造纸大功率IGBT驱动技术的现状与开展.docx

《造纸大功率IGBT驱动技术的现状与开展.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《造纸大功率IGBT驱动技术的现状与开展.docx（10页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、造纸大功率IGBT驱动技术的现状与开展工程师进展设计时可将它配上隔离电源电路、死区控制电路、逻辑处理电路、门极驱动电阻等，就可直接驱动IGBT，形成最简单的大功率IGBT驱动保护电路;可以以自己配上一些外围电路形成多功能型驱动器。 单一功能型的大功率IGBT驱动保护电路的最大优点是应用灵敏、本钱较低。它既可以应用于诸如斩波、BOOST等需要单只IGBT运行的主回路，可以以应用于由多只IGBT组成的半桥、单相全桥、三相全桥等主回路。由于需要另配隔离电源电路、逻辑处理电路等，所以留给设计工程师的开发任务量大，这也是单一功能型的大功率IGBT驱动保护电路的最大缺点。这里的逻辑处理电路一般是指上电顺序

2、逻辑及各类保护处理等功能。 此外像HCPL-3150 等驱动器的驱动才能有限，一般都在3A以下，假如驱动600A以上的IGBT就需要外接更大的功率缓冲电路或者采取其它措施。 2.2 多功能型 多功能型的大功率IGBT驱动保护电路除了提供直接驱动IGBT的功能之外，还可以提供完善的保护功能，如HCPL-316J、 M57962等，如图2和图3所示，它们一般采用混合厚膜封装技术或采用集成封装技术，可以直接兼容CMOS/TTL电平。工程师进展设计时一般只需要配上隔离电源电路、死区控制电路、逻辑处理电路、门极驱动电阻等，就可以成为一个较为完好的大功率IGBT驱动保护电路。 M57962、HCPL-31

3、6J等驱动器本身具有较完好的保护功能，集成度高。其最大的优点是使开发人员的工作得到简化，而且可靠性高，非常适于多路驱动的场合。但是由于它们的驱动才能也有限，假如驱动更高功率的IGBT，也需要外接更大的功率缓冲电路。 M57962、HCPL-316J等驱动器一般提供软关断功能，在需要保护IGBT退出过流、短路状态时，这个功能非常重要，它可以使IGBT的NPNP四层构造免于进入“可控硅栓锁状态。此外像HCPL-316J等驱动器还具备欠压锁定保护功能，这大大简化了设计者的工作。 2.3 全功能型 全功能型的大功率IGBT驱动保护电路除了具有各类完善的保护功能之外，还都无一例外地配置了DC/DC隔离电

4、源，如2SD315AIConcept、SKYPERTMPROSemikron、2ED300C17-SEupec等。都是目前国际上著名的全功能型驱动器。 3 大功率IGBT驱动保护电路的功能 根据不同的应用需要，大功率IGBT驱动保护电路可以由多个功能组成一个相对完好的独立子系统。该系统的主要任务是完成“接口工作: 3.1 隔离功能 由于产生波形逻辑的控制电路与功率主回路之间存在电平差异，而且功率主回路存在非常高的电磁干扰，这就需要进展信号传递的隔离及电源供应的隔离。信号隔离有两种方式:光耦隔离方式及脉冲变压器隔离方式。 光耦隔离方式的优点是转换电路简单，易于应用。由于上升延时及下降延时在500

5、ns左右的量级，所以适用在频率较低的领域。假如需要故障回传到主控系统，那么需要另外一路光耦。为了方便使用，也有将这两个光耦集成在一个封装之内的产品，如HCPL-316J等等。目前市场上光耦隔离方式的最大工作隔离电压VIORM在3500V左右。 脉冲变压器隔离方式的转换电路相对复杂，一般需要使用专用集成电路，但是由于其运行速度高，适用在频率较高的领域，而且故障回传不需要其它绕组，隔离通道相对简单。只要空间位置允许，变压器隔离可以由于绕制工艺的改良做到非常高。此外一些对动态的隔离有要求的应用场合，要求隔离电路的dv/dt耐量非常高，而使用脉冲变压器隔离那么可以到达75kV/s以上的程度。 电源供应

6、隔离一般采用不共地的DC/DC变换器，其变压器隔离耐压一般是母线电压的3倍以上，变换器的二次侧必须可以提供正负电源。 3.2 死区隔离功能 驱动死区隔离的设置见图7阴影局部对于半桥、全桥主回路来讲是非常重要的。它一般是使用R、C电路来实现的。R、C电路的优点是简单，抗干扰才能强，缺点是轻易受温度影响，本钱较高，需要占据珍贵的PCB板件的面积，死区时间的调整间隔偏大。 针对上述R、C电路的缺点，很多具有开发才能的用户愿意使用“数字的方式来获得死区。其最大的优点是温度稳定性好，由于调整步距仅仅与时钟信号频率有关，可以做到很精细，利于优化算法及主回路系统。 3.3 驱动功率的缓冲功能 对于输出额定电

7、流在100A以上的IGBT来讲，固然属于具有高阻输入的场控器件，但是由于寄生电容的存在和弥勒效应，在短时内微秒或者亚微秒需要向IGBT的输入端输入或者抽出较大的电流，从几百毫安到十几个安培不等，视IGBT及主回路的参数来确定。因此在功率容量上普通的逻辑电路及逻辑缓冲电路均无法胜任，需要专门设计的功率缓冲电路来解决。这一类功率缓冲电路根本都是采用图腾柱输出级。很多产品选用双极型器件如M57962L等，也有选用单极型器件的如2SD315AI等，更有采用混合型器件，其上管选用双极型器件，下管选用单极型器件如HCIPL-316J等等。为了知足瞬间可以源出、吸入十几个安培，去耦电容的选择及布局显得极为重

8、要。一般选用具有良好高频特性的独石电容，在PCB布局时要求尽量紧靠图腾柱。 功率缓冲级的电源供应的容量也是非常重要的，视IGBT的门极电荷以或者门极电容参数和主回路工作频率来确定。功率缓冲级电路如图8所示，它的隔离耐压程度与信号传递电路的耐压程度要求等同。 3.4 检测及保护功能 3.4.1 过流检测及保护 一般采用间接电压法。当IGBT出现过流情况时，Vce饱和压降增大，因此通过检测IGBT导通时的Vce饱和压降与设定的阈值进展比拟就可以判定是否出现过流。为了进步抗干扰才能，出现了很多的基准设置及比拟方法，防止功率主回路出现频繁“打嗝甚至停机的现象。此外怎样平安地关断一只甚至多只并联处于过流

9、之中的IGBT也需要仔细考虑，目前多数采用软关断方法防止IGBT进入“栓锁状态。 3.4.2 欠压检测及保护 一般情况下，IGBT栅极电压Vge需15V才能使IGBT进入深饱和;假如Vge低于13V，在大电流时，CE之间过高的导通压降将使IGBT芯片温度急剧上升;当栅极电压低于10V，IGBT将工作于线性区并且很快因过热而烧毁;因此需要对Vge的电压进展欠压检测。在2ED300C17-S、SKYPERTMPRO等全功能型驱动器的二次侧上都集成了该功能。 3.4.3 温度检测及保护 在一些公司消费的IGBT模块上，还集成了温度传感器，只需将该温度传感器的信号连接到驱动器的相应检测电路上，就能实现

10、驱动器对IGBT温度的检测。由于传感器安放在IGBT的芯片附近，可以更加真实地反映出IGBT芯片的实际温度，所以可以更加可靠地保护IGBT模块。 3.4.4 保护功能的逻辑处理 一旦IGBT模块出现了上述的任何一个故障，都需要进入保护状态，所以保护功能的逻辑处理是最关键的一环，也是最难于设计的一环，而且一般也是由设计工程师自己来开发完成的。它的处理原那么是:当某一只IGBT出现了故障，要求保护逻辑处理做到： 1尽可能不停机; 2要防止事故进一步扩大; 3要求对报警信号进展真假的甄别。 这需要采取软件与硬件结合设计的方法来实现“智能保护逻辑处理。系统不同，治理保护的逻辑处理设计也不同。一般采取的

11、措施是:首先平安关断“问题IGBT，然后根据系统的要求判定是否需要关断更多的IGBT，直至停机。同时要求每一个步骤都设定一个适宜的延时，以便滤除伪信号。 3.5 短脉冲抑制功能 在驱动信号的传输经过中，由于干扰、计算误差等原因会造成在驱动信号上出现一些短脉冲，也叫“毛刺;假如驱动器按照这些短脉冲进展相应的IGBT开关，那么会造成输出波形变差，因此必须对此类短脉冲进展抑制。 4 技术展望 4.1 门极驱动电压提升 目前IGBT的开通电压一般采用+15V电压源驱动，有人已经提出开展恒流源驱动的方法，以为可以克制IGBT的“米勒电容效应，使IGBT的导通更加可靠。IGBT的关断电压从最初的0V，到后

12、来的-7V左右，低频下普遍使用-15V。 4.2 逐个脉冲软关断 如今大局部大功率IGBT驱动保护电路在正常运行时的关断方式为硬关断，只有在出现过流的情况下才会采用软关断的方式。而在感性负载情况之下，IGBT关断之后为了保持电流的连续性，必然会有一只续流二极管导通，此时会在功率母线的寄生电感上产生一个尖峰电压:v=Ldi/dt，除了寄生电感L及关断电流的大小影响之外，假如硬关断越快，即dt越小，那么尖峰电压v越高。而对于应用在较低频状况下的大功率IGBT，由于电流在几百安培，所以逐个脉冲进展软关断将会大大降低尖峰电压v，使尖峰电压v产生的干扰会大幅减小，可以进步系统的可靠性。一些IGBT消费厂

13、商也在着手开发具有软关断特性的IGBT芯片。 4.3 过流检测保护阈值参考基准设置方法 当前大局部大功率IGBT驱动保护电路对过流检测的保护阈值只有一个，一般常规值设在7V9V。为了防止误报警，出现了一些不同的阈值设置方法。 变阈值设置方法:在IGBT从截止状态刚刚进入饱和状态期间约几个微秒至十几个微秒，保护阈值可以从15V或更高按照一定的曲线降至常规设置值，可以防止在此期间的扰动的伪信号造成误报警; 多阈值设置方法:为了更为符合实际的工况应用情况，降低停机率，可以采用多阈值保护。比方IGBT的饱和压降到达第一阈值时，采用降低栅极电压的处理方式;到达更高的第二阈值时，才彻底关断IGBT。 4.

14、4 更加贴近驱动对象 目前，针对各种工况下使用的IGBT，例如高压变频器、UPS、逆变焊机等应用场合，均有不同的大功率IGBT驱动保护电路推出。这些驱动器的原理大致一样，但更加贴进各自的驱动对象。 4.5 与智能功率模块IPM分别在不同的功率领域并行开展 IPM内部集成了驱动电路，只需提供控制信号即可工作，主要应用中小功率场合;而大功率IGBT驱动保护电路一般用于大功率场合，对大功率的IGBT进展驱动。随着IGBT消费工艺，硅片技术、驱动技术的不断进步和开展，大功率IGBT驱动保护电路与IPM均在各自的功率领域并行开展。 5 大功率IGBT驱动保护电路开展所受到的的限制 本钱价格的限制，是对大功率IGBT驱动保护电路开展的最大限制。一个好的大功率IGBT驱动保护电路面对要解决的问题较广泛、复杂，可靠性的要求却非常之高。所以本钱因素极大地限制了全功能型大功率IGBT驱动保护电路的开展，而价格适中的多功能型大功率IGBT驱动保护电路是大多数工程师们的首选产品。对于肯在主回路上进展电流直接取样投资的工程师来讲，单一功能的驱动电路那么是他们的首选。 6 完毕语 大功率IGBT驱动保护技术的开展完全是受到IGBT开展的影响而开展的，随着半导体技术的进一步开展，新的器件乃至新型的IGBT的诞生，和新的主回路拓扑的诞生，会出现新奇的驱动保护技术。