大功率IGBT驅動的技術特點及發展趨勢分析

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2022-03-17 07:59:02 1

1引言

由于igbt具有開關頻率高、導通功耗小及門極控制方便等特點，在大功率變換系統中得到廣泛的應用。在igbt應用中，除其本身的技術水平以外，另一個要考慮的重要因素是其驅動器的設計是否合理與可靠。igbt驅動器作為功率電路和控制器之間的接口電路，對系統的功耗和可靠性等方面有著極大的關聯，一個優化的驅動器在功率變換系統中是不可或缺的，選擇適當的驅動電路就和變換器整體方案的可靠性緊密相關。

驅動器主要完成以下三個方面的功能，首先是驅動功能，為igbt開關提供足夠大的驅動電流，保證igbt能在其控制下可靠地開通和關斷;其次是驅動器要具有保護功能，當igbt發生短路或者過流時，驅動器能在最短的時間關斷igbt，保護功率器件。另外，在高電壓、大功率的應用場合，驅動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，驅動器還要考慮靈活性、性能與價格之間的關系。

由于igbt電流容量和電壓等級的不同，對其驅動器的技術要求也存在差異。在小功率應用中，由于驅動電流比較小，大多采用集成化的驅動器，而在大功率、高電壓的應用中，比如：大功率ups電源，高壓變頻器等，要求驅動器提供更大的驅動電流，更高的隔離電壓和更完善的保護功能。本文針對目前市場上常用的大功率igbt驅動模塊，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特點、設計要點以及未來大功率igbt驅動技術的發展趨勢。

2技術特點分析

2.1完善的信號處理功能

在高壓大功率應用中，考慮到開關產生的強干擾和igbt的高成本等因素，確保igbt驅動信號的可靠性非常重要。因此，大功率的igbt驅動模塊通常都具有完善的驅動脈沖信號預處理功能，其目的是保證igbt柵極的脈沖信號的可靠性。常見的驅動信號處理功能如下：

（1）雙路脈沖互鎖功能

當驅動模塊輸出兩路脈沖信號分別控制同一橋臂上面的上、下兩只igbt時，如果驅動信號同時控制兩只igbt導通，則會出現直通短路的現象，可能造成igbt或其它器件的損壞。為了防止出現上述情況，在驅動模塊的內部設計了信號互鎖電路，確保當輸入兩路脈沖信號同時為高時，兩路輸出同時為低電平，防止出現直通現象。當需要雙路驅動信號獨立控制時，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，通過驅動器加到igbt的柵極，可能造成igbt在短時間內完成一個開關過程，過短的脈沖信號使igbt還未完全開通又轉為關斷，對變換器的輸出產生不良影響，并且增加了igbt的開關損耗，降低了系統的效率。在驅動器中設計了濾波電路，去除窄脈沖信號，有利于提高igbt可靠性。

（3）死區時間設定功能

在半橋式的工作模式下，兩只igbt必須輪流導通，為了防止兩只igbt在開關交替過程中出現兩管同時處于開通狀態，在兩管交替導通時必須加入一定的死區時間，根據不同特性的igbt，死區時間也不相同。在雙路大功率驅動模塊中，內部設計了死區控制電路，都可以通過外部端子的不同接法來調節死區的大小，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大功率驅動器的信號處理框圖［3］，其中包括了各種信號處理功能模塊，其目的就是保證igbt驅動信號的可靠性。

2.2 驅動信號的隔離傳輸方式

考慮高壓大功率igbt驅動器工作在高電壓環境，為了保證控制器不受高壓側的影響，驅動脈沖信號必須經過隔離后再傳送到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的高壓應用場合很少采用。而采用脈沖變壓器隔離方式（磁隔離）可以實現相對較高的隔離電壓，而且變壓器的可靠性高，傳輸延遲小，可以實現較高的開關頻率，不存在老化的問題，因此在高壓igbt驅動器中多數采用脈沖變壓器作為隔離元件來完成驅動信號的隔離傳輸。

傳統的驅動用脈沖變壓器是將放大后的脈沖信號隔離后直接驅動igbt或功率mos管，其基本的電路原理如圖2所示。初級串聯電容的作用是去除驅動脈沖的直流分量。次級并聯的穩壓管用于防止輸出電壓過高而損壞功率開關管。這種工作方式無需單獨的驅動電源，電路設計簡單，成本也比較低。但是當驅動脈沖的占空比變化范圍比較大，特別是在占空比比較大時，由于變壓器輸出波形在一個周期的伏秒面積必須相等，可能使輸出正脈沖幅度減小，以至于無法正常驅動igbt，通常要求控制脈沖占空比小于50%。同時，脈沖變壓器磁芯的飽和問題也限制了控制脈沖的導通時間。另外一個缺點是驅動波形存在失真，特別是在驅動大功率igbt時，由于igbt的輸入電容比較大，脈沖變壓器次級輸出的驅動脈沖波形很難滿足驅動要求。因此，這種驅動方式主要應用于小功率的開關電源中。

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對于高壓大功率igbt，上述驅動方式顯然無法應用。通常采用的方法是調制驅動脈沖信號，將其上升沿和下降沿轉換為兩個反相的窄脈沖信號，脈沖變壓器只是將這兩個脈沖信號耦合到次級，再通過次級重構的方法還原驅動脈沖信號。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。這種方式的優點是脈沖變壓器只傳遞脈沖寬度固定的窄脈沖信號，可以適應占空比寬范圍變化的驅動脈沖信號。由于變壓器傳遞的是窄脈沖信號，變壓器的磁芯和繞組可以取比較小的值，相應的漏感和分布電容也比較小，這都有利于脈沖變壓器的設計和信號的傳輸。不足之處是增加了變換和重構電路，電路相對比較復雜一些。圖4為變換后脈沖變壓器初級實驗波形。

大功率igbt驅動模塊為了方便用戶對驅動電源的設計，內部通常都自帶了dc/dc變換器。具有高隔離電壓等級的dc/dc變換器無需用戶單獨設計隔離電源，集成的隔離變換器通常采用半橋式或推挽式的結構，為了增加隔離電壓，簡化變換器控制電路，一般不帶閉環控制，個別驅動器在輸出端增加了線性穩壓電源來實現驅動電壓的穩定。為了減小變壓器的體積，工作頻率多在100khz以上。在高壓大功率應用場合，根據不同的母線電壓，驅動器初次級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。另外一個必須考慮的因素是dv/dt耐量，當igbt高速開關時，可能產生非常高的dv/dt，此信號可以經過隔離變壓器或脈沖變壓器耦合到初級控制電路，對控制電路產生干擾。因此，在隔離變壓器的設計時還要求其具有非常小的初次級耦合電容，根據對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現上述高隔離電壓的關鍵，為了增加隔離電壓耐量，減小初、次級或次級之間的耦合電容，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驅動模塊2ed300c17的變壓器結構示意圖［4］。

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2.4短路保護及門限調節

當前普遍采用的igbt短路或過流保護方式是通過檢測vce的電壓值來實現的［5］，當igbt出現短路或過流時，其工作區將退出飽和區而使vce電壓升高，具體的保護電路原理如圖6所示。通過二極管d與igbt的集電極相連來實現igbt的欠飽和檢測，vce電壓升高將相應地使串聯二極管的陽極電位升高，當超過設定的短路門限時保護電路動作，關斷igbt。由于igbt在開通初期的集電極電壓比較高，如果此時保護電路工作可能造成誤動作，必須設置一個盲區時間，在此時間內短路保護電路是不工作的。此功能是通過開關s和外接并聯電阻rce和電容cce來實現的，當igbt關斷時，s開通，電容cce被充電到15v，當igbt開通時，s關斷，cce電容經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，參考電壓高于檢測電壓，防止保護電路誤動作，正常工作時的波形如圖7（a）所示。發生短路或過流故障時的波形如圖7（b）所示。

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2.5用戶接口方式

為了適應不同的廠商封裝的igbt模塊，igbt驅動器必須具有友好的用戶接口。同時還要具有廣泛的靈活性和經濟的成本。目前市場上常見的驅動模塊主要是采用焊接在pcb板上來實現與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公司開發的驅動模塊skyper的外觀圖。它通過直插式的方式與驅動接口板相連接。

由于驅動模塊（驅動芯）只提供驅動器中最重要的通用功能，因此它在不同的應用中與不同模塊的連接需要依靠接口板來完成。整個模塊－驅動單元包括了一個具有彈簧接口的功率模塊、一個標準版或增強版驅動芯以及連接驅動芯到指定模塊的接口板。可以用戶化的接口板有一個突出的優點：用戶可以自己調整并決定igbt的開關特性，例如：通過調整rgon或rgoff來改變igbt開通或關斷的速度;調整死區時間或禁止互鎖功能;調整vce保護點和窗口時間等。與目前市場上的智能功率模塊ipm相比較，接口板使得整個系統變得更加靈活，更易于適應不同的應用。而一旦系統參數被設定后，整個系統可以如同ipm一樣使用方便。semix模塊與接口板的電氣連接是通過semix模塊中內置的彈簧與接口板底層的觸點來實現的。裝配完成后，接口板的觸點觸壓模塊的彈簧觸點，通過壓力接觸完成電氣連接。與焊接技術相比，觸壓提高了功率模塊的可靠性。同樣，驅動芯與接口板的插拔式連接也是為了避免焊接［6］。圖９為驅動芯與接口板與semix模塊之間的連接示例圖。

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2.6高度集成化

驅動器的發展的趨勢是高度集成化，這樣可以減小驅動器的體積，并且可以與igbt更為緊密地結合，使其安裝更方便，減小驅動器igbt模塊之間的連接線長度，減小引線電感。為了實現這一目標，目前國外某些公司開發的igbt驅動模塊都采用了自主研發的專用集成電路asic，比如：semikron公司的skic2001a和concept公司的ldi001和lgd001，通過asic的應用，可以將大部分的控制和保護功能用ic來實現，極大地減小了驅動器的體積和增加了igbt驅動器的可靠性。

3高壓大功率igbt驅動模塊的發展趨勢

igbt作為一種復合性的功率半導體，由于其低功耗，高開關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用，對于其驅動電路的要求也將會越來越高，主要的技術發展方向體現在以下幾方面。

（1）更高的集成度

目前大功率igbt驅動模塊的體積還比較大，為了增加隔離電壓耐量，通常都會采用變壓器來實現隔離，變壓器的體積和重量相對比較大，而且比較難于實現集成化。因此，未來的驅動器會采用體積更小、更容易集成化的隔離器件，比如：應用壓電式變壓器或者先進的磁集成技術來減小隔離元件的體積和重量，增加集成度［7］。可以預見的是未來大功率igbt必將和其驅動電路集成在同一個模塊內部，用戶只需要將控制信號直接引入功率模塊就可以實現對igbt的控制。

（2）更高的隔離電壓

當前驅動器都是采用光耦和變壓器來實現隔離，光耦的優點是體積小，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合還多數采用變壓器來實現隔離，當前，變壓器隔離的驅動模塊的最高隔離電壓大約為3300v左右。而igbt的最高電壓等級已經達到6500v，為了適應更高電壓應用場合，必須采用隔離電壓更高的驅動器。

（3）更大的驅動功率

igbt模塊的容量在不斷增加，單個模塊的電流容量已經可以做到3600a，有時為了增加容量，通常采用并聯的方式工作，對驅動器的驅動功率也提出了更高的要求，驅動器的最大輸出電流必須相應地增加，特別是在多個模塊并聯應用時，驅動器平均輸出功率要求達到5w～10w，瞬時最大輸出電流要求達到30a以上。

（4）更高的開關頻率

為了適應在感應加熱電源等方面的應用，igbt的開關頻率不斷增加，隨著制造技術的發展，igbt最高的開關頻率已經可以做到100khz以上，已經可以部分替代功率mos管，對于驅動器來講，意味著必須提供更大的驅動功率，而且還要驅動器具有更短的驅動脈沖延遲時間和上升、下降時間，提供更大的瞬時最大驅動電流等。

（5）更完備的功能

現在廣泛應用的門極驅動技術無法實現對igbt開關過程中引起的di/dt，dv/dt的控制，從而控制變換電路的emi。有源門極驅動技術可以有效地控制igbt開關造成的較高的di/dt，dv/dt，相應地可以使igbt工作在更加安全的工作區，減小其開關過程中產生的emi，相應地減小igbt的緩沖吸收電路。其中三段有源門極驅動技術是一種應用前景比較廣泛的有源門極驅動技術［8］。另外，為了滿足串、并聯igbt應用的需要，驅動器還必須具備動態均壓和均流功能。

4結束語

igbt作為電力電子系統的一種關鍵的電力半導體器件已經持續增長了若干年，由于它使電力電子裝置和設備實現了更高的效率，更高的開關頻率和功率變換裝置小型化的設計，隨著性能不斷提升，igbt器件的應用領域已經擴展到更寬的范圍，不僅在工業中，而且在許多其他功率變換系統中，它已經取代了大功率雙極晶體管（gtr）、功率mos場效應管（mosfet），甚至出現替代門關斷晶閘管（gto）的現實趨勢。大功率igbt驅動模塊技術將不斷完善，集成度也將提高，進而減小igbt功耗和emi，提高系統的可靠性。隨著igbt制造技術的發展，和應用領域將進一步增加，對于其驅動器的性能的要求也在不斷提高，各驅動器制造商為了適應新一代igbt的性能，正在研發性能更加完善的igbt驅動器產品。

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