数字化IGBT驱动.doc

【数字化IGBT驱动】一、技术总体情况简介(1)随着电力电子技术逐步向大功率、模块化、集成化与高频化方向发展，绝缘栅双极型晶体管IGBT因其优异的开关与稳态特性被越来越多的应用于各种中高容量功率场合。IGBT器件已经应用于清洁能源发电、高铁、电动汽车、家电、智能电网、军事装备等领域，是目前使用最广泛的电力电子器件。IGBT一方面拥有新技术带来的广阔的市场空间，另一方面从技术发展路线来看又对以往的功率器件有一个逐步替代的作用。目前我国IGBT市场占整个功率器件市场份额尚不足10%，预计未来几年IGBT市场随着节能减排的推进将得到快速发展。随着国内大规模的电网改造、铁路建设、高速电力机车的普及，以及国家工业、军事以及基础工程的大量投入，为中国的电力电子事业创造更好的机遇，我国大功率半导体器件行业市场规模近年来增长态势明显，2012年我国大功率半导体器件行业市场规模达到120.4亿元，2013年行业市场规模增长至145.2亿元，行业规模年增速与上年度基本持平。在直流输电相关技术领域，如柔性直流输电技术、高压直流断路器、DC/DC变换器等，都依赖于大功率IGBT作为最基本功率单元；随着直流输电相关设备的功率越来越大，大功率IGBT器件的应用工况越来越接近器件的极限值。大功率IGBT的特性是否得到好的应用直接关系到整个直流输电系统可靠性。要保证IGBT稳定可靠地工作，其驱动电路起到了至关重要的作用，而对于具有高可靠性、普遍适用性、数字化的高功率IGBT智能模块来说，仅仅实现对IGBT的可靠驱动是远远不够的。在电力电子系统中，会由于多种原因导致半导体器件脱离安全工作区，若对IGBT没有适当的保护措施，很可能造成器件的损坏，甚至可能引起整个系统故障发生，造成损失进一步扩大，所以依据不同应用场合的需求，大功率IGBT驱动保护电路需要有多种功能电路组成的一个独立相对完整的子系统，从而实现对IGBT可靠驱动与全面保护，以保障系统的安全稳定运行。(2)IGBT驱动是实现IGBT器件正常开通、关断，以及器件在各种异常工况下可靠保护的电路，是IGBT器件应用的核心。本数字化IGBT驱动产品可替代采用模拟方式的传统IGBT驱动，并打破对国外数字化IGBT驱动技术的垄断。传统IGBT驱动采用模拟方式，模拟驱动功能单一，很难满足大功率IGBT在直流输电领域的应用要求。比起传统的模拟的IGBT驱动器，本数字化IGBT驱动产品拥有一个独一无二的优势，其根据IGBT模块工作情况随时调整门极开通/关断电阻，可变的门极电阻大大降低了IGBT的开关损耗，实现开通di/dt和关断dv/dt智能调节，提高了工作效率。门极电阻可以在纳秒级响应时间内在毫欧级至高电阻之间切换变动，在变频操作中，数字化IGBT驱动自如地改变门极电阻，理想地控制IGBT模块门极开通电阻和关断电阻，有效地降低了开关功率损耗。数字化IGBT驱动可以实现关断过电压智能化抑制，智能化故障检测，多级软关断故障保护等功能，还可以根据特殊应用需求，调节IGBT开通/关断的特型曲线。大的跨国电力设备公司如西门子、ABB等，为满足设备对IGBT应用要求都有自主研发的数字驱动，但是不对外销售。数字化IGBT驱动属于大功率电力电子行业的关键器件，国产化后可以减少对国外技术的依赖，打破国外垄断，增加企业在国内外的竞争力。二、市场情况分析(1)目前我国已经是全球最大的功率半导体消费市场。其中IGBT市场规模约98亿元，相应的驱动器规模在20-30亿元。预计到2020年，我国IGBT的市场规模可能将达到300亿元，相应的驱动器市场规模将达60-100亿元，高压大功率IGBT驱动市场规模可达30-50亿元。而数字化IGBT驱动板将成为未来高压大功率IGBT驱动器的主流，未来市场的需求估计每年的用量在20-30万片。（部分数据来源：中国产业信息网）由于数字驱动的显著优势，中低压应用领域也在逐渐升级，北车在高铁牵引换流器中，已经开始使用数字式驱动；南车和风机变流器等厂家目前还主要使用基于Concept驱动内核的模拟式驱动器，但也在积极转型。(2)预计未来5年，本产品的市场占有率约为20%，预期总收入约为6.6亿元，总利润约为3亿元。(3)随着大功率IGBT的应用越来越广泛，数字化IGBT驱动凭借其在中高压领域的优势，未来5-10年处于发展上升期。由于数字化驱动技术比较先进，暂无其他技术可以替代。(4)TI（concept）作为国际巨头，在中功率IGBT驱动市场占有率高，基本垄断大，但该产品属模拟驱动，自身存在巨大的短板，本身不能够对IGBT运行工况进行动态的监测，更不能对IGBT提供实时的保护。模拟驱动厂家还有德国的赛米控公司和中国的落木源公司，都以中、小功率驱动市场为主，针对大功率的驱动较少。德国InPower公司的数字化IGBT驱动产品具有较为完整的IGBT驱动控制能力，占据国内数字驱动主要市场，但其成本较高。瑞士ABB公司和德国西门子公司在产品中都应用了自有数字式驱动，但不对外销售。本数字化IGBT驱动能够替代传统的模拟驱动，而且打破了国外数字化IGBT驱动技术垄断，生产成本较低，应用前景一片大好。三、技术性能分析(1)如表3-1、表3-2所示，本产品与国内外现有驱动产品相比，主要在以下方面进行了提升：1) 主控芯片从CPLD提升为ARM+FPGA的配置，综合计算性能更强，能够完成更好的IGBT控制优化算法，并可以增加温度、电压监控等功能；2) 综合功耗减少50%左右，对于直流断路器等特殊场合下的应用具有显著优势；3) 回报信号更为丰富，对于器件和驱动错误的处理措施更为完善，可靠性更高。表3-1 IGBT驱动性能对比模拟驱动常规数字驱动数字智能驱动主控电路模拟逻辑门电路可编程逻辑门片上系统（SOC）开通电流尖峰0.80.40.2开关损耗大小小关断电压尖峰0.40.30.2软关断方式1级2级智能多级IGBT退保和保护1段2段智能4段IGBT di/dt保护无有智能2段信息回报功能简单回报简单回报分类型回报可定制性差一般强表3-2 与现有国内外同类产品功耗对比国外同类产品本产品工作条件供电电压电流功耗供电电压电流功耗静态功耗15V0.25A3.75W15V0.11A1.68W动态功耗15V0.32A4.8W15V0.17A2.58W(2)本产品已小批量生产和应用 (3)本产品具有高度可定制化和适用性，可适配多个厂家、不同型号的高压IGBT模块，可根据客户实际的应用场合和参数需求，定制驱动内部的各种控制保护算法，实现IGBT运行的最优化；具有开放式的通信协议和通用接口，应用简便；硬件的形状和尺寸可根据客户需求定制。四、经济性能分析为自主研发的智能化IGBT驱动，在性能上超越了目前市场上所有同类产品，成本稍高于模拟驱动，但低于国外数字驱动产品。五、合作企业本成果转化的对象，针对一般性公司和IGBT驱动代理公司，有着不同的要求。对于一般性