隨著近年來IGBT驅(qū)動技術(shù)的快速發(fā)展，其在新能源汽車、國防軍事、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。中國制造業(yè)發(fā)展環(huán)境鼓勵傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，帶動IGBT的應(yīng)用需求不斷增加，IGBT行業(yè)迎來新的發(fā)展空間。IGBT智能驅(qū)動是通過不同的驅(qū)動策略，使得IGBT工作在最佳狀態(tài)。本文重點分析了IGBT的工作原理和工作特性，總結(jié)了改善IGBT的動態(tài)（開關(guān)）特性的驅(qū)動技術(shù)。

 

 

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），即絕緣柵雙極型晶體管，是由MOSFET（絕緣柵場效應(yīng)管）和BJT（雙極型晶體管）構(gòu)成的復(fù)合半導(dǎo)體器件。IGBT驅(qū)動器的基礎(chǔ)功能是將上位機(jī)發(fā)出的控制信號，經(jīng)隔離升壓等方法將其轉(zhuǎn)化為可直接作用于IGBT門極的正反偏驅(qū)動電壓，以此來達(dá)到控制IGBT開通和關(guān)斷的目的[1]。

 

雖然IGBT有電流拖尾的缺點，但它同時具備MOSFET驅(qū)動功率小和BJT大電流的優(yōu)點，廣泛用于高壓大電流和高速開關(guān)環(huán)境之中[2]。包括在風(fēng)電變流器、光伏逆變、新能源電動汽車以及艦船動力系統(tǒng)和工業(yè)變頻器領(lǐng)域等能源以及動力系統(tǒng)中，因此其工作可靠性成為要考慮的重要問題，而可靠的IGBT驅(qū)動器能夠避免如IGBT器件過流、過溫、過壓以及擎柱效應(yīng)等。

 

 

IGBT驅(qū)動器的基本功能是將上位機(jī)發(fā)出的控制信號通過隔離變換等單元電路轉(zhuǎn)化為可直接驅(qū)動IGBT門極的正反偏驅(qū)動電壓，以此來達(dá)到開通和關(guān)斷IGBT的目的[3]。

 

 

① DC-DC隔離電源：主要用來為IGBT提供驅(qū)動功率。

 

② 信號隔離傳輸單元：用來傳輸?shù)蛪簜?cè)PWM信號或?qū)⒏邏簜?cè)某些信號（如，故障等信號）傳輸至低壓側(cè)，用來控制和反饋電路工作情況。

 

③ 驅(qū)動單元：實現(xiàn)PWM信號功率放大，滿足驅(qū)動IGBT門極信號的要求。

 

④ 檢測保護(hù)單元：檢測IGBT工作狀態(tài)。

 

⑤ 控制處理單元：對輸入和輸出信號判別，做出相應(yīng)的動作。如圖1。

 

 

注：對IGBT驅(qū)動器來說，最主要的是驅(qū)動（提供驅(qū)動功率）和保護(hù)（短路過流、過溫以及欠壓等故障）兩個方面。

 

 

IGBT應(yīng)用廣泛，包括在風(fēng)電變流器、光伏逆變、新能源電動汽車以及艦船動力系統(tǒng)和工業(yè)變頻器領(lǐng)域等能源以及動力系統(tǒng)中，因此其工作可靠性成為要考慮的重要問題，而可靠的IGBT驅(qū)動器能夠避免如IGBT器件過流、過溫、過壓以及擎柱效應(yīng)等。驅(qū)動級對系統(tǒng)級的主要影響可以如下圖2描述。

 

 

 

IGBT驅(qū)動方案主要針對不同模塊類型，如：單個半橋、多個半橋和單管，采取合理的布局布置來實現(xiàn)驅(qū)動目的。IGBT驅(qū)動方案也表述了驅(qū)動的具體實現(xiàn)過程和形式，以此來說明驅(qū)動的可行性[4]。

 

（1）雙通道驅(qū)動，信號傳輸方式采用光耦方式，它的構(gòu)成功能如下框圖3表示。接口（Interface），一般包含直流電源輸入（VCC和GND）、PWM電信號輸入模塊和驅(qū)動故障返回信號或模塊過溫信號。信號隔離單元，主要采用IGBT驅(qū)動器專用高壓高速數(shù)字光耦，保證高低壓的隔離。

 

①隔離電源，DC-DC隔離電源，提供驅(qū)動功率；

 

②驅(qū)動單元，主要執(zhí)行驅(qū)動功率傳輸；③控制單元（Control），處理PWM、故障Fault、監(jiān)測模塊溫度、電源狀態(tài)以及模塊過流或短路狀態(tài)[5]。

 

此類驅(qū)動實現(xiàn)有隔離傳輸信號、信號功率放大，電源過壓、欠壓以及模塊溫度監(jiān)測和短路保護(hù)以及有源鉗位等。常適用模塊：EconoDual系列，如：FF600RME12；PrimePack系列，如：FF1000R17IE4。

 

（2）雙通道驅(qū)動，信號傳輸方式采用光纖方式，它的構(gòu)成功能如下框圖4表示。功能同上面電信號傳輸驅(qū)動器，光纖隔離等級更高、信號傳輸更加穩(wěn)定但成本相應(yīng)會提高。光纖傳輸或電信號光耦傳輸，也可以兼容二者。常適用模塊：EconoDual系列，如：FF600RME12；PrimePack系列，如：FF1000R17IE4。

 

 

 

 

（3）單通道驅(qū)動，信號傳輸方式采用光纖的方式，它的構(gòu)成如下框圖5表示。適用模塊：IHM-B系列，如：FZ1000R33HE4 、 FZ3600R17HP4 ；IHV 系列，如：FZ1200R33KF2C。

 

以上介紹了常見驅(qū)動實現(xiàn)的方式，目前安華高（AVAGO）已有如ACPL-316J和ACPL-339J等專用集成光耦，自帶短路保護(hù)、電源欠壓保護(hù)和米勒箝位以及故障返回和封波處理等，這些專用驅(qū)動光耦集隔離傳輸和各類保護(hù)為一體，極大簡化了驅(qū)動器的設(shè)計，如下ACPL-339J功能框圖6。但畢竟在一些特殊場合，如高壓領(lǐng)域、特殊拓?fù)浼疤厥庀到y(tǒng)環(huán)境（母排結(jié)構(gòu)等）造成IGBT關(guān)斷尖峰過大等，專用驅(qū)動光耦就顯得力不從心，因此按照實際應(yīng)用環(huán)境設(shè)計驅(qū)動器是必要的[6]。常見驅(qū)動的形式：①驅(qū)動核心板+門極電阻適配板；②一體式驅(qū)動，將核心板和適配電阻集成在一塊板上。

 

 

 

注：對單管形式的IGBT模塊，通常利用模塊來組成不同形式的拓?fù)?；對單管高壓模塊來說開關(guān)特性的控制通常更加復(fù)雜，因為單階段的開通并不能滿足開關(guān)特性和系統(tǒng)性能的要求，通常需要分階段動態(tài)開通。

 

 

本文主要介紹了改善開關(guān)特性的驅(qū)動技術(shù)。IGBT驅(qū)動器通過改變門極電阻來優(yōu)化開關(guān)特性，綜合利用VCE檢測和di/dt檢測區(qū)別一類短路和二類短路，選擇合理的關(guān)斷方式建立可靠的保護(hù)機(jī)制。開發(fā)智能型多種保護(hù)措施的IGBT驅(qū)動是未來發(fā)展的方向。

 

來源：電子元器件與信息技術(shù)  作者：馬繼晶（酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院）