大功率IGBT驱动技术的现状与发展.docx

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大功率IGBT驱动技术的现状与发展

大功率IGBT驱动技术的现状与发展

1　引言

　　电力电子技术在当今急需节能降耗的工业领域里起到了不可替代的作用;而igbt在诸如变频器、大功率开关电源等电力电子技术的能量变换与管理应用中，越来越成为各种主回路的首选功率开关器件，因此如何安全可靠地驱动igbt工作，也成为越来越多的设计工程师面临需要解决的课题。

　　在使用igbt构成的各种主回路之中，大功率igbt驱动保护电路起到弱电控制强电的终端界面（接口）作用。

因其重要性，所以可以将该电路看成是一个相对独立的“子系统”来研究、开发及设计。

　　大功率igbt驱动保护电路一直伴随igbt技术的发展而发展，现在市场上流行着很多种类非常成熟的大功率igbt驱动保护电路专用产品，成为大多数设计工程师的首选;也有许多的工程师根据其电路的特殊要求，自行研制出各种专用的大功率igbt驱动保护电路。

本文对这些大功率igbt驱动保护电路进行分类，并对该电路需要达到的一些功能进行阐述，最后展望此电路的发展。

此外本文所述大功率igbt驱动保护电路是指应用于直流母线电压在650v～1000v范围、输出电流的交流有效值在100a～600a范围的场合。

2　大功率igbt驱动保护电路的分类

　　按照大功率igbt驱动保护电路能够完成的功能来分类，可以将大功率igbt驱动保护电路分为以下三种类型:

单一功能型、多功能型、全功能型。

2.1　单一功能型

　　单一功能型的大功率igbt驱动保护电路一般是由光耦和功率缓冲器构成，如hcpl-3150等，如图1所示。

它将普通控制信号的ttl/cmos输入电平信号转变为正负十几伏的igbt门极驱动输出电平，正负电平的幅值取决于隔离电源。

图1　hcpl-3150原理框图及引脚示意图

　　工程师进行设计时可将它配上隔离电源电路、死区控制电路、逻辑处理电路、门极驱动电阻等，就可直接驱动igbt，形成最简单的大功率igbt驱动保护电路;也可以自己配上一些外围电路形成多功能型驱动器。

　　单一功能型的大功率igbt驱动保护电路的最大优点是应用灵活、成本较低。

它既可以应用于诸如斩波、boost等需要单只igbt运行的主回路，也可以应用于由多只igbt组成的半桥、单相全桥、三相全桥等主回路。

由于需要另配隔离电源电路、逻辑处理电路等，所以留给设计工程师的开发任务量大，这也是单一功能型的大功率igbt驱动保护电路的最大缺点。

这里的逻辑处理电路一般是指上电顺序逻辑及各类保护处理等功能。

　　此外像hcpl-3150等驱动器的驱动能力有限，一般都在3a以下，如果驱动600a以上的igbt就需要外接更大的功率缓冲电路或采取其它措施。

2.2　多功能型

　　多功能型的大功率igbt驱动保护电路除了提供直接驱动igbt的功能之外，还可以提供完善的保护功能，如hcpl-316j、m57962等，如图2和图3所示，它们一般采用混合厚膜封装技术或者采用集成封装技术，可以直接兼容cmos/ttl电平。

工程师进行设计时一般只需要配上隔离电源电路、死区控制电路、逻辑处理电路、门极驱动电阻等，就可以成为一个较为完整的大功率igbt驱动保护电路。

　　m57962、hcpl-316j等驱动器本身具有较完整的保护功能，集成度高。

其最大的优点是使开发人员的工作得到简化，而且可靠性高，非常适于多路驱动的场合。

但是由于它们的驱动能力也有限，如果驱动更高功率的igbt，也需要外接更大的功率缓冲电路。

m57962、hcpl-316j等驱动器一般提供软关断功能，在需要保护igbt退出过流、短路状态时，这个功能非常重要，它可以使igbt的npnp四层结构免于进入“可控硅栓锁”状态。

此外像hcpl-316j等驱动器还具备欠压锁定保护功能，这大大简化了设计者的工作。

2.3　全功能型

　　全功能型的大功率igbt驱动保护电路除了具有各类完善的保护功能之外，还都无一例外地配置了dc/dc隔离电源，如2sd315ai（concept）、skypertmpro（semikron）、2ed300c17-s（eupec）等，如图4、图5和图6所示。

都是目前国际上著名的全功能型驱动器。

图2　hcpl-316j原理框图及引脚示意图

图3　m57962原理框图及引脚示意图

图4　2sd315ai原理框图

图5　skyperpro原理框图

图6　2ed300c17-s原理框图

3　大功率igbt驱动保护电路的功能

　　根据不同的应用需要，大功率igbt驱动保护电路可以由多个功能组成一个相对完整的独立子系统。

该系统的主要任务是完成“接口”工作:

3.1　隔离功能

　　由于产生波形逻辑的控制电路与功率主回路之间存在电平差异，而且功率主回路存在非常高的电磁干扰，这就需要进行信号传递的隔离及电源供给的隔离。

信号隔离有两种方式:

光耦隔离方式及脉冲变压器隔离方式。

　　光耦隔离方式的优点是转换电路简单，易于应用。

由于上升延时及下降延时在500ns左右的量级，所以适用在频率较低的领域。

如果需要故障回传到主控系统，则需要另外一路光耦。

为了方便使用，也有将这两个光耦集成在一个封装之内的产品，如hcpl-316j等等。

目前市场上光耦隔离方式的最大工作隔离电压viorm在3500v左右。

　　脉冲变压器隔离方式的转换电路相对复杂，一般需要使用专用集成电路，但是由于其运行速度高，适用在频率较高的领域，而且故障回传不需要其它绕组，隔离通道相对简单。

只要空间位置允许，变压器隔离可以因为绕制工艺的改进做到非常高。

此外一些对动态的隔离有要求的应用场合，要求隔离电路的dv/dt耐量非常高，而使用脉冲变压器隔离则可以达到75kv/μs以上的水平。

电源供给隔离一般采用不共地的dc/dc变换器，其变压器隔离耐压一般是母线电压的3倍以上，变换器的二次侧必须能够提供正负电源。

3.2　死区隔离功能

　　驱动死区隔离的设置（见图7阴影部分）对于半桥、全桥主回路来说是非常重要的。

它一般是使用r、c电路来实现的。

r、c电路的优点是简单，抗干扰能力强，缺点是容易受温度影响，成本较高，需要占据宝贵的pcb板件的面积，死区时间的调整间隔偏大。

　　针对上述r、c电路的缺点，很多具有开发能力的用户愿意使用“数字”的方式来获得死区。

其最大的优点是温度稳定性好，由于调整步距仅仅与时钟信号频率有关，可以做到很精细，利于优化算法及主回路系统。

图7　上桥臂a与下桥臂b的死区示意

3.3　驱动功率的缓冲功能

　　对于输出额定电流在100a以上的igbt来说，虽然属于具有高阻输入的场控器件，但是由于寄生电容的存在以及弥勒效应，在短时内（微秒或亚微秒）需要向igbt的输入端输入或抽出较大的电流，从几百毫安到十几个安培不等，视igbt及主回路的参数来确定。

因此在功率容量上普通的逻辑电路及逻辑缓冲电路均无法胜任，需要专门设计的功率缓冲电路来解决。

这一类功率缓冲电路基本都是采用图腾柱输出级。

很多产品选用双极型器件如m57962l等，也有选用单极型器件的如2sd315ai等，更有采用混合型器件，其上管选用双极型器件，下管选用单极型器件如hcipl-316j等等。

为了满足瞬间能够源出、吸入十几个安培，去耦电容的选择及布局显得极为重要。

一般选用具有良好高频特性的独石电容，在pcb布局时要求尽量紧靠图腾柱。

　　功率缓冲级的电源供给的容量也是非常重要的，视igbt的门极电荷以或门极电容参数以及主回路工作频率来确定。

功率缓冲级电路如图8所示，它的隔离耐压水平与信号传递电路的耐压水平要求等同。

图8　功率缓冲级电路

3.4　检测及保护功能

3.4.1　过流检测及保护

　　一般采用间接电压法。

当igbt出现过流情况时，vce饱和压降增大，因此通过检测igbt导通时的vce饱和压降与设定的阈值进行比较就可以判断是否出现过流。

为了提高抗干扰能力，出现了很多的基准设置及比较方法，避免功率主回路出现频繁“打嗝”甚至停机的现象。

此外如何安全地关断一只甚至多只并联处于过流之中的igbt也需要仔细考虑，目前多数采用软关断方法避免igbt进入“栓锁”状态。

检测电路如图9所示。

图9　过流检测电路

3.4.2　欠压检测及保护

　　一般情况下，igbt栅极电压vge需15v才能使igbt进入深饱和;如果vge低于13v，在大电流时，ce之间过高的导通压降将使igbt芯片温度急剧上升;当栅极电压低于10v，igbt将工作于线性区并且很快因过热而烧毁;因此需要对vge的电压进行欠压检测。

在2ed300c17-s、skypertmpro等全功能型驱动器的二次侧上都集成了该功能。

3.4.3　温度检测及保护

　　在一些公司生产的igbt模块上，还集成了温度传感器，只需将该温度传感器的信号连接到驱动器的相应检测电路上，就能实现驱动器对igbt温度的检测。

由于传感器安放在igbt的芯片附近，可以更加真实地反映出igbt芯片的实际温度，所以可以更加可靠地保护igbt模块。

3.4.4　保护功能的逻辑处理

　　一旦igbt模块出现了上述的任何一个故障，都需要进入保护状态，所以保护功能的逻辑处理是最关键的一环，也是最难于设计的一环，而且一般也是由设计工程师自己来开发完成的。

它的处理原则是:

当某一只igbt出现了故障，要求保护逻辑处理做到:

（1）尽可能不停机;

（2）要防止事故进一步扩大;

（3）要求对报警信号进行真假的甄别。

这需要采取软件与硬件结合设计的方法来实现“智能保护逻辑处理”。

系统不同，管理保护的逻辑处理设计也不同。

一般采取的措施是:

首先安全关断“问题igbt”，然后根据系统的要求判断是否需要关断更多的igbt，直至停机。

同时要求每一个步骤都设定一个合适的延时，以便滤除伪信号。

3.5　短脉冲抑制功能

　　在驱动信号的传输过程中，由于干扰、计算误差等原因会造成在驱动信号上出现一些短脉冲，也叫“毛刺”;如果驱动器按照这些短脉冲进行相应的igbt开关，则会造成输出波形变差，因此必须对此类短脉冲进行抑制。

图10　短脉冲抑制功能

4　技术展望

4.1　门极驱动电压提升

　　目前igbt的开通电压一般采用+15v电压源驱动，有人已经提出发展恒流源驱动的方法，认为可以克服igbt的“米勒”电容效应，使igbt的导通更加可靠。

igbt的关断电压从最初的0v，到后来的-7v左右，低频下普遍使用-15v。

4.2　逐个脉冲软关断

　　现在大部分大功率igbt驱动保护电路在正常运行时的关断方式为硬关断，只有在出现过流的情况下才会采用软关断的方式。

而在感性负载情况之下，igbt关断之后为了保持电流的连续性，必然会有一只续流二极管导通，此时会在功率母线的寄生电感上产生一个尖峰电压:

δv=l×di/dt，除了寄生电感l及关断电流的大小影响之外，如果硬关断越快，即dt越小，则尖峰电压δv越高。

而对于应用在较低频状况下的大功率igbt，由于电流在几百安培，所以逐个脉冲进行软关断将会大大降低尖峰电压δv，使尖峰电压δv产生的干扰会大幅减小，可以提高系统的可靠性。

一些igbt生产厂商也在着手开发具有软关断特性的igbt芯片。

4.3　过流检测保护阈值（参考基准）设置方法

　　当前大部分大功率igbt驱动保护电路对过流检测的保护阈值只有一个，一般常规值设在7v～9v。

为了防止误报警，出现了一些不同的阈值设置方法。

　　变阈值设置方法:

在igbt从截止状态刚刚进入饱和状态期间（约几个微秒至十几个微秒），保护阈值可以从15v（或者更高）按照一定的曲线降至常规设置值，可以避免在此期间的扰动的伪信号造成误报警;

　　多阈值设置方法:

为了更为符合实际的工况应用情况，降低停机率，可以采用多阈值保护。

比如igbt的饱和压降达到第一阈值时，采用降低栅极电压的处理方式;达到更高的第二阈值时，才彻底关断igbt。

4.4　更加贴近驱动对象

　　目前，针对各种工况