IGBT模块：技术、驱动和应用课件：IGBT驱动

IGBT模块：技术、驱动和应用

IGBT驱动IGBTModules–Technologies,DriverandApplication1IGBTModules–Technologies,DriverandApplication目录31245简介信号传输IGBT栅极驱动器驱动器电源耦合67影响开关特性的参数保护措施8逻辑功能2IGBTModules–Technologies,DriverandApplication目录119101213安全停止并联和串联三电平NPC电路驱动器选型制造商概述14小结3简介IGBT的驱动电路要求?如何设计合适的驱动器？IGBTModules–Technologies,DriverandApplication4简介三相桥式电路:六路隔离电源IGBTModules–Technologies,DriverandApplication5简介三相桥式电路:四路隔离电源IGTBModules–Technologies,DriverandApplication6IGBT的驱动电路要求:可靠开通和关断IGBT电气隔离：信号隔离和电源隔离IGBT保护（可选）：短路、过压、过热、死区时间、最小脉冲抑制和安全停止。。。简介IGBTModules–Technologies,DriverandApplication7信号类型：PWM信号反馈信号隔离分类：电隔离：电磁、光电或电容非电隔离信号传输ACPL-333JCONCEPT2SC0108TTIISO150IGBTModules–Technologies,DriverandApplication8单片电平转换器通过一个集成电路实现输入信号和输出信号之间的隔离：1）无电气隔离2）需要和控制器隔离3）寄生电感4）常用于低于600V的IGBT5）多路输出（2,4,6）信号传输IGBTModules–Technologies,DriverandApplication9IGBT开关时，输出侧由于寄生电感的存在会产生负电压瞬变，从而导致集成芯片的损坏。-0.3

~-5V信号传输

上下部通道都包含电平转换器，这样就消除了GND和GNDL之间的耦合。

通过绝缘层（SiO2）可以把反向电压耐压因此提高到-100V单片电平转换器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication10IR公司的IR2136信号传输单片电平转换器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication11信号传输单片电平转换器IC芯片多用于消费产品中IGBTModules–Technologies,DriverandApplication12作用：实现输入与输出电路的绝缘，确保电路电气隔离组成：发光装置与一个光敏性元件组合来传输信息信号传输光电耦合器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication13特性：光耦只能传递信息，不能传递能量，所以仍需要隔离电源。光耦适用于UCES为1.2kV及以下电压等级的IGBT中，对于更高电压等级的IGBT由于成本问题不常用。高于1.2kV电压等级的IGBT通常使用脉冲变压器或光纤。存在光耦传输延迟的问题，忽视可能会导致不可预测的问题。信号传输光电耦合器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication14传输延时：tPLH和tPHL100ns~250nstPLH,typACPL-330tPHL,typtPLH,typtPHL,typ死区时间：IGBTModules–Technologies,DriverandApplication15光电耦合器信号传输光耦驱动芯片制造商型号UBR集成安华高ACPL-312J,ACPL-330J,ACPL-333J,ACPL-3130,ACPL-H342,HCPL-3120,HCPL-316J1.2kV

集成电路仙童FOD3120,1.2kV集成电路日本电气PS9305L,PS9306L,PS9505,PS9506,PS95521.2kV集成电路夏普PC923,PC924,PC925,PC928,PC9291.2kV集成电路东芝TLP250,TLP2511.2kV集成电路威世VO3120,VO3150A1.2kV集成电路IGBTModules–Technologies,DriverandApplication16现在常用的是一个分立式解决方案，这个解决方案由一个传递信号的变压器和作为DC/DC转换器一部分的变压器组成。驱动器通道A和B有两个独立的脉冲变压器以及DC/DC变换器中的第三个变压器。这种分离的优点是减少了干扰，提高了传输速度和减小了耦合电容。信号传输脉冲变压器光电耦合器可以实现电气隔离，但不能传输能量，比如为其他设备供电。为此，通常需要一个独立的变压器。该变压器必须满足两个功能：传递能量，并提供一定的绝缘。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication17双路IGBT驱动：2个信号脉冲变压器+1个功率传输变压器信号传输脉冲变压器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication18优点：适用于所有电压等级的IGBT。与光耦相比，脉冲变压器的传输延时非常短。由于感应器件没有老化效应，传输延时及其误差在设备的工作寿命内不会发生变化，易实现IGBT的并联和串联连接。信号传输脉冲变压器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication192003年，基于离散变压器的原理开发出了一种新型的驱动器IC，其中箝入一个或多个变压器。在IC金属化层上构造出变压器的绕组。初级和次级之间的绝缘绕组是由一层适当厚度的二氧化硅。（目前应用广泛）信号传输无铁芯变压器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication20信号传输脉冲变压器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication21

TIISO150适用于AD，DA

少用于IGBT驱动信号传输电容耦合器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication22用途：传输PWM信号和故障信号优点：

隔离能力优异长距离传输没有EMC问题：强静电场和电磁场缺点：传输延时的不匹配成本较高（发送器，FOC，接收器）由于污染和环境的影响，连接的节点光路会受到干扰信号传输光纤IGBTModules–Technologies,DriverandApplication23信号传输光纤IGBTModules–Technologies,DriverandApplication24在电子电力系统中，光纤数据传输速率能够达到10G/s，但是数据传输速率不是关注的焦点，而传输延时公差、系统的可靠性、寿命是至关重要的。信号传输光纤IGBTModules–Technologies,DriverandApplication25信号传输光纤制造商接收器发送器波长安华高HFBR252xHFBR152x660nm红色安华高HFBR2312THFBR1316T1300nm安华高HFBR24xxHFBR13xx820nm安华高SFH551/1SFH551/1-1V780nm霍尼韦尔HFE3637850nm霍尼韦尔HOD2340HOD1340850nmOptekOPF2412OPF1412840nmOptekOPF2414OPF1414780nm常用的光纤接收器和发送器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication26信号传输小结27IGBT栅极驱动器IGBT的栅极驱动器是一个放大器，它通过提高电压和电流来放大控制信号。栅极驱动器的主要作用是对IGBT的输入和反向传输电容充放电。因此，栅极驱动器（除其它影响因素外）与IGBT的开关性能密切相关，也与通态损耗和开关损耗有关。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication28电压源驱动电压源驱动VS

电流源驱动器功率损耗以栅极电阻为主电路简单控制简单IGBTModules–Technologies,DriverandApplication29IGBT栅极驱动器

优点：仅需要一个电源

缺点：

晶体管控制复杂H桥电路驱动IGBTModules–Technologies,DriverandApplication30IGBT栅极驱动器缓冲电容器会产生纹波电流，其频率相当于驱动信号的开关频率。因此必须采用高频电容。栅极回路中的射极跟随器驱动缓冲电容器C提供了IGBT输入电容和反向传输电容的充放电电流。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication31IGBT栅极驱动器发射极路径上采用射极跟随器，IGBT的栅极与驱动极的地相连会阻止由于米勒电容和发射极电感而引起的IGBT误导通。发射极回路中的射极跟随器驱动IGBTModules–Technologies,DriverandApplication32IGBT栅极驱动器常用于射极跟随器的BJT芯片IGBTModules–Technologies,DriverandApplication33IGBT栅极驱动器IGBT输入电容和反向传输电容通过栅极电阻Rgon限定充电电流Ion通过栅极电阻RGoff限定放电电流IoffMOSFET推挽栅极驱动器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication34IGBT栅极驱动器优点：与BJT的栅极驱动相比，可以用一个很小的控制电流产生一个较大

的栅极驱动电流。MOSFET开关速度快，开关损耗低。这样的驱动器成本比使用BJT驱动器成本更低。可选择栅极电阻的MOSFET驱动器MOSFET推挽栅极驱动器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication35IGBT栅极驱动器由于N沟道和P沟道控制需要一个比参考电压源高接近10V的栅极-源极电压，导致电压转换器和电荷泵的成本相对较高。MOSFET源极跟随器并不适用于IGBT栅极驱动系统。MOSFET源极跟随器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication36IGBT栅极驱动器N沟道推挽驱动器是成本和性能的折衷方案N沟道推挽驱动级BJT和MOSFET组成的N沟道推挽驱动器T1和T2

都需要正向控制信号导通。不用考虑电平转换器的成本，但是N沟道MOSFET的优势也将不存在。N沟道推挽驱动器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication37IGBT栅极驱动器1）为了能快速达到IGBT阀值电压，直接给栅极增压。2）当增大栅极-发射极电压，门电路导通，IGBT栅极电流相应地增加。有辅助升压电路的IGBT栅极升压IGBT栅极升压/加强关断boost信号！开始开通IGBT时打开Boost信号！降低开通损耗！IGBTModules–Technologies,DriverandApplication38IGBT栅极驱动器栅极驱动器的设计不仅要关注IGBT静态和动态特性，也需要注意相应续流二极管的特性。栅极驱动器的设计IGBTModules–Technologies,DriverandApplication39IGBT栅极驱动器

栅极电压应该是由栅极驱动单元提供的，如大多数拓扑所要求的该电源应该是隔离的。下面是工业和电力牵引中相关的标准。EN50178，电力系统中的电子设备。EN50124-1，轨道应用-绝缘配合。IEC60077-1，车辆电子设备。IEC60664-1，低压系统中设备的绝缘配合。UL508c，功率变换设备。UL840，电气设备的绝缘配合，包括电气间隙距离和爬电距离。

驱动器电源IGBTModules–Technologies,DriverandApplication40要求：先导通半桥底部的IGBT自举电容C1的容量必须足够

大自举电容器的电压不能低于最小值用低阻抗的电阻来限制电流二极管的封转必须保证足够大的电气间隙和爬电距离。必须考虑驱动器内部电压降及二极管的压降。对于自举电容器，应该选用低ESR和ESL值的电容器。必须注意IGBT的寄生导通。自举电路IGBTModules–Technologies,DriverandApplication41

驱动器电源驱动器所需要的功率（无CG）:IGBT开通时栅极电荷的测量DC/DC变换器一些厂商的IGBT模块只给出了栅极电压为15V的QG值DC/DC功率:IGBTModules–Technologies,DriverandApplication42

驱动器电源反激式转换器的IGBT栅极驱动器DC/DC变换器外加CG:DC/DC总功率:IGBTModules–Technologies,DriverandApplication43

驱动器电源反激变换器：输出正负电压驱动器电源反激变换器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication44推挽变换器：多个次级绕组，为多个IGBT驱动提供隔离电源。采用环形磁芯的推挽变换器驱动器电源推挽变换器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication45半桥推挽变换器：变压器结构较简单防止晶体管之间的直通采用环形磁芯的半桥推挽变换器驱动器电源半桥推挽变换器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication46如果驱动器栅极输出电压或DC/DC转换器低于某一阈值时，该驱动器关闭输出。驱动器UVLO检测通常具有迟滞性以防止输出级的突然切换。一旦达到阈值的下限，就被关闭。直到阈值的上限，驱动器输出级切换回工作状态。IGBT的输出特性（300A/1.2KVIGBT)驱动器电源欠压闭锁（UVLO）欠压闭锁（UVLO）迟滞特性IGBTModules–Technologies,DriverandApplication47耦合电容耦合电容和共模电流共模电流：数据手册IGBTModules–Technologies,DriverandApplication48影响开关特性的参数采用BJT调整栅极电阻，能够显著地影响IGBT的开通特性。栅极电阻栅极电阻越高IGBT的开通就越慢开通损耗增加。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication49开通时，IGBT模块开关损耗与栅极电阻的关系(200A/600V)IGBT栅极电阻DIODEIGBTModules–Technologies,DriverandApplication50影响开关特性的参数开通时，IGBT模块参数与栅极电阻的函数曲线栅极电阻IGBTModules–Technologies,DriverandApplication51影响开关特性的参数栅极电阻Trench-FS

IGBT

PT/NPT

IGBTIGBT关断过程Trench-FS

IGBT

Trench-FS

IGBT

52影响开关特性的参数1.2kKA/3.3kV的IGBT模块的优化栅极电阻和栅-射极电容后开通实验结果外接栅极-射极电容CGIGBTModules–Technologies,DriverandApplication53影响开关特性的参数外部栅-射极电容CG对450A/1.2kVIGBT模块开关特性的影响外接栅极-射极电容CGIGBTModules–Technologies,DriverandApplication54影响开关特性的参数外部栅-射极电容CG对450A/1.2kVIGBT模块开关特性的影响外接栅极-射极电容CGIGBTModules–Technologies,DriverandApplication55影响开关特性的参数一般的推荐电阻

电容

串联使用，电阻值可以是从低于1欧至数欧姆的任何值。其目的是为了抑制栅极路径等效电感和栅极路径等效电容形成谐振。采用外部电容CG时的寄生电路原理外接栅极-射极电容CGIGBTModules–Technologies,DriverandApplication56影响开关特性的参数当将驱动连接到IGBT栅极时，会存在寄生电感且与栅极电阻串联。特别是当这种连接是通过弯曲的电缆，将出现高电感。如图用不同的栅极引线电感的IGBT开通和关断过程栅极引线电感IGBTModules–Technologies,DriverandApplication57影响开关特性的参数上海海事大学电气自动化系保护措施：UCEsat监控如果IC增加至额定值（与IGBT技术和栅极电压无关）的4倍，IGBT将退出饱和。

直通保护58当短路时，集电极-发射极电压迅速升高且超过正常的饱和值

，监控就是利用这个原理检测短路故障。监控可以分为静态和动态测量。只要这个电压低于比较器反向输入的内部参考电压，就表明IGBT没有短路。保护措施：UCEsat监控短路保护IGBTModules–Technologies,DriverandApplication59Cb1对短路保护的影响保护措施：UCEsat监控IGBTModules–Technologies,DriverandApplication60动态测试：参考电压可以是一条曲线。在开通时，参考电压具有可调性。如果比较器同相端的电压

超过参考电压后，就会引发故障信号（短路）且IGBT被关断。动态测试原理图保护措施：UCEsat监控IGBTModules–Technologies,DriverandApplication61保护措施：UCEsat监控避免高压二极管反向恢复电流的影响1mAIGBTModules–Technologies,DriverandApplication62保护措施：UCEsat监控ManufacturerPartnumberIsolationandUBRIntegrationAvagoACPL333J/316JOptocoupler

1.2kVICCONCEPTAllproductsPulsetransformer

600V-6.5kVPCBInfineon1ED020I12-FCorelesstransformer

1.2kVICInfineon2ED300C17-SPulsetransformer

1,7kVPCBInternational

RectifierIR2214SSLevelshifter

1.2kVICMotorolaMC33153NoisolationICSemikronSkyper32/52Pulsetransformer

1.7kVPCBSharpPC928/PC929Optocoupler

1.2kVICSTMicroelectronicsTD350/TD352NoisolationICIGBTModules–Technologies,DriverandApplication63误动作如果总电压大于激励级的反馈临界值，将会产生误动作。相电流过零点时IGBT中瞬时电压的简化模拟图保护措施：UCEsat监控64容性负载保护措施：UCEsat监控容性负载会产生很高的反向充电电流，导致IGBT的欠饱和。特别是对于小电流的IGBT，仅仅是几米长的屏蔽电缆就有可能出现欠饱和。而逆变器输出滤波器能够直接解决这种问题。65为了保护IGBT免受高压过冲损坏的方法就是集电极-发射极箝位，集电极-发射极箝位（有源箝位）保护措施：有源箝位66TVS二极管对温度的依赖性和误差加上IGBT的栅极-发射极电压，在关断过程中集电极-发射极电压约为1050V。保护措施：有源箝位IGBTModules–Technologies,DriverandApplication67选择性有源箝位一些特定工况下，直流母线电压值可能升高超过TVS或者抑制二极管的击穿电压，但是仍然会低于IGBT的阻断电压。改进的目的是为了当IGBT没有被触发时确保有源箝位就不能被激活。保护措施：有源箝位IGBTModules–Technologies,DriverandApplication68有源箝位和选择性有源箝位并不适合限制一般的开关过压。频繁地、长期地使用有源箝位会使元件负荷过载，这也会明显地增加IGBT的开关损耗。保护措施：有源箝位选择性有源箝位IGBTModules–Technologies,DriverandApplication69动态电压上升控制（DVRC）第一代2.4kA/1.7kVTrench-FSIGBT关断阶段的振荡保护措施：

DVRCIGBTModules–Technologies,DriverandApplication70增大栅极电阻可以抑制震荡，但是这种方法会增加开关损耗。第一代Trench-FS2.4kA/1.7kVIGBT模块的关断损耗，以及直流母线电压和栅极电阻的函数保护措施：

DVRCIGBTModules–Technologies,DriverandApplication71保护措施：

DVRCDDVRC1和DACx配合工作IGBTModules–Technologies,DriverandApplication72保护措施：

DVRCIGBTModules–Technologies,DriverandApplication73在某些特定的情况下，有源箝位可能会反应太慢，也就是说在栅极上的反馈电压直到栅极电压降低到极限电压以下才会起作用。保护措施：动态有源箝位动态有源箝位要选择额定电压低于直流母线电压的TVS二极管，为了防止IGBT永久性的导通，需要在二极管链中加入一个电容来阻断直流电压分量。这样，一旦达到触发电压，相比于传统的有源箝位，将会更早地重新打开栅极。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication74保护措施：动态有源箝位IGBTModules–Technologies,DriverandApplication756.5kVIGBT模块的关断过程保护措施：栅极箝位IGBT的传输特征：：短路电流[A]IGBTModules–Technologies,DriverandApplication76通过二极管D2直接将栅极和驱动电源电压连接，这样栅极电压被限制在电源电压以内。保护措施：栅极箝位栅极箝位方法分为两种：利用一个单向或双向的TVS二极管接在IGBT的T1栅极和发射极之间。可以限制栅极电压、误差和温度的影响IGBTModules–Technologies,DriverandApplication77二极管的选取飞兆半导体的SMBJ5V0(C)A—SMBJ170(C)A系列TVS二极管数据手册保护措施：栅极箝位在选择二极管时，应当注意某些特定的参数。对于TVS二极管而言，高低击穿电压之间通常都会有一个较宽范围，IGBTModules–Technologies,DriverandApplication78注意：选择高温时漏电流较低的二极管

双向TVS二极管的电路符号和I/U曲线肖特基二极管和快恢复pn二极管的

特性保护措施：栅极箝位IGBTModules–Technologies,DriverandApplication79米勒箝位米勒电容形成位移电流的危害：位移电流会产生电压使IGBT寄生开通。这种开通持续时间比较短，但是会产生很大的损耗。严重时会影响相邻的电子设备，并导致故障。保护措施：米勒箝位IGBTModules–Technologies,DriverandApplication80米勒箝位电路：一种方法是利用分离的PNP晶体管

；一种方法是直接利用驱动IC；集成晶体管的电流能力不能够满足应用，就需要外接一个大电流的晶体管。一种方法就是当IGBT关断时，在可栅极和电源地之间构建一条低阻低感通路。保护措施：米勒箝位IGBTModules–Technologies,DriverandApplication81保护措施：米勒箝位注意：尽管安装了米勒箝位电路，栅极电压仍可能引起IGBT寄生开通。因此最好不要用米勒箝位，取而代之的用一个大约-5V到-15V的负栅极电压来关断IGBT。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication82利用发射极的寄生电感这个电路的主要优点是自我调控，特别是在关断过流或者短路电流时优势特别明显。这种电路主要适用于高压模块。保护措施：寄生电感IGBTModules–Technologies,DriverandApplication83在IGBT关断时，负载电流的负电流变化率-di/dt会导致开关过电压。两级关断的思想是在关断过程中降低电流的变化率。两级关断（TLTO)的概念保护措施：TLTO两级关断（TLTO)IGBTModules–Technologies,DriverandApplication8475有无TLTO功能的关断短路电流对比实验保护措施：TLTO两级关断（TLTO)IGBTModules–Technologies,DriverandApplication85推荐：初始值约11V和1us。集成TLTO功能的IGBT驱动器IC：TD350注：尽管用一个TLTO可以来限制过电流或者短路关闭的过电压，依然可以用一个有源箝位来作为额外的安全保障层。保护措施：TLTO两级关断ICIGBTModules–Technologies,DriverandApplication86软关断软关断的目的在于防止当IGBT因短路而被关断时产生开关过压，如果驱动检测到短路，软关断功能将提供一个相对高的阻抗，该阻抗能够延迟栅极电容的放电。软关断原理注：尽管IGBT由于过电流或者短路被关断时软关断限制了开关过电压，仍然建议将有源箝位做为一个必要的安全保护措施。保护措施：

软关断IGBTModules–Technologies,DriverandApplication87逻辑功能最小脉冲抑制死区生成和半桥互锁错误消息，阻断时间和故障存储逻辑功能IGBTModules–Technologies,DriverandApplication88最小脉冲抑制

最小脉冲抑制是为了防止低于某一长度的开通或者关断脉冲来控制半导体被开通或关断。合理的时间设置是在100ns到800ns之间，高压（例如3.3kV到6.5kV）器件的时间可以更长一些。同向施密特触发器最小脉冲抑制原理图IGTBModules–Technologies,DriverandApplication89逻辑功能死区生成和半桥互锁

具有延迟和最小脉冲抑制的半桥电路互锁的原理图IGBTModules–Technologies,DriverandApplication90逻辑功能故障信息，阻断时间和故障存储如果栅极驱动检测出了故障，那么栅极驱动应该关断受影响的通道。同时，高级控制端得到故障信号并识别故障类型。对于如何设计这个控制过程，最基本的原则必选向上级控制传送识别的故障。IC驱动器和驱动板通常都会用一个“集电极开路”电路来实现这个过程，故障信号可以存储在故障存储中，同时关闭栅极驱动。如果没有故障存储和重置，栅极驱动将会在预调时间内停止工作，在这个时间内，栅极驱动将被关闭，同时高级监控开始动作。一旦超过这个时间，无论高级监控是否响应，栅极驱动都会再次工作。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication91逻辑功能安全停止停止功能分为三级：驱动和电源分离的功能，也称为“0级停机”减缓驱动达到中性点，防止产生扭矩，