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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 1IGBT的驱动 1 1IGBT驱动的概念与意义1 2绝缘栅双极晶体管 IGBT 1 3IGBT驱动电路基本要素1 4IGBT驱动设计中需考虑的一些问题 1 1IGBT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 1IGBT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 1IGBT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800 900A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 1IGBT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 1IGBT的结构和工作原理1 2 2IGBT的静态特性1 2 3IGBT的动态特性1 2 3IGBT的擎住效应安与全工作区 1 2 1IGBT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 1IGBT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 1IGBT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 2IGBT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 25 C时 UGE th 的值一般为2 6V 1 2 2IGBT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 3IGBT的动态特性 1 2 3IGBT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ton td 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 3IGBT的动态特性 IGBT的关断过程关断时间toff td 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 3IGBT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 3IGBT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 3IGBT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 3IGBT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 3IGBT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 3IGBT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 3IGBT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 3IGBT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 3IGBT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 4IGBT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 4IGBT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 4IGBT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12 15V 1 4IGBT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 4IGBT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M57962L2 3富士公司的EXB8412 4CONCEPT公司IGD5152 5BOBADIER公司的DYTP140A 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 18VVEEmax 15VVI 1 7V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 4CONCEPT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 4CONCEPT公司IGD515 2 4CONCEPT公司IGD515 外围电路图 2 4CONCEPT公司IGD515 驱动电路 RON ROFF 2 4CONCEPT公司IGD515 光纤接收电路有光 INPUT为低电平无光 INPUT为 5V 2 4CONCEPT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 4CONCEPT公司IGD515 过流检测电路VME VREF时 过流保护电路启动 2 4CONCEPT公司IGD515 过流保护波形图 2 4CONCEPT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 4CONCEPT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 4CONCEPT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 5BOBADIER公司的DYTP140A 概述使用在深圳地铁PHBOX PABOX上的DYTP140A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 5BOBADIER公司的DYTP140A 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 0 12 8A可调输出稳定电压 15V 2 5BOBADIER公司的DYTP140A 电流源驱动示意图 2 5BOBADIER公司的DYTP140A 一般电阻型驱动的示意图 2 5BOBADIER公司的DYTP140A 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 DYTP140A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 5BOBADIER公司的DYTP140A 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 5BOBADIER公司的DYTP140A 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开关频率可达上MHz 保护功能比较完善 IGBT过流 短路保护可调的过