IGBT驅(qū)動板簡介

1、課程目標通過本課程，1 、以典型驅(qū)動板為例詳細講解驅(qū)動板的各項功能和基礎(chǔ)知識。2、介紹IGBT驅(qū)動板的編號含義。3、驅(qū)動板使用時的注意事項。IGBT驅(qū)動板簡介IGBT驅(qū)動板的基礎(chǔ)知識驅(qū)動板作為控制系統(tǒng)與開關(guān)器件之間重要的中間環(huán)節(jié)，承擔(dān)著接收控制系統(tǒng)控制指令、傳輸控制命令、確保開關(guān)器件IGBT執(zhí)行正確的開關(guān)動作、保護開關(guān)器件以及回饋IGBT工作狀態(tài)的任務(wù)。IGBT驅(qū)動板簡介IGBT驅(qū)動板的基礎(chǔ)知識為了實現(xiàn)驅(qū)動板的功能，驅(qū)動板一般由電源、信號接收、電位隔離、信號傳輸、驅(qū)動執(zhí)行、器件保護、狀態(tài)反饋等7大部分組成，現(xiàn)以常用的0435驅(qū)動板所用的0435驅(qū)動核為例，講解各部分功能與實現(xiàn)的原理。IGBT驅(qū)

2、動板簡介IGBT驅(qū)動板的基礎(chǔ)知識一、電源分為兩部分：一次側(cè)電源、二次側(cè)電源一次側(cè)電源：上圖藍圈所示，控制系統(tǒng)或者開關(guān)電源，如PIB或者QP320，通過排線或者雙絞線為控系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流電，目前多為15V，以供控制板自身用電并通過變壓器為二次側(cè)（強電側(cè)）提供電源。IGBT驅(qū)動板簡介IGBT驅(qū)動板的基礎(chǔ)知識二次側(cè)電源：上圖藍圈所示，一次側(cè)直流電源經(jīng)過逆變，然后通過變壓器為二次側(cè)提供交流電，變壓器二次側(cè)的交流電通過整流橋以及濾波電容為二次側(cè)提供穩(wěn)定的直流電壓，該直流電壓一般在25-30V左右，即開通正壓與關(guān)斷負壓的絕對值之和。電源的穩(wěn)定是整個驅(qū)動板正常工作的基礎(chǔ)。IGBT驅(qū)動板簡介IGBT驅(qū)動板的

3、基礎(chǔ)知識對于0435驅(qū)動板，電源與信號傳輸被集成到了一個模塊中，信號傳輸通過電磁方式。而對于光纖驅(qū)動板，例如常用的1SD536F2或者1SP0635，電源與信號傳輸是分開的。例如上圖中藍圈所示為電源部分的變壓器，而紅圈所示部分為光纖傳輸用的光纖頭。信號是通過光脈沖進行傳輸?shù)摹GBT驅(qū)動板簡介IGBT驅(qū)動板的基礎(chǔ)知識二、信號接收上圖中的藍圈與紅圈，0435驅(qū)動板是雙通道驅(qū)動板，可以同時驅(qū)動兩個或者兩組并聯(lián)IGBT，因此其信號接收端共有兩個，分別對應(yīng)兩個或者兩組并聯(lián)的IGBT。這個端口負責(zé)接收控制系統(tǒng)發(fā)出的驅(qū)動信號，高電平代表開，低電平代表關(guān)，工作模式均為施密特觸發(fā)方式，即僅響應(yīng)開關(guān)的上升/下降

4、的跳變沿，而不響應(yīng)常高或者常低的狀態(tài)。這一點在短路保護時有一定的作用。IGBT驅(qū)動板簡介IGBT驅(qū)動板的基礎(chǔ)知識例如當(dāng)IGBT發(fā)生短路后，驅(qū)動板鎖定IGBT為關(guān)斷狀態(tài)，同時故障信號反饋給一次側(cè)，對于0635這類光纖驅(qū)動板，其故障反饋時間與鎖止時間較短，只有大概9s，結(jié)束后驅(qū)動板正常工作，即使鎖止結(jié)束時刻控制系統(tǒng)因為意外原因沒有及時鎖住驅(qū)動信號，而使得信號依然為常高，IGBT也不會開通，直到關(guān)斷信號之后的下一個開通信號，如此可防止IGBT短時間內(nèi)經(jīng)歷多次一類短路，導(dǎo)致炸機。IGBT驅(qū)動板簡介IGBT驅(qū)動板的基礎(chǔ)知識三、電位隔離由于一次側(cè)與二次側(cè)、不同的二次側(cè)之間具有不同的電位，因此驅(qū)動板必須要具

5、有可靠的電位隔離措施。電源通過隔離變壓器進行隔離（藍圈），不同的二次側(cè)之間通過獨立的變壓器以及充足的電氣間隙與爬電距離進行隔離（紅圈）。類似0435的電磁的信號傳輸方式，信號的電位隔離也是通過變壓器（藍圈），而類似1SD536F2之類的光纖驅(qū)動板，信號的隔離通過光信號（黃圈）實現(xiàn)。而對于電壓更高的產(chǎn)品，例如3300V三電平，板載的隔離已經(jīng)不滿足需求了，因此需要配置專用的隔離模塊。IGBT驅(qū)動板簡介IGBT驅(qū)動板的基礎(chǔ)知識四、信號傳輸途中藍圈所示，控制系統(tǒng)的信號（跳變沿）被接收后，一次側(cè)的芯片將接收到的信號通過變壓器傳遞給二次側(cè)進行執(zhí)行。光纖類驅(qū)動板則是通過光纖中光信號的有無來傳遞IGBT驅(qū)動板

6、簡介IGBT驅(qū)動板的基礎(chǔ)知識上兩圖為0435驅(qū)動板一次側(cè)信號（2通道）的開關(guān)對應(yīng)驅(qū)動板二次側(cè)（1通道）的開關(guān)執(zhí)行情況。IGBT驅(qū)動板簡介IGBT驅(qū)動板的基礎(chǔ)知識五、驅(qū)動執(zhí)行二次側(cè)芯片在收到一次側(cè)傳遞的開關(guān)信號（變壓器或者光脈沖）之后，通過分別控制門極開通（GH）、關(guān)斷（GL）引腳處的的Mosfet的開關(guān)來控制門極電壓為電源高電平或者電源低電平，進而控制IGBT的開關(guān)動作。這也是二次側(cè)電源電壓與門極開關(guān)電壓絕對值之和相等的原因。IGBT驅(qū)動板簡介IGBT驅(qū)動板的基礎(chǔ)知識六、器件保護保護功能主要是電源監(jiān)控和短路保護，短路保護又分為一類和二類短路保護。電源保護功能針對的是電源欠壓，當(dāng)驅(qū)動板一次側(cè)或者

7、二次側(cè)電源發(fā)生欠壓時，故障信號通過狀態(tài)反饋引腳或者光信號反饋給一次側(cè)或者控制系統(tǒng)，直到欠壓故障消失。IGBT驅(qū)動板簡介IGBT驅(qū)動板的基礎(chǔ)知識短路保護驅(qū)動板都具有一類短路功能，當(dāng)IGBT發(fā)生一類短路后，驅(qū)動板可以在不受到控制系統(tǒng)控制的情況下自行關(guān)斷IGBT，及時保護IGBT防止因功耗過大（短路峰值損耗在兆瓦級）而損壞。IGBT驅(qū)動板簡介IGBT驅(qū)動板的基礎(chǔ)知識一類短路的特征為IGBT在開通后，通過IGBT的短路電流急速上升達到飽和電流（大概4-6倍額定電流，倍數(shù)受到溫度影響），同時IGBT的CE電壓達到母線電壓，此時瞬時功耗極大，此為一類短路。出現(xiàn)的條件：某相的輸出與+或者-極之間有一段極端的

8、導(dǎo)線短路，或者某相的半橋擊穿短路。這兩種情況的同一個特征就是短路線的電感非常低。IGBT驅(qū)動板簡介IGBT驅(qū)動板的基礎(chǔ)知識短路保護功能原理IGBT開通后，短路導(dǎo)致CE之間電壓升高到母線電壓，即上圖紅圈所示點處，高壓通過圖中紅色箭頭路徑為Ca2充電，當(dāng)Ca2兩端電壓達到一定的閾值之后，圖中綠圈所示的VCE2收到信號，芯片進行短路保護動作自行關(guān)斷IGBT，同時將短路狀態(tài)信號反饋到一次側(cè)。一類短路保護原理簡單，實現(xiàn)也容易。IGBT驅(qū)動板簡介IGBT驅(qū)動板的基礎(chǔ)知識二類短路除了一類短路外，IGBT還有可能遭受二類短路情況的考驗，二類短路的特征為IGBT短路電流快速上升，但IGBT不進入退保和即關(guān)斷，此

9、時IGBT兩端電壓會由于系統(tǒng)內(nèi)雜散電感的影響而出現(xiàn)電壓尖刺。二類短路其實是IGBT的一種極限關(guān)斷行為，在關(guān)斷時短路電流越大，電壓尖刺越高，當(dāng)峰值電壓超過IGBT耐壓極限時，IGBT就會由于過壓損壞。IGBT驅(qū)動板簡介IGBT驅(qū)動板的基礎(chǔ)知識二類短路發(fā)生的情況一般出現(xiàn)在電機或者電抗器絕緣擊穿時，此時短路線的電感很大，因此短路電流上升緩慢。不僅僅是二類短路關(guān)斷時，即便是在系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下的正常關(guān)斷行為也會產(chǎn)生關(guān)斷尖刺，只是正常關(guān)斷行為產(chǎn)生的電壓尖刺較小，不會造成損害。降低二類短路最根本的解決辦法是系統(tǒng)的布局與機械結(jié)構(gòu)設(shè)計要達到實現(xiàn)回路最小面積的目的，這樣系統(tǒng)內(nèi)的雜散電感最小，基礎(chǔ)原則為盡可能用疊

10、層的措施、對于不能疊層的部分采用寬、扁、短的設(shè)計。二類短路相對一類短路保護難度更大，保護也更有必要。IGBT驅(qū)動板簡介IGBT驅(qū)動板的基礎(chǔ)知識二類短路保護隨著系統(tǒng)的復(fù)雜程度越來越高，僅僅依靠機械設(shè)計降低雜散電感的難度越來越大，隨著三電平類產(chǎn)品的出現(xiàn)，僅僅依靠降低回路面積的方式已經(jīng)無法滿足實際需求，因此現(xiàn)在的驅(qū)動板多采取有源鉗位的方式來控制短路關(guān)斷動作，降低關(guān)斷速度，進而降低電壓尖刺。IGBT驅(qū)動板簡介IGBT驅(qū)動板的基礎(chǔ)知識二類短路保護原理當(dāng)IGBT的CE間電壓超過某一限值時（例如3300V驅(qū)動板限值多為2500V），TVS管Dz導(dǎo)通，產(chǎn)生了電流Iz，這個電流會通過為IGBT門極電容充電使得門

11、極電壓降低變慢，而間接的降低IGBT的關(guān)斷速度，抑制電壓尖刺。隨著技術(shù)的進步，有源鉗位的也衍生出了高級有源鉗位，效率更高，效果更好，基礎(chǔ)原理一致。IGBT驅(qū)動板簡介IGBT驅(qū)動板的基礎(chǔ)知識七、狀態(tài)反饋在驅(qū)動板工作過程中，二次側(cè)會將其工作及時反饋給一次側(cè)，以便控制系統(tǒng)檢測IGBT工裝狀態(tài)，進行相應(yīng)的控制動作。目前狀態(tài)反饋的主要內(nèi)容為故障狀態(tài)反饋，包括電源欠壓和一類短路，即將驅(qū)動板發(fā)生故障的信號及時傳遞給一次側(cè)。0435驅(qū)動板在發(fā)生故障后，狀態(tài)輸出引腳（上圖藍圈）將會轉(zhuǎn)為低阻抗，持續(xù)到阻斷時間（可調(diào)）結(jié)束。IGBT驅(qū)動板簡介IGBT驅(qū)動板的基礎(chǔ)知識而對于0635之類的光纖型驅(qū)動板而言，故障信號則要

12、通過光信號來表達。這類驅(qū)動板除了電源欠壓及一類短路外，往往還有一個握手協(xié)議狀態(tài)反饋，在每次開通或關(guān)斷指令收到后，驅(qū)動板將向控制系統(tǒng)反饋一個700ns的脈沖，表示已收到開關(guān)信號。但該脈沖容易觸發(fā)短路保護誤動作，因此該信號往往需要濾除。IGBT驅(qū)動板簡介IGBT驅(qū)動板的基礎(chǔ)知識當(dāng)確有故障發(fā)生時，驅(qū)動板會反饋一個大概9s左右的脈沖信號，傳遞故障信號。因此光纖驅(qū)動板的故障信號是通過光的消失時間來表達的。IGBT驅(qū)動板簡介IGBT驅(qū)動板的基礎(chǔ)知識八、驅(qū)動板開通、關(guān)斷電阻大部分驅(qū)動板都具有獨立可調(diào)的開通、關(guān)斷電阻（有些在門極板上），該電阻的作用在于調(diào)節(jié)IGBT的開通、關(guān)斷速度，一般采用大功率插件電阻或者小

13、功率貼片電阻多并聯(lián)。IGBT驅(qū)動板簡介IGBT驅(qū)動板的基礎(chǔ)知識開關(guān)電阻的作用原理：IGBT的門極實際上是一個Mosfet開關(guān)，是用電壓信號控制門極開關(guān)，門機上有一個門極電容（IGBT內(nèi)部或者板載的），隨著這個電容上的電壓的變化，IGBT進行相應(yīng)的動作。開關(guān)電阻與門極電容串聯(lián)形成RC充放電電路，因此可以通過調(diào)節(jié)門極電阻來調(diào)節(jié)RC充放電時間，進而控制IGBT開關(guān)速度。開通電阻小，開通快；關(guān)斷電阻大，關(guān)斷慢。IGBT驅(qū)動板簡介IGBT驅(qū)動板的基礎(chǔ)知識目前市面上成型的驅(qū)動板多為光纖驅(qū)動板，此種驅(qū)動板針對不同廠家的同類IGBT、同一廠家的不同IGBT已經(jīng)進行了電阻適配，方便了使用與維護。需要注意的是，同

14、一類型的驅(qū)動板對不同類型的IGBT是不通用的，在實際使用時注意驅(qū)動板與IGBT的匹配。IGBT驅(qū)動板簡介IGBT驅(qū)動板的基礎(chǔ)知識門極電阻可以根據(jù)實際需要而進行調(diào)整，因此可以針對系統(tǒng)需求自行調(diào)整電阻配置。需要注意的是開關(guān)電阻直接影響IGBT的開關(guān)速度，也直接影響IGBT的開關(guān)損耗，電阻越大，損耗越大。其中開通電阻對于開通損耗的影響很明顯，因此一般越小越好，而關(guān)斷電阻對關(guān)斷損耗影響不大，為了短路保護，可適當(dāng)放大阻值。IGBT驅(qū)動板簡介開通電阻對開通時間的影響開通電阻為3歐姆開通電阻為5歐姆IGBT驅(qū)動板簡介關(guān)斷電阻對關(guān)斷時間的影響驅(qū)動電阻為2歐姆，關(guān)斷時間1.64us驅(qū)動電阻為4.7歐姆，關(guān)斷時間

15、3.56usIGBT驅(qū)動板簡介常用驅(qū)動板編號含義電壓等級，1700V驅(qū)動核命名規(guī)則驅(qū)動核命名規(guī)則運行溫度，對不同驅(qū)動核含義不同第二代驅(qū)動器隔離技術(shù)T：變壓器方式V：普通光纖頭S：ST光纖頭單通道峰值輸出電流，單位為A單通道平均輸出功率，單位為W驅(qū)動器系列，SC代表驅(qū)動核，SP代表即插即用型驅(qū)動板通道數(shù)，2通道IGBT驅(qū)動板簡介常用驅(qū)動板編號含義即插即用驅(qū)動板命名規(guī)則即插即用驅(qū)動板命名規(guī)則IGBT驅(qū)動板簡介驅(qū)動板使用時的注意事項一、型號匹配1、驅(qū)動板與IGBT的電壓等級保證一致。2、驅(qū)動板小類別與IGBT型號一致，即插即用型驅(qū)動板后綴帶有所驅(qū)動IGBT型號，使用前注意檢查型號匹配，如果暫時沒有同型號驅(qū)動板可用，可以根據(jù)配置表將其他型號驅(qū)動板改為所需型號。IGBT驅(qū)動板簡介驅(qū)動板使用時的注意事項二、防靜電措施 CONCEPT門極驅(qū)動器基于高度集成的專用集成電路芯片組。 這些芯片組分別基于雙極和CMOS 技術(shù)設(shè)計而成。它們僅提供有限的靜電防護功能。 因此，必須強制執(zhí)行適當(dāng)?shù)姆漓o電處理，以確保產(chǎn)品能夠正常工作并獲得高可靠性。 整體防靜電保護需要從來料