IGBT驱动技术概述

IGBT驱动技术概述,内容简介,IGBT驱动 国内外典型IGBT驱动器概述 所内IGBT驱动现状及发展计划,1 IGBT的驱动,1.1 IGBT驱动的概念与意义 1.2 绝缘栅双极晶体管(IGBT) 1.3 IGBT驱动电路基本要素 1.4 IGBT驱动设计中需考虑的一些问题,1.1 IGBT驱动的概念与意义-概念,驱动电路主电路与控制电路之间的接口 基本功能是将控制电路发出的开关信号转变为适合IGBT驱动的信号，对IGBT的开关进行控制 器件或整个装置的一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现,1.1 IGBT驱动的概念与意义-意义,影响决定IGBT的开关损耗 IGBT 的损耗由开关损耗和开通损耗 组成，其中对于固定的装置来说，开通损耗基本上是固定的，但开关损耗是可控的 直接影响IGBT元件的可靠性，从而影响IGBT变流装置的可靠性 IGBT元件的电气保护基本上全都设计在IGBT驱动中，如过流短路保护、过压保护、软关断等。,1.1 IGBT驱动的概念与意义-意义,决定IGBT装置的最大输出功率 IGBT元件性能可以发挥的程度直接由IGBT驱动决定，例如，对于1200A/3300V的IGBT元件，好的驱动电路能使其以1200A持续运行（散热允许），但一般我们只能让其在800900A时就开始保护，否则，难以确保真正发生过流时是否能可靠关断IGBT。,1.1 IGBT驱动的概念与意义-意义,总而言之，对于发展国内IGBT变流器技术来说，开发一种先进IGBT门极驱动单元GDU是非常必要且迫切的。,1.2 绝缘栅双极晶体管IGBT,1.2.1 IGBT的结构和工作原理 1.2.2 IGBT的静态特性 1.2.3 IGBT的动态特性 1.2.3 IGBT的擎住效应安与全工作区,1.2.1 IGBT的结构和工作原理,三端器件：栅（门）极G、集电极C和发射极E 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号 RN为晶体管基区内的调制电阻,2.2.1 IGBT的结构和工作原理,IGBT的结构 结构图a表明， IGBT是N沟道VDMOSFET与GTR组合 IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1 使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力 简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管,2.2.1 IGBT的结构和工作原理,IGBT的工作原理 驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器通断由栅射极电压uGE决定 导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通 导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小 关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断,1.2.2 IGBT的静态特性,转移特性 开启电压UGE(th)IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压 UGE(th)随温度升高而略有下降，在+25C时，UGE(th)的值一般为26V,1.2.2 IGBT的静态特性,IGBT的输出特性 IGBT 导通时，流过其集电极的电流越大， Vce的静态压降也越大。 根据这个关系，我们可以通过检测Vce的压降来对IGBT 元件进行过流保护。,1.2.3 IGBT的动态特性,1.2.3 IGBT的动态特性,IGBT的开通过程 与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行 开通时间tontd(on) (开通延迟时间)与tr (电流上升时间)之和 uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。 tfv1 为IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2为MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程,1.2.3 IGBT的动态特性,IGBT的关断过程 关断时间tofftd(off) （关断延迟时间）与tfi （电流下降时间）之和 电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。Tfi1为IGBT内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快；tfi2为IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢,1.2.3 IGBT的擎住效应安与全工作区,IGBT的擎住效应 当 IC 大到一定程度，或关断的动态过程中dVCE dt 过高，使 V2 开通，进而使 V2 和 V3 处于饱和状态，栅极失去控制作用,具有寄生晶闸管IGBT等效电路,1.2.3 IGBT的擎住效应安与全工作区,正偏安全工作区（FBSOA） 最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定,1.2.3 IGBT的擎住效应安与全工作区,反偏安全工作区（RBSOA） 最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率dVCE/dt确定,1.3 IGBT驱动电路基本要素,IGBT驱动电路一般具备三个基本的要求 驱动放大 电气隔离 保护IGBT,1.3 IGBT驱动要素-驱动放大,驱动放大 是一般驱动电路的基本要求，对IGBT来说，需要考虑驱动IGBT所需的功率，驱动电压，开关时间等，以满足开关损耗和开关频率的要求。,1.3 IGBT驱动要素-电气隔离,电气隔离 由于 IGBT 在电力电子设备中多用于高 压场合，故驱动电路与控制电路在电位上应严格隔离。 包括驱动信号隔离和电源的隔离，其中驱动信号的一般隔离方法有光隔离和磁隔离。,1.3 IGBT驱动要素-电气隔离,光隔离: 主要有光耦和光纤。 光纤除了隔离以外，还具有抗干扰能力强，传输损耗小的特点 磁隔离即为脉冲变压器隔离 特点是信号传输延时小,1.3 IGBT驱动要素-保护功能,保护功能 IGBT驱动器一般都设有IGBT保护及故障反馈功能，对于一个复杂的IGBT驱动器，其保护功能是非常完善的，理想的IGBT驱动器是能充分发挥IGBT的潜力，并全面保护IGBT元件，使其在各种情形之下都不会受到损坏。,1.3 IGBT驱动要素-保护功能,一般IGBT驱动器都设有一个基本的IGBT保护功能，即当IGBT元件发生过流和短路路时，能在允许的时间内关断IGBT元件。,1.4 IGBT驱动设计中需考虑的问题,驱动电路与 IGBT 的连线要尽量短 IGBT 与 MOSFET 都是电压驱动，都具有一个2.5V 5V 的阈值电压，有一个容性输入阻抗，因此 IGBT 对栅极电荷非常敏感故驱动电路必须很可靠，要保证有一条低阻抗值的放电回路。,1.4 IGBT驱动设计中需考虑的问题,用内阻小的驱动源对栅极电容充放电 以保证栅极控制电压 Uge, 有足够陡的前后沿，使IGBT 的开关损耗尽量小。另外， IGBT 开通后，栅极驱动源应能提供足够的功率，维持Uge 的恒定。,1.4 IGBT驱动设计中需考虑的问题,驱动电平+Uge 必须综合考虑 Uge增大时，IGBT 通态压降和开通损耗均下降，但负载短路时的Ic增大，IGBT能承受短路电流的时间减小，对其安全不利，因此在有短路过程的设备中 Uge 应选得小些，一般选 1215V。,1.4 IGBT驱动设计中需考虑的问题,负偏压Uge也有限制 在关断过程中，为尽快抽取 PNP管的存储电荷，须施加一负偏压Uge,但它受IGBT的G 、E间最大反向耐压限制，一般取1V-15V。,1.4 IGBT驱动设计中需考虑的问题,门极电阻 Rg 需综合考虑 门极电阻 Rg 增加，将使 IGBT 的开通与关断时间增加；因而使开通与关断能耗均增加。而门极电阻减少，则又使 diC/dt 增大，可能引发 IGBT 擎住效应，同时 Rg 上的损耗也有所增加。 为了减小diC/dt且不影响向 IGBT 的开关损耗，往往在门极与射极之间并一电容Cge。 IGBT 的栅极驱动电路应尽可能简单实用，抗干扰能力强,2 国内外典型IGBT驱动器概述,2.1 概述 2.2 三菱公司的M57962L 2.3 富士公司的EXB841 2.4 CONCEPT公司IGD515 2.5 BOBADIER公司的DYTP 140A,2.1 国内外典型IGBT驱动器概述,国内外生产或出售IGBT驱动器的公司很多 主要有德国的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公司是专门生产和出售IGBT驱动器的，其产品比较齐全，对用户的再设计要求比较少。,2.1 国内外典型IGBT驱动器概述,由于用于出售的IGBT驱动器或驱动芯片集成度较高且驱动能力将，很多价格也比较便宜，对于要求不高或批量不大的场合（如IGBT的开关损耗没要求），最好首选专门的IGBT驱动器或驱动芯片，给设计带来简便 对于我们所内，作为国内IGBT技术的先驱，生产和研究IGBT驱动是非常必要的，不管是大功率IGBT驱动技术，还是小功率和要求不高的场合，但可以尽量采用一些专门的集成芯片,2.1 国内外典型IGBT驱动器概述,一般驱动网上报价表,2.2 三菱公司的M57962L,主要技术参数： VCCmax=18V VEEmax=-15V VI =-17V 输出电流峰值：5A 适用于驱动小功率的IGBT元件或MOSFET,2.2 三菱公司的M57962L,2.2 三菱公司的M57962L,2.3 富士公司的EXB841,主要技术参数： VCCmax=25V 输出反偏电压5V 输出电流峰值：4A 最大开关频率：40kHz 适用于驱动小功率的IGBT元件或MOSFET,2.3 富士公司的EXB841,2.4 CONCEPT公司IGD515,主要特点： 带有电源隔离电路,外接电路简单 输出电压将近15V 输出电流峰值15A 开关频率可达MHz 光纤传送抗干扰能力强 适用于驱动IGBT元件或大功率MOSFET,2.4 CONCEPT公司IGD515,2.4 CONCEPT公司IGD515,外围电路图：,2.4 CONCEPT公司IGD515,驱动电路： RONROFF,2.4 CONCEPT公司IGD515,光纤接收电路 有光，INPUT为低电平 无光，INPUT为5V,2.4 CONCEPT公司IGD515,光纤反馈电路 MOSFET导通，光纤不发光 MOSFET不导通，光纤发光,2.4 CONCEPT公司IGD515,过流检测电路 VMEVREF时，过流保护电路启动,2.4 CONCEPT公司IGD515,过流保护波形图：,2.4 CONCEPT公司其它驱动器,SCALE驱动器 SCALE为Scaleable, Compact, All-purpose, Low-cost, Easy-to-use 的缩写,2.4 CONCEPT公司其它驱动器,SCALE系列的驱动器与前面的IGD系列的驱动器相比，有许多改进： 同样功能的电路性能更好 采用了自己生产的专用驱动集成芯片，电路更加简单，功能更强，另外，器件性能及电路都有所改进。 新增了一些保护功能，尤其是过电压抑制功能,2.4 CONCEPT公司其它驱动器,过电压抑制电路示意图 VCE电压超过一定值时，VZ导通，对其进行抑制,2.5 BOBADIER公司的DYTP 140A,概述 使用在深圳地铁PH BOX、PA BOX上的DYTP 140A模块是BOBADIER公司专门为变频变流器开发的可以对IGBT进行先进控制的IGBT驱动器,2.5 BOBADIER公司的DYTP 140A,特点 采用电流源给栅极充电 采用可编程控制 能够通过CPLD中的程序来决定IGBT在不同状态下开通与关断时门极的充放电电流 主要技术参数： 输出电流：012.8A可调 输出稳定电压： 15V,2.5 BOBADIER公司的DYTP 140A,电流源驱动示意图：,2.5 BOBADIER公司的DYTP 140A,一般电阻型驱动的示意图：,2.5 BOBADIER公司的DYTP 140A,优点 与一般采用的固定电阻来进行对IGBT 门极充放电的IGBT驱动器相比，主要具有以下一些优点： 适用范围广DYTP 140A是一种通用的IGBT驱动器，可以驱动用于不同型号、等级上的不同型号的IGBT元件，具有相同的硬件，只要更换其中的软件 。 具有全面的IGBT保护功能，主要有：,2.5 BOBADIER公司的DYTP 140A,调节dVCE/dt与diC/dt 软件可以很灵活的改变不同状态下门极的充放电电流，从而可以动态调节dVCE/dt与diC/dt。 过电压限制 由于采用的是可编程的恒流源控制，当IGBT关断时流过IGBT元件的diC/dt太大或过电压超过一定值时，则采用软关断，减小门极的放电电流，从而减小IGBT的关断速度，使过电压不至于太高。,2.5 BOBADIER公司的DYTP 140A,对IGBT元件进行过流短路保护 能够检测出IGBT元件在各种状态下的过流短路，并能对IGBT元件进行保护，将过流信号反馈给DCU。 优化IGBT的开关损耗 由于采用可编程控制方式，能够在对IGBT进行保护的同时，尽可能减小IGBT的开通及关断时间，从而有效地降低了IGBT元件的开关损耗。,3. 所内IGBT驱动现状及发展计划,4.1 所内IGBT驱动现状 4.2 目前IGBT驱动存在的问题 4.4 现在IGBT驱动的发展计划,3.1 所内IGBT驱动现状主变流器,主变流器使用的IGBT驱动 目前正在使用的主变流器IGBT驱动（两路驱动）,3.1 所内IGBT驱动现状主变流器,改进的模块化结构（即将在长客摆式车上使用）,3.1 所内IGBT驱动现状主变流器,通用的IGBT驱动模块 特点： 将驱动部分不可调的全都集成在内，可调部分或对外部分通过引脚与外连接。,3.1 所内IGBT驱动现状主变流器,原理： 与CONCEPT公司IGD515相似，性能稍好。 特点： 采用模块化结构，将通用的且价格不高的元件集成在模块内部。 通用性强，用户再设计简单。 驱动能力强，输出峰值电流可达18A 输出稳定电压： 15V,3.1 所内IGBT驱动现状主变流器,开通延时小 板内延时150ns，光纤延时100ns 开关频率可达