IGBT驅(qū)動(dòng)技術(shù)概述

1、.1.2lIGBT驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)l國(guó)內(nèi)外典型國(guó)內(nèi)外典型IGBT驅(qū)動(dòng)器概述驅(qū)動(dòng)器概述l所內(nèi)所內(nèi)IGBT驅(qū)動(dòng)現(xiàn)狀及發(fā)展計(jì)劃驅(qū)動(dòng)現(xiàn)狀及發(fā)展計(jì)劃 .31.1 IGBT驅(qū)動(dòng)的概念與意義驅(qū)動(dòng)的概念與意義1.2 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管(IGBT) 1.3 IGBT驅(qū)動(dòng)電路基本要素驅(qū)動(dòng)電路基本要素1.4 IGBT驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中需考慮的一些問題驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中需考慮的一些問題.4 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路主電路與控制電路之間的接口基本功能是將控制電路發(fā)出的開關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合IGBT驅(qū)動(dòng)的信號(hào)，對(duì)IGBT的開關(guān)進(jìn)行控制器件或整個(gè)裝置的一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中，或通過驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn).5l影響決定影響決定IGBT的開關(guān)損耗的

2、開關(guān)損耗 IGBT 的損耗由開關(guān)損耗和開通損耗 組成，其中對(duì)于固定的裝置來說，開通損耗基本上是固定的，但開關(guān)損耗是可控的l直接影響直接影響IGBT元件的可靠性，從而影元件的可靠性，從而影響響IGBT變流裝置的可靠性變流裝置的可靠性 IGBT元件的電氣保護(hù)基本上全都設(shè)計(jì)在IGBT驅(qū)動(dòng)中，如過流短路保護(hù)、過壓保護(hù)、軟關(guān)斷等。.6l決定決定IGBT裝置的最大輸出功率裝置的最大輸出功率 IGBT元件性能可以發(fā)揮的程度直接由元件性能可以發(fā)揮的程度直接由IGBT驅(qū)動(dòng)決定，例如，對(duì)于驅(qū)動(dòng)決定，例如，對(duì)于1200A/3300V的的IGBT元件，好的驅(qū)動(dòng)電路能使其以元件，好的驅(qū)動(dòng)電路能使其以1200A持續(xù)運(yùn)行（

3、散熱允許），但一般我持續(xù)運(yùn)行（散熱允許），但一般我們只能讓其在們只能讓其在800900A時(shí)就開始保護(hù)，時(shí)就開始保護(hù)，否則，難以確保真正發(fā)生過流時(shí)是否能可否則，難以確保真正發(fā)生過流時(shí)是否能可靠關(guān)斷靠關(guān)斷IGBT。.7l總而言之，對(duì)于發(fā)展國(guó)內(nèi)總而言之，對(duì)于發(fā)展國(guó)內(nèi)IGBT變流器變流器技術(shù)來說，開發(fā)一種先進(jìn)技術(shù)來說，開發(fā)一種先進(jìn)IGBT門極驅(qū)門極驅(qū)動(dòng)單元?jiǎng)訂卧狦DU是非常必要且迫切的是非常必要且迫切的。 .81.2.1 IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理1.2.2 IGBT的靜態(tài)特性的靜態(tài)特性1.2.3 IGBT的動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)態(tài)特性1.2.3 IGBT的擎住效應(yīng)安與全工作區(qū)的擎住效應(yīng)安與全工作

4、區(qū).9三端器件：柵（門）極G、集電極C和發(fā)射極El內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡(jiǎn)化等效電路 c) 電氣圖形符號(hào) RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻.10lIGBT的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖a表明， IGBT是N溝道VDMOSFET與GTR組合 IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，形成了一個(gè)大面積的P+N結(jié)J1 使IGBT導(dǎo)通時(shí)由P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，從而對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，使得IGBT具有很強(qiáng)的通流能力簡(jiǎn)化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管.11l IGBT的工作原理的工作原理 驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場(chǎng)控器通

5、斷由柵射極電壓uGE決定導(dǎo)通導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓開啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通導(dǎo)通壓降導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降小關(guān)斷關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷.12l轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性開啟電壓開啟電壓UGE(th)IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓UGE(th)隨溫度升高而 略 有 下 降 ， 在+25C時(shí)，UGE(th)的值一般為26V.13lIGBT的輸出特性的輸出特性IGBT 導(dǎo)通時(shí)，流過其集電極的電流越大， Vce的靜態(tài)壓降也越大。根據(jù)這個(gè)關(guān)系

6、，我們可以通過檢測(cè)Vce的壓降來對(duì)IGBT 元件進(jìn)行過流保護(hù)。.14 .15lIGBT的開通過程的開通過程 與MOSFET的相似，因?yàn)殚_通過程中IGBT在大部分時(shí)間作為MOSFET運(yùn)行開通時(shí)間tontd(on) (開通延遲時(shí)間)與tr (電流上升時(shí)間)之和uCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。 tfv1 為IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過程；tf v 2為MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過程 .16lIGBT的關(guān)斷過程的關(guān)斷過程關(guān)斷時(shí)間tofftd(off) （關(guān)斷延遲時(shí)間）與tfi （電流下降時(shí)間）之和電流下降時(shí)間又可分為tfi1和tfi2兩段。Tfi1為IGBT

7、內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，iC下降較快；tfi2為IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，iC下降較慢.17lIGBT的擎住效應(yīng)的擎住效應(yīng) 當(dāng) IC 大到一定程度，或關(guān)斷的動(dòng)態(tài)過程中dVCE dt 過高，使 V2 開通，進(jìn)而使 V2 和 V3 處于飽和狀態(tài)，柵極失去控制作用具有寄生晶閘管IGBT等效電路.18l正偏安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)（FBSOA） 最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定.19l反偏安全工作反偏安全工作區(qū)（區(qū)（RBSOA） 最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率dVCE/dt確定.20 IGBT驅(qū)動(dòng)電路一般具備三個(gè)基本的要求驅(qū)動(dòng)放大電氣隔離保護(hù)

8、IGBT .21驅(qū)動(dòng)放大驅(qū)動(dòng)放大 是一般驅(qū)動(dòng)電路的基本要求，對(duì)IGBT來說，需要考慮驅(qū)動(dòng)IGBT所需的功率，驅(qū)動(dòng)電壓，開關(guān)時(shí)間等，以滿足開關(guān)損耗和開關(guān)頻率的要求。.22電氣隔離電氣隔離 由于 IGBT 在電力電子設(shè)備中多用于高 壓場(chǎng)合，故驅(qū)動(dòng)電路與控制電路在電位上應(yīng)嚴(yán)格隔離。 包括驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離和電源的隔離，其中驅(qū)動(dòng)信號(hào)的一般隔離方法有光隔離和磁隔離。.23光隔離: 主要有光耦和光纖。 光纖除了隔離以外，還具有抗干擾能力強(qiáng)，傳輸損耗小的特點(diǎn)磁隔離即為脈沖變壓器隔離 特點(diǎn)是信號(hào)傳輸延時(shí)小.24保護(hù)功能保護(hù)功能IGBT驅(qū)動(dòng)器一般都設(shè)有IGBT保護(hù)及故障反饋功能，對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的IGBT驅(qū)動(dòng)器，其保護(hù)功

9、能是非常完善的，理想的IGBT驅(qū)動(dòng)器是能充分發(fā)揮IGBT的潛力，并全面保護(hù)IGBT元件，使其在各種情形之下都不會(huì)受到損壞。.25一般IGBT驅(qū)動(dòng)器都設(shè)有一個(gè)基本的IGBT保護(hù)功能，即當(dāng)IGBT元件發(fā)生過流和短路路時(shí)，能在允許的時(shí)間內(nèi)關(guān)斷IGBT元件。.26l驅(qū)動(dòng)電路與驅(qū)動(dòng)電路與 IGBT 的連線要盡量短的連線要盡量短 IGBT 與 MOSFET 都是電壓驅(qū)動(dòng)，都具有一個(gè)2.5V 5V 的閾值電壓，有一個(gè)容性輸入阻抗，因此 IGBT 對(duì)柵極電荷非常敏感故驅(qū)動(dòng)電路必須很可靠，要保證有一條低阻抗值的放電回路。.27l用內(nèi)阻小的驅(qū)動(dòng)源對(duì)柵極電容充放用內(nèi)阻小的驅(qū)動(dòng)源對(duì)柵極電容充放電電 以保證柵極控制電壓

10、 Uge, 有足夠陡的前后沿，使IGBT 的開關(guān)損耗盡量小。另外， IGBT 開通后，柵極驅(qū)動(dòng)源應(yīng)能提供足夠的功率，維持Uge 的恒定。.28l驅(qū)動(dòng)電平驅(qū)動(dòng)電平+Uge 必須綜合考慮必須綜合考慮 Uge增大時(shí)，IGBT 通態(tài)壓降和開通損耗均下降，但負(fù)載短路時(shí)的Ic增大，IGBT能承受短路電流的時(shí)間減小，對(duì)其安全不利，因此在有短路過程的設(shè)備中 Uge 應(yīng)選得小些，一般選 1215V。 .29l負(fù)偏壓負(fù)偏壓Uge也有限制也有限制 在關(guān)斷過程中，為盡快抽取 PNP管的存儲(chǔ)電荷，須施加一負(fù)偏壓Uge,但它受IGBT的G 、E間最大反向耐壓限制，一般取1V-15V。.30l門極電阻門極電阻 Rg 需綜合

11、考慮需綜合考慮 門極電阻 Rg 增加，將使 IGBT 的開通與關(guān)斷時(shí)間增加；因而使開通與關(guān)斷能耗均增加。而門極電阻減少，則又使 diC/dt 增大，可能引發(fā) IGBT 擎住效應(yīng)，同時(shí) Rg 上的損耗也有所增加。 為了減小diC/dt且不影響向 IGBT 的開關(guān)損耗，往往在門極與射極之間并一電容Cge。lIGBT 的柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單實(shí)用，的柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單實(shí)用，抗干擾能力強(qiáng)抗干擾能力強(qiáng).312.1 概述概述2.2 三菱公司的三菱公司的M57962L 2.3 富士公司的富士公司的EXB8412.4 CONCEPT公司公司IGD5152.5 BOBADIER公司的公司的DYTP 14

12、0A .32國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)或出售國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)或出售IGBT驅(qū)動(dòng)器的公司很驅(qū)動(dòng)器的公司很多多 主要有德國(guó)的CONCEPT公司，日本的三菱公司、富士公司，瑞士的ABB公司，瑞典的BOBADIER公司等。其中CONCEPT公司是專門生產(chǎn)和出售IGBT驅(qū)動(dòng)器的，其產(chǎn)品比較齊全，對(duì)用戶的再設(shè)計(jì)要求比較少。.33l由于用于出售的IGBT驅(qū)動(dòng)器或驅(qū)動(dòng)芯片集成度較高且驅(qū)動(dòng)能力將，很多價(jià)格也比較便宜，對(duì)于要求不高或批量不大的場(chǎng)合（如IGBT的開關(guān)損耗沒要求），最好首選專門的IGBT驅(qū)動(dòng)器或驅(qū)動(dòng)芯片，給設(shè)計(jì)帶來簡(jiǎn)便l對(duì)于我們所內(nèi)，作為國(guó)內(nèi)IGBT技術(shù)的先驅(qū)，生產(chǎn)和研究IGBT驅(qū)動(dòng)是非常必要的，不管是大功率IGBT驅(qū)動(dòng)技

13、術(shù)，還是小功率和要求不高的場(chǎng)合，但可以盡量采用一些專門的集成芯片.34 一般驅(qū)動(dòng)網(wǎng)上報(bào)價(jià)驅(qū)動(dòng)網(wǎng)上報(bào)價(jià)表.35主要技術(shù)參數(shù)：主要技術(shù)參數(shù)：VCCmax=18VVEEmax=-15VVI =-17V輸出電流峰值：5A適用于驅(qū)動(dòng)小功率的IGBT元件或MOSFET.36.37.38主要技術(shù)參數(shù)：主要技術(shù)參數(shù)：VCCmax=25V輸出反偏電壓5V輸出電流峰值：4A最大開關(guān)頻率：40kHz適用于驅(qū)動(dòng)小功率的IGBT元件或MOSFET.39.40主要特點(diǎn)：主要特點(diǎn)：帶有電源隔離電路,外接電路簡(jiǎn)單輸出電壓將近15V輸出電流峰值15A開關(guān)頻率可達(dá)MHz光纖傳送抗干擾能力強(qiáng)適用于驅(qū)動(dòng)IGBT元件或大功率MOSFE

14、T.41.42外圍電路圖：.43驅(qū)動(dòng)電路： RONROFF.44光纖接收電路 有光，INPUT為低電平 無光，INPUT為5V.45光纖反饋電路 MOSFET導(dǎo)通，光纖不發(fā)光 MOSFET不導(dǎo)通，光纖發(fā)光.46過流檢測(cè)電路 VMEVREF時(shí)，過流保護(hù)電路啟動(dòng).47過流保護(hù)波形圖：.48SCALE驅(qū)動(dòng)器SCALE為Scaleable, Compact, All-purpose, Low-cost, Easy-to-use 的縮寫.49SCALE系列的驅(qū)動(dòng)器與前面的IGD系列的驅(qū)動(dòng)器相比，有許多改進(jìn)：同樣功能的電路性能更好 采用了自己生產(chǎn)的專用驅(qū)動(dòng)集成芯片，電路更加簡(jiǎn)單，功能更強(qiáng)，另外，器件性能及

15、電路都有所改進(jìn)。新增了一些保護(hù)功能，尤其是過電壓抑制功能.50過電壓抑制電路示意圖 VCE電壓超過一定值時(shí)，VZ導(dǎo)通，對(duì)其進(jìn)行抑制.51l概述 使用在深圳地鐵PH BOX、PA BOX上的DYTP 140A模塊是BOBADIER公司專門為變頻變流器開發(fā)的可以對(duì)IGBT進(jìn)行先進(jìn)控制的IGBT驅(qū)動(dòng)器.52l特點(diǎn)采用電流源給柵極充電采用可編程控制 能夠通過CPLD中的程序來決定IGBT在不同狀態(tài)下開通與關(guān)斷時(shí)門極的充放電電流 主要技術(shù)參數(shù)：輸出電流：012.8A可調(diào)輸出穩(wěn)定電壓： 15V.53 電流源驅(qū)動(dòng)示意圖：.54 一般電阻型驅(qū)動(dòng)的示意圖：.55l優(yōu)點(diǎn) 與一般采用的固定電阻來進(jìn)行對(duì)IGBT 門極

16、充放電的IGBT驅(qū)動(dòng)器相比，主要具有以下一些優(yōu)點(diǎn)： 適用范圍廣DYTP 140A是一種通用的IGBT驅(qū)動(dòng)器，可以驅(qū)動(dòng)用于不同型號(hào)、等級(jí)上的不同型號(hào)的IGBT元件，具有相同的硬件，只要更換其中的軟件 。具有全面的IGBT保護(hù)功能，主要有： .56調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)dVCE/dt與diC/dt 軟件可以很靈活的改變不同狀態(tài)下門極的充放電電流，從而可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)dVCE/dt與diC/dt。過電壓限制過電壓限制 由于采用的是可編程的恒流源控制，當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)流過IGBT元件的diC/dt太大或過電壓超過一定值時(shí)，則采用軟關(guān)斷，減小門極的放電電流，從而減小IGBT的關(guān)斷速度，使過電壓不至于太高。.57對(duì)對(duì)IGB

17、T元件進(jìn)行過流短路保護(hù)元件進(jìn)行過流短路保護(hù) 能夠檢測(cè)出IGBT元件在各種狀態(tài)下的過流短路，并能對(duì)IGBT元件進(jìn)行保護(hù)，將過流信號(hào)反饋給DCU。優(yōu)化優(yōu)化IGBT的開關(guān)損耗的開關(guān)損耗 由于采用可編程控制方式，能夠在對(duì)IGBT進(jìn)行保護(hù)的同時(shí)，盡可能減小IGBT的開通及關(guān)斷時(shí)間，從而有效地降低了IGBT元件的開關(guān)損耗。 .584.1 所內(nèi)IGBT驅(qū)動(dòng)現(xiàn)狀4.2 目前IGBT驅(qū)動(dòng)存在的問題4.4 現(xiàn)在IGBT驅(qū)動(dòng)的發(fā)展計(jì)劃.59l主變流器使用的主變流器使用的IGBT驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng) 目前正在使用的主變流器IGBT驅(qū)動(dòng)（兩路驅(qū)動(dòng)）.60 改進(jìn)的模塊化結(jié)構(gòu)（即將在長(zhǎng)客擺式車上使用）.61通用的IGBT驅(qū)動(dòng)模塊特點(diǎn)：

18、 將驅(qū)動(dòng)部分不可調(diào)的全都集成在內(nèi)，可調(diào)部分或?qū)ν獠糠滞ㄟ^引腳與外連接。.62原理： 與CONCEPT公司IGD515相似，性能稍好。特點(diǎn)：采用模塊化結(jié)構(gòu)，將通用的且價(jià)格不高的元件集成在模塊內(nèi)部。通用性強(qiáng)，用戶再設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，輸出峰值電流可達(dá)18A輸出穩(wěn)定電壓： 15V.63開通延時(shí)小 板內(nèi)延時(shí)150ns，光纖延時(shí)100ns開關(guān)頻率可達(dá)上MHz。保護(hù)功能比較完善：IGBT過流、短路保護(hù)可調(diào)的過流檢測(cè)延時(shí)驅(qū)動(dòng)器的欠壓保護(hù).64l其他的其他的IGBT驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)介驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)介.65lIGBT元件還沒有完全開通時(shí)就被元件還沒有完全開通時(shí)就被誤認(rèn)為過流（誤認(rèn)為過流（IGBT的開關(guān)過程圖的開關(guān)過程圖 ） 即IGBT元件還沒有達(dá)到完全開通就發(fā)生保護(hù)動(dòng)作，因?yàn)楝F(xiàn)有的硬件電路無法分辨IGBT是處于開通狀態(tài)還是發(fā)生真過流，假定將過流保護(hù)閥值或檢測(cè)延時(shí)設(shè)定得太高，則一旦出現(xiàn)真過流，門極驅(qū)動(dòng)不能將IGBT快速關(guān)斷，導(dǎo)致IGBT元件的損壞。 .66 IGBT的開關(guān)過程圖：的開關(guān)過程圖：.67l很少考慮怎樣充分發(fā)揮很少考慮怎樣充分發(fā)揮IGBT元件的性元件的性能和潛力能和潛力 我以上所述的驅(qū)動(dòng)一個(gè)共同的問題是，設(shè)計(jì)時(shí)一般都只考慮了IGB