(shí)，由于變壓器輸出波形在一個(gè)周期的伏秒面積必須相等，可能使輸出正脈沖幅度減小，以至于無法正常驅(qū)動(dòng)igbt，通常要求控制脈沖占空比小于50%。同時(shí)，脈沖變壓器磁芯的飽和問題也限制了控制脈沖的導(dǎo)通時(shí)間。另外一個(gè)缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)波形存在失真，特別是在驅(qū)動(dòng)大功率igbt時(shí)，由于igbt的輸入電容比較大，脈沖變壓器次級(jí)輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖波形很難滿足驅(qū)動(dòng)要求。因此，這種驅(qū)動(dòng)方式主要應(yīng)用于小功率的開關(guān)電源中。

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對(duì)于高壓大功率igbt，上述驅(qū)動(dòng)方式顯然無法應(yīng)用。通常采用的方法是調(diào)制驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，將其上升沿和下降沿轉(zhuǎn)換為兩個(gè)反相的窄脈沖信號(hào)，脈沖變壓器只是將這兩個(gè)脈沖信號(hào)耦合到次級(jí)，再通過次級(jí)重構(gòu)的方法還原驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)。其工作原理如圖3所示。

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此種方法可稱為脈沖邊緣耦合傳遞方式。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是脈沖變壓器只傳遞脈沖寬度固定的窄脈沖信號(hào)，可以適應(yīng)占空比寬范圍變化的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)。由于變壓器傳遞的是窄脈沖信號(hào)，變壓器的磁芯和繞組可以取比較小的值，相應(yīng)的漏感和分布電容也比較小，這都有利于脈沖變壓器的設(shè)計(jì)和信號(hào)的傳輸。不足之處是增加了變換和重構(gòu)電路，電路相對(duì)比較復(fù)雜一些。圖4為變換后脈沖變壓器初級(jí)實(shí)驗(yàn)波形。

大功率igbt驅(qū)動(dòng)模塊為了方便用戶對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)，內(nèi)部通常都自帶了dc/dc變換器。具有高隔離電壓等級(jí)的dc/dc變換器無需用戶單獨(dú)設(shè)計(jì)隔離電源，集成的隔離變換器通常采用半橋式或推挽式的結(jié)構(gòu)，為了增加隔離電壓，簡化變換器控制電路，一般不帶閉環(huán)控制，個(gè)別驅(qū)動(dòng)器在輸出端增加了線性穩(wěn)壓電源來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電壓的穩(wěn)定。為了減小變壓器的體積，工作頻率多在100khz以上。在高壓大功率應(yīng)用場(chǎng)合，根據(jù)不同的母線電壓，驅(qū)動(dòng)器初次級(jí)之間必須要求具有很高的隔離電壓耐量，900vdc的母線電壓要求至少有4kv ac的隔離電壓。另外一個(gè)必須考慮的因素是dv/dt耐量，當(dāng)igbt高速開關(guān)時(shí)，可能產(chǎn)生非常高的dv/dt，此信號(hào)可以經(jīng)過隔離變壓器或脈沖變壓器耦合到初級(jí)控制電路，對(duì)控制電路產(chǎn)生干擾。因此，在隔離變壓器的設(shè)計(jì)時(shí)還要求其具有非常小的初次級(jí)耦合電容，根據(jù)對(duì)dv/dt耐量具體的要求來決定其變壓器耦合電容容量大小，通常情況下都要小于20pf。

變壓器的制作工藝是實(shí)現(xiàn)上述高隔離電壓的關(guān)鍵，為了增加隔離電壓耐量，減小初、次級(jí)或次級(jí)之間的耦合電容，通常都是將繞組分開繞制，中間用絕緣檔板分隔。有時(shí)還需要在磁芯表面涂上加厚的絕緣材料或者用三層絕緣線來繞制。圖5為eupec的igbt驅(qū)動(dòng)模塊2ed300c17的變壓器結(jié)構(gòu)示意圖［4］。

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2.4短路保護(hù)及門限調(diào)節(jié)

當(dāng)前普遍采用的igbt短路或過流保護(hù)方式是通過檢測(cè)vce的電壓值來實(shí)現(xiàn)的［5］，當(dāng)igbt出現(xiàn)短路或過流時(shí)，其工作區(qū)將退出飽和區(qū)而使vce電壓升高，具體的保護(hù)電路原理如圖6所示。通過二極管d與igbt的集電極相連來實(shí)現(xiàn)igbt的欠飽和檢測(cè)，vce電壓升高將相應(yīng)地使串聯(lián)二極管的陽極電位升高，當(dāng)超過設(shè)定的短路門限時(shí)保護(hù)電路動(dòng)作，關(guān)斷igbt。由于igbt在開通初期的集電極電壓比較高，如果此時(shí)保護(hù)電路工作可能造成誤動(dòng)作，必須設(shè)置一個(gè)盲區(qū)時(shí)間，在此時(shí)間內(nèi)短路保護(hù)電路是不工作的。此功能是通過開關(guān)s和外接并聯(lián)電阻rce和電容cce來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)igbt關(guān)斷時(shí)，s開通，電容cce被充電到15v，當(dāng)igbt開通時(shí)，s關(guān)斷，cce電容經(jīng)rce放電，放電終止電壓為：

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這樣就可以使得在igbt開通初期，參考電壓高于檢測(cè)電壓，防止保護(hù)電路誤動(dòng)作，正常工作時(shí)的波形如圖7（a）所示。發(fā)生短路或過流故障時(shí)的波形如圖7（b）所示。

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2.5用戶接口方式

為了適應(yīng)不同的廠商封裝的igbt模塊，igbt驅(qū)動(dòng)器必須具有友好的用戶接口。同時(shí)還要具有廣泛的靈活性和經(jīng)濟(jì)的成本。目前市場(chǎng)上常見的驅(qū)動(dòng)模塊主要是采用焊接在pcb板上來實(shí)現(xiàn)與igbt的連接，比如：skhi22、2sd315a和2ed300c17等。為了方便安裝，也有采用直插式的連接方式，圖8為semikron公司開發(fā)的驅(qū)動(dòng)模塊skyper的外觀圖。它通過直插式的方式與驅(qū)動(dòng)接口板相連接。

由于驅(qū)動(dòng)模塊（驅(qū)動(dòng)芯）只提供驅(qū)動(dòng)器中最重要的通用功能，因此它在不同的應(yīng)用中與不同模塊的連接需要依靠接口板來完成。整個(gè)模塊－驅(qū)動(dòng)單元包括了一個(gè)具有彈簧接口的功率模塊、一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)版或增強(qiáng)版驅(qū)動(dòng)芯以及連接驅(qū)動(dòng)芯到指定模塊的接口板。可以用戶化的接口板有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：用戶可以自己調(diào)整并決定igbt的開關(guān)特性，例如：通過調(diào)整rgon或rgoff來改變igbt開通或關(guān)斷的速度;調(diào)整死區(qū)時(shí)間或禁止互鎖功能;調(diào)整vce保護(hù)點(diǎn)和窗口時(shí)間等。與目前市場(chǎng)上的智能功率模塊ipm相比較，接口板使得整個(gè)系統(tǒng)變得更加靈活，更易于適應(yīng)不同的應(yīng)用。而一旦系統(tǒng)參數(shù)被設(shè)定后，整個(gè)系統(tǒng)可以如同ipm一樣使用方便。semix模塊與接口板的電氣連接是通過semix模塊中內(nèi)置的彈簧與接口板底層的觸點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的。裝配完成后，接口板的觸點(diǎn)觸壓模塊的彈簧觸點(diǎn)，通過壓力接觸完成電氣連接。與焊接技術(shù)相比，觸壓提高了功率模塊的可靠性。同樣，驅(qū)動(dòng)芯與接口板的插拔式連接也是為了避免焊接［6］。圖９為驅(qū)動(dòng)芯與接口板與semix模塊之間的連接示例圖。

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2.6高度集成化

驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展的趨勢(shì)是高度集成化，這樣可以減小驅(qū)動(dòng)器的體積，并且可以與igbt更為緊密地結(jié)合，使其安裝更方便，減小驅(qū)動(dòng)器igbt模塊之間的連接線長度，減小引線電感。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，目前國外某些公司開發(fā)的igbt驅(qū)動(dòng)模塊都采用了自主研發(fā)的專用集成電路asic，比如：semikron公司的skic2001a和concept公司的ldi001和lgd001，通過asic的應(yīng)用，可以將大部分的控制和保護(hù)功能用ic來實(shí)現(xiàn)，極大地減小了驅(qū)動(dòng)器的體積和增加了igbt驅(qū)動(dòng)器的可靠性。

3高壓大功率igbt驅(qū)動(dòng)模塊的發(fā)展趨勢(shì)

igbt作為一種復(fù)合性的功率半導(dǎo)體，由于其低功耗，高開關(guān)頻率和較大的電流容量，特別是在大功率變換器中正在得到越來越廣泛的應(yīng)用，對(duì)于其驅(qū)動(dòng)電路的要求也將會(huì)越來越高，主要的技術(shù)發(fā)展方向體現(xiàn)在以下幾方面。

（1）更高的集成度

目前大功率igbt驅(qū)動(dòng)模塊的體積還比較大，為了增加隔離電壓耐量，通常都會(huì)采用變壓器來實(shí)現(xiàn)隔離，變壓器的體積和重量相對(duì)比較大，而且比較難于實(shí)現(xiàn)集成化。因此，未來的驅(qū)動(dòng)器會(huì)采用體積更小、更容易集成化的隔離器件，比如：應(yīng)用壓電式變壓器或者先進(jìn)的磁集成技術(shù)來減小隔離元件的體積和重量，增加集成度［7］。可以預(yù)見的是未來大功率igbt必將和其驅(qū)動(dòng)電路集成在同一個(gè)模塊內(nèi)部，用戶只需要將控制信號(hào)直接引入功率模塊就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)igbt的控制。

（2）更高的隔離電壓

當(dāng)前驅(qū)動(dòng)器都是采用光耦和變壓器來實(shí)現(xiàn)隔離，光耦的優(yōu)點(diǎn)是體積小，但存在隔離電壓比較低、容易老化和延遲較大等不足。變壓器隔離的隔離電壓較高，延遲較小，但體積較大。因此，在需要高壓隔離的場(chǎng)合還多數(shù)采用變壓器來實(shí)現(xiàn)隔離，當(dāng)前，變壓器隔離的驅(qū)動(dòng)模塊的最高隔離電壓大約為3300v左右。而igbt的最高電壓等級(jí)已經(jīng)達(dá)到6500v，為了適應(yīng)更高電壓應(yīng)用場(chǎng)合，必須采用隔離電壓更高的驅(qū)動(dòng)器。

（3）更大的驅(qū)動(dòng)功率

igbt模塊的容量在不斷增加，單個(gè)模塊的電流容量已經(jīng)可以做到3600a，有時(shí)為了增加容量，通常采用并聯(lián)的方式工作，對(duì)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)功率也提出了更高的要求，驅(qū)動(dòng)器的最大輸出電流必須相應(yīng)地增加，特別是在多個(gè)模塊并聯(lián)應(yīng)用時(shí)，驅(qū)動(dòng)器平均輸出功率要求達(dá)到5w～10w，瞬時(shí)最大輸出電流要求達(dá)到30a以上。

（4）更高的開關(guān)頻率

為了適應(yīng)在感應(yīng)加熱電源等方面的應(yīng)用，igbt的開關(guān)頻率不斷增加，隨著制造技術(shù)的發(fā)展，igbt最高的開關(guān)頻率已經(jīng)可以做到100khz以上，已經(jīng)可以部分替代功率mos管，對(duì)于驅(qū)動(dòng)器來講，意味著必須提供更大的驅(qū)動(dòng)功率，而且還要驅(qū)動(dòng)器具有更短的驅(qū)動(dòng)脈沖延遲時(shí)間和上升、下降時(shí)間，提供更大的瞬時(shí)最大驅(qū)動(dòng)電流等。

（5）更完備的功能

現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的門極驅(qū)動(dòng)技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)對(duì)igbt開關(guān)過程中引起的di/dt，dv/dt的控制，從而控制變換電路的emi。有源門極驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以有效地控制igbt開關(guān)造成的較高的di/dt，dv/dt，相應(yīng)地可以使igbt工作在更加安全的工作區(qū)，減小其開關(guān)過程中產(chǎn)生的emi，相應(yīng)地減小igbt的緩沖吸收電路。其中三段有源門極驅(qū)動(dòng)技術(shù)是一種應(yīng)用前景比較廣泛的有源門極驅(qū)動(dòng)技術(shù)［8］。另外，為了滿足串、并聯(lián)igbt應(yīng)用的需要，驅(qū)動(dòng)器還必須具備動(dòng)態(tài)均壓和均流功能。

4結(jié)束語

igbt作為電力電子系統(tǒng)的一種關(guān)鍵的電力半導(dǎo)體器件已經(jīng)持續(xù)增長了若干年，由于它使電力電子裝置和設(shè)備實(shí)現(xiàn)了更高的效率，更高的開關(guān)頻率和功率變換裝置小型化的設(shè)計(jì)，隨著性能不斷提升，igbt器件的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)擴(kuò)展到更寬的范圍，不僅在工業(yè)中，而且在許多其他功率變換系統(tǒng)中，它已經(jīng)取代了大功率雙極晶體管（gtr）、功率mos場(chǎng)效應(yīng)管（mosfet），甚至出現(xiàn)替代門關(guān)斷晶閘管（gto）的現(xiàn)實(shí)趨勢(shì)。大功率igbt驅(qū)動(dòng)模塊技術(shù)將不斷完善，集成度也將提高，進(jìn)而減小igbt功耗和emi，提高系統(tǒng)的可靠性。隨著igbt制造技術(shù)的發(fā)展，和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步增加，對(duì)于其驅(qū)動(dòng)器的性能的要求也在不斷提高，各驅(qū)動(dòng)器制造商為了適應(yīng)新一代igbt的性能，正在研發(fā)性能更加完善的igbt驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品。

免責(zé)聲明：本文轉(zhuǎn)載自“半導(dǎo)體在線”，本文僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，不代表薩科微及行業(yè)觀點(diǎn)，只為轉(zhuǎn)載與分享，支持保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明原出處及作者，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系我們刪除。

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