高压大功率IGBT驱动模块的技术特点.pdf

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1、 变 频 器 世 界 2 0 0 7 年 6 月 系统 应 用 S v s t e m Ap p li c a t io n 高压大功率 I G B T驱动模块的技术特点 Th e Ch a r a c t e r i s t i c o f Hi g h Vo l t a g e a n d Hi g h Po we r I GBT Dr i v e r 歃通信学院电力工程系 张黎 广州金升阳科技有限公司 尹向阳 Z ha n g Li Yi n Xi a n g y a n g 摘要：I G B T驱动模块对 I G B T的功耗和可靠性会产生重要影响，对大功率 I G BT驱动模块的技术

2、特点作了详细的分 析，列出了设计的关键点，并介绍了大功率 I GB T驱动模块的技术发展趋势。、关键词：I G B T驱动器隔离型大功率 Ab s t r a c t：Th e l o s s e s a n d t h e r e l i a b i l i t y o f hi g h p o we r I GBT a r e d e p e n d e d o n t h e c h ara c t e ris t i c o f t h e d riv e r，Th e c h ara c t e ris t i c o f t h e h i g h p o we r I GBT d

3、 riv e r i s a n a l y z e d Th e d e s i g n k e y p o i n t s are p r e s e n t e d Th e d e v e l o p me n t tre n d o f t h e h i g h p o we r I GBT d riv e r i s a l s o i n t r o d u c e d Ke y wo r d s：I GBT d r i v e r I n s u l a t e d Hi g h p o we r 中图分类号】T M l 3 l 【文献标识码】B 文章编号 l 5 6 1 0

4、 3 3 0(2 0 0 7)0 6 0 0 8 6 0 5 l 引言 由于 I GB T具有开关频率高、导通功耗小及门极控制 方便等特 点，在 大功率变换系统 中得到 广泛 的应用。在 I GBT应用中，除其本身的技术水平以外，另一个要考虑 的重要因素是其驱动器的设计是否合理与可靠。I G B T驱 动器作为功率 电路和控制器之间的接 口电路，对系统的功 耗和可靠性等方面有着极大的关联，一个优化的驱动器在 功率变换系统 中是不可或缺 的，选择适当的驱动电路就和 变换器整体方案的可靠性紧密相关【l 】。驱动器主要完成 以下三个方面的功能，首先是驱动功 能，为 I G B T开关提供足够大的驱动

5、 电流，保证 I GB T能 在其控制下可靠地开通和关断；其次是驱动器要具有保护功 能，当 I G B T 发生短路或者 过流时，驱动器 能在最短的 时间关断I G B T，保护功率器件。另外，在高电压、大 功率的应用场合，驱动器作为控制电路与功率 电路之间的 连接桥梁，必须要具有电气隔离的功能，保证控制电路 不会受功率电路的干扰和 影响。在满足上述三种功 能的前 8 6 I T h e W o rl d o f I n v e r t er s 提 下，驱动器还要考虑灵活性、性能 与价格之间的关系。由于 I GB T 电流容量和 电压等级的不同，对其驱动器 的技术要求也存在差异。在小功 率应

6、用 中，由于驱动 电 流 比较小，大多采用集成化 的驱动器，而在大功率、高 电压的应用 中，比如：大功率 UP S电源，高压变频器等，要求驱动器提供更大的驱动电流 更高的隔离电压和更完 善的保护功能。本文针对 目前市场上常用的大功率 I GBT 驱动模块，比如：S e mi k r o n公司的S KHI 2 2 和 C O NC E P T 公司的 2 S D3 1 5 A 等，分析它们所共有的一些技术特点、设计要点以及未来大功率 I G B T驱动技术的发展趋势。2 技术特点分析 2 1 完善的信号处理功能 在高压大功率应用中，考虑到开关产生的强干扰和 I GBT的高成本等因素，确保 I

7、GB T驱动信号 的可靠性非 常重要。因此，大功率的 I G B T 驱动模块通常都具有完 善的驱动脉冲信号预处理功能，其 目的是保证 I GBT栅极 维普资讯 http:/ S 系统应 用 的脉冲信号 的可靠性。常见 的驱动信号处理功 能如 下：(1)双路脉冲互锁功能 当驱动模块输出两路脉冲信号分别控制同一桥臂上面 的上、下两只 I G B T时，如果驱动信号同时控制两只 I G B T 导通，则会 出现直通短路的现象，可 能造成 I G B T 或其 它器件的损坏。为了防止 出现上述情 况，在驱 动模块的 内部设计了信号互锁 电路，确保当输入两路脉冲信号 同时 为高时，两路输出同时为低电平

8、，防止出现直通现象。当需要双路驱动信号独立控制时，也可以通过外部端子屏 蔽互 锁功 能。(2)抑制窄脉冲功能 由于控制电路或者干扰等原 因造成的窄脉冲信号，通 过驱动器加到 I GB T的栅极，可能造成 I GB T在短时间内 完成一个开关过程，过短 的脉冲信号使 I G B T还未完全开 通又转为关断，对 变换器 的输 出产 生不 良影响，并且增 加了 I G B T 的开 关损耗，降低 了系统的效率。在驱动器 中设计了滤波电路，去 除窄脉冲信号，有利于提高 I GBT 可 靠 性。(3)死区时间设定功能 在半桥式的工作模式下，两 只 I GBT 必须轮流导通，为 了防止两只 I GB T在

9、开关交替过程中出现两管同时处于 开通状态，在两管交替导通时必须加入一定 的死 区时间，根据不同特性的 I GBT，死区时间也不相 同。在双路大功 率驱动模块 中，内部设计 了死 区控 制 电路，都 可 以通过 外部端子的不同接法来调节死区的大小，比如：通过外接 不同容量的电容(2 S D1 0 6)或高、低 电平(S KHI 2 2 A B)。图 1 为 S e mi k r o m公司的I GB T大功率驱动器 的信号 处理框图【，其中包括了各种信号处理功能模块，其目的 就是保证 I G BT驱动信号的可靠性。图1 驱动器的信号处理框图 2 _ 2驱动信号的隔离传输方式 考虑高压大功率 I

10、GB T驱动器工作在高电压环境，为 了保证控制器不受高压侧的影响，驱动脉冲信号必须经过 隔离后再传送到 I G B T的栅极。通常的隔离方式有光隔离 和磁 隔离，光 隔离又包括光耦 隔离和 光纤隔离，光耦隔 离方式由于隔离电压相对较低，存在传输延迟、老化和 可靠性等方面的问题，在直 流母线电压超过 8 0 0 V的高压 应用场合很少采用。而采用脉冲变压器隔离方式(磁隔离)可 以实现相对 较高 的隔离 电压，而且变压器的可靠性高，传输延迟小，可 以实 现较高的开关频率，不存在老化 的 问题，因此在高压 I GBT驱动器 中多数采用脉冲变压器作 为隔离元件来完成驱动信号 的隔离传输。传统的驱动用脉

11、冲变压器是将放大后的脉冲信号隔离 后直接驱动I GBT或功率MOS管，其基本的电路原理如 图2所示。初级串联电容的作用是去除驱动脉冲的直流分 量。次级并联的稳压管用于防止输出电压过高而损坏功率 开 关管。这种工作方 式无需单独 的驱动 电源，电路设 计 简单，成本 也 比较低。但是当驱动脉冲 的占空 比变化范 围比较大，特别是在 占空比比较大时，由于变压器输 出 波形在一个周期的伏秒面积必须相等，可能使输 出正脉冲 幅度减小，以至于无法正常驱动 I G B T，通常要求控制脉 冲 占空比小于 5 0 。同时，脉冲变压器磁芯 的饱和 问题 也 限制了控制脉冲的导通时间。另外一个缺点是驱动波形 存

12、在失真，特别是在驱动大功率 I G B T时，由于I GB T的 输入 电容比较大，脉冲变压器次级输出的驱动脉冲波形很 难满足驱 动要求。因此，这种驱动 方式主 要应用于小功 率 的开 关 电源 中。图2 脉冲变压器隔离驱动电路图 对于高压 大功率 I G B T，上述驱 动方式显然无法应 用。通常采用的方法是调制驱动脉冲信号，将其上升沿和 下降沿转换为两个反相的窄脉冲信号，脉冲变压器只是将 这两个脉冲信号耦合到次级，再通过次级重构的方法还原 图3 脉冲边缘耦合传递方式 T h eW o fl d o f l D V e H e r S l 8 7 维普资讯 http:/ 变 壤 器 世 界

13、2 0 0 7 年 6 月 系统应 用 Sv s t e m Ap p li c a t i o n 驱动 脉冲信号。其工作 原理 如 图 3所示。此种方法可称为脉冲边缘耦合传递方式。这种方式的 优点是脉冲变压器只传递脉冲宽度 固定的窄脉冲信号，可 以适应占空比宽范围变化的驱动脉冲信号。由于变压器传 递的是窄脉冲信号，变压器的磁芯和绕组可 以取比较小 的 值，相应 的漏感和 分布 电容也 比较小，这 都有利于脉冲 变压器的设计和信号的传输。不足之处是增加了变换和重 构 电路，电路相对 比较复杂一些。图 4为变换后 脉冲变 压器 初级实验 波形。图4 变压器初级波形 2 3 内置D C D C隔

14、离变换器 大功率 I G B T驱动模块为 了方便用户对驱动 电源的设 计，内部通常都 自 带 了DC DC变换器。具有高隔离 电压 等级的 DC DC变换器无需用户单独设计隔离 电源，集成 的隔离变换器通常采用半桥式或推挽式的结构，为了增加 隔离 电压，简化变换器控制电路，一般不带闭环控制，个 别驱动器在输出端增加了线性稳压电源来实现驱动电压的稳 定。为了减小变压器 的体积，工作频率多在 1 0 0 k Hz以 上。在高压 大功率应用场合，根据 不同的母线 电压，驱 动器初次级之间必须要求具有很高的隔离 电压耐量，9 0 0 V DC的母线电压要求至少有 4 k V AC 的隔离电压。另外

15、一个必须考虑的因素是 d v d t 耐量，当 I G B T高速开关时，可能产生非常高的d v d t，此信号可以经过隔离变压器或 脉冲变压器耦合到初级控制 电路，对控制 电路产生干扰。因此，在隔离变压器的设计时还要求其具有非常小 的初次 级耦合电容，根据对 d v d t 耐量具体的要求来决定其变压 器耦合电容容量 大小，通常情况下都要小于 2 0 p F。变压器的制作工艺是实现上述高隔离电压 的关键，为 了增 加隔离 电压耐量，减小 初、次级或次级之 间的耦 合 电容，通常都是将绕组分开绕制，中间用绝缘档板分隔。有时还需要在磁芯表面涂上加厚的绝缘材料或者用三层绝 缘线来绕制。图 5 为

16、E U P E C的 I G B T驱动模块 2 E D 3 0 0 C 1 7 的变压器结构示意图【引。8 8 I T h e W o r l d o f I n v ert e r s 图5 驱动模块变压器结构示意圈 2，4 短路保护及门限调节 当前普遍采用的 I GB T短路或过流保护方式是通过检 测 V c e 的电压值来实现的【，当I GB T出现短路或过流时，其工作区将退出饱和区而使 Vc e电压升高，具体的保护电 路原理如图 6 所示。通过二极管 D与 I G B T的集 电极相连 来实现 I G B T的欠饱和检测，V c e 电压升高将相应地使串联 二极管的阳极 电位升高，当

17、超过设定的短路门限时保护电 路动作，关断I G B T。由于 I G B T在开通初期的集 电极 电压 比较高，如果此时保护 电路工作可能造成误动作，必须设 置一个盲区时间，在此时间内短路保护电路是不工作的。此 功能是通过开关S和外接并联电阻 Rc e 和 电容 C c e 来实现 的，当 I G B T关断时，S 开通，电容 C c e 被充电到 1 5 V，当 I G B T开通时，S关断，C c e电容经 R c e 放 电，放电终止 电 压为：r一1 0Rc e R+图6 短路保护电路原理图 这样就可以使得在 I G BT开通初期，参考 电压高于检 测电压，防止保护电路误动作，正常工作

18、时的波形如 图7(a)所示。发生短路或过流故障时的波形如图 7(b)所示。图7 保护电路波形 维普资讯 http:/ 系统 应 用 Sy s t e m Ap p li c a t io n 2-5 用户接口方式 为了适应不同的厂商封装的 I GB T模块，I GBT驱动 器必须具有友好的用户接 口。同时还要具有广泛的灵活性和 经济的成本。目 前市场上常见的驱动模块主要是采用焊接在 P C B板上来实现与 I G B T的连接，比如：S K HI 2 2、2 S D 3 1 5 A 和 2 E D 3 0 0 C 1 7 等。为了方便安装，也有采用直插式的连接 方式，图 8 为 S e mi

19、k r o n公司开发的驱动模块 S KY P E R的 外观 图。它通过直插 式的方式与驱 动接 口板相连接。图8 S e mi k r o n 公司开发的驱动芯S K Y P E R的外观 由于驱动模块(驱动芯)只提供驱动器中最重要的通用功 能，因此它在不同的应用 中与不 同模块的连接需要依靠接 口板来完成。整个模块 一驱动单元包括了一个具有弹簧接 口的功率模块、一个标准版或增 强版驱动芯 以及连接驱动 芯到指定模块的接 口板。可以用户化 的接 口板有一个突出 的优点：用户可以 自己调整并决定 I G B T的开关特性，例如：通过调整 R g o n或 R g o ff来改变 I G B

20、T开通或关断的速度；调 整死区时间或禁止互锁功能；调整V C E保护点和窗 口时间 等。与目前市场上的智能功率模块 I P M 相比较，接 口板使 得整个系统变得更加灵活，更易于适应不同的应用。而一旦 系统参数被设定后，整个系统可以如 同I P M 一样使用方便。S E Mi X模块与接 口板的电气连接是通过 S E MI X模块中内置 的弹簧与接 口板底层的触点来实现的。装配完成后，接 口板 的触点触压模块的弹簧触点，通过压力接触完成 电气连接。与焊接技术相 比，触压提高了功率模块的可靠性。同样，驱 动芯与接 口板的插拔式连接也是为了避免焊接 6 1。图 9为 驱动芯与接 口板与S E MI

21、 X模块之间的连接示例图。图9 驱动芯与接口板和S E MI X 模块之间的连接示例图 2 6 高度集成化 变壤器世界 2 0 0 7年6月 驱动器 的发展的趋势是高度集成化，这样可 以减小驱 动器的体积，并且可以与 I G B T更为紧密地结合，使其安装 更方便，减小驱动器与 I G B T模块之间的连接线长度，减小 引线 电感。为了实现这一 目标，目前国外某些公司开发的 I GB T驱动模块都采用了 自主研发的专用集成 电路 AS I C，比如：S e mi k r o n公司的 S KI C 2 0 0 1 A和 C O NC E P T公司的 L D1 0 0 1 和L G D 0 0

22、 1，通过A S I C的应用，可以将大部分的控 制和保护功能用 I C 来实现，极大地减小了驱动器的体积 和增加了 I GB T驱动器的可靠性。3 高压大功率 I G B T 驱动模块的发展趋势 I G B T作为一种复合性的功率半导体，由于其低功 耗，高开关频率和较大的电流容量，特别是在大功率变换器 中正在得到越来越广泛的应用，对于其驱动电路的要求也将 会越来越高，主要的技术发展方 向体现 在以下几方面。(1)更高的集成度 目前大功率 I GBT驱动模块的体积还 比较大，为 了增 加隔离电压耐量，通常都会采用变压器来实现隔离，变压器 的体积和重量相对比较大，而且比较难于实现集成化。因此，未

23、来的驱动器会采用体积更小、更容易集成化的隔离器件，比如：应用压电式变压器或者先进的磁集成技术来减小隔离元 件的体积和重量，增加集成度 。可以预见的是未来大功率 I G B T必将和其驱动 电路集成在同一个模块 内部，用户只需 要将控制信号直接引入功率模块就可以实现对 I G B T的控制。(2)更高的隔离电压 当前驱动器都是采用光耦和变压器来实现 隔离，光耦 的优点是 体积小，但存 在隔离 电压 比较 低、容易老化和 延迟较大 等不足。变压器 隔离的 隔离 电压较 高，延迟较 小，但体积较大。因此，在需要高压隔离的场合还多数 采用变压器来 实现隔离，当前，变压器 隔离的驱动模块 的最高 隔离电

24、压大约为 3 3 0 0 V左右。而 I G B T的最高 电压 等级 已经达到 6 5 0 0 V，为了适 应更高 电压应用场合，必 须 采用隔离 电压更高 的驱动器。(3)更大的驱动功率 I GB T模块的容量在不断增加，单个模块的电流容量已 经可以做到 3 6 0 0 A，有时为了增加容量，通常采用并联的方 式工作，对驱动器的驱动功率也提出了更高的要求，驱动器 的最大输出电流必须相应地增加，特别是在多个模块并联应 用时，驱动器平均输出功率要求达到 5 W 1 0 W，瞬时最大 输出电流要求达到 3 0 A 以上。(下转第 1 O 4页)Th e W o r ld o f In v e r

25、 t e r s I 8 9 维普资讯 http:/ 主要设备 成本(R MB)合计成 k(RMB)一台 1 5 0 0 k V A变压器 1 5万 三 台低压变频器 6 0 万 9 9万 三台低压 电机 1 5万 低压控制柜 9万 特点：平均节能 3 0 以上。电机软启动，对 电网无 冲击，可靠 性高，免 维护，调速 特性优 良，机械振 动小 和磨损较少，保护功 能完善，自动化程度 高，容 易实现 自动调节控制和计算机通讯。变 频方案是最 经济可靠的。除了显著 节省能源以外，采用变频控制还具有其他诸 多 优点：电机软 启动，齐全的保护功能，调速特性 优 良，精度 高，自动化程度高，便于 监测

26、和通讯，维护方 便等。近年来，Va c o n低压变频解决方案已在国内多家电厂 的锅炉风机驱 动中取得了广泛应用。从应用效果看，无论 在 系统搭建，设备运行的可靠性，还是成本及环保绩效评 估 方面，均取得 了令用 户满意 的效果。作 者筒介 6 结柬语 叶 伟(1 9 7 8-)男 2 0 0 1 年毕业于上海理工大学机械 按照年平均运行 5 0 0 0小时，每度 电0 4元计算，采 自动化控制专业，现任伟肯(苏州)电气传动有限公司销售 用低压变频解决方案，每年因节能带来的成本节约为：工程师，在风机、泵变频调速领域拥有丰富的实践经验。(4 0 0+3 1 5+2 5 0)k W x 5 0 0

27、 0 h x 3 O x 0 4=5 7 9 0 0 0 元(R MB)因此，从电厂工艺状况和投资回报率角度考虑，低压 参考文献(略)(I-接第8 9页)(4)更高的开关频率 为了适应在感应加热电源等方面的应用，I G B T的开 关频率不断增加，随着制造技术的发展，I GBT最高的开 关频率已经可以做到 1 0 0 k Hz以上，已经可以部分替代功 率 MOS管，对于驱动器来讲，意味着必须提供更大的驱 动功率，而且还要驱动器具有更短的驱动脉冲延迟时间和 上升、下降 时间，提供 更大 的 瞬时最大 驱动 电流等。(5)更完备的功能 现在广泛应用的门极驱动技术无法实现对 I G B T开关过 程

28、中引起的d i d t，d v d t 的控制，从而控制变换电路的E MI。有源门极驱动技术可以有效地控制 I G B T开关造成的较高的 d i d t，d v d t，相应地可以使I G B T工作在更加安全的工作 区，减小其开关过程中产生的E MI，相应地减小 I G B T的缓 冲吸收电路。其中三段有源门极驱动技术是一种应用前景比 较广泛的有源门极驱动技术【8】。另外，为 了满足串、并联 I G B T应用的需要，驱动器还必须具备动态均压和均流功能。4 结束语 I G B T作为电力电子系统的种关键的电力半导体器件已 经持续增长了若干年，由于它使电力电子装置和设备实现了更 高的效率，更

29、高的开关频率和功率变换装置小型化的设计，随 着陛能不断提升，I G B T器件的应用领域已经扩展到更宽的范 围，不仅在工业中，而 目 在许多其他功率变换系统中，它已经 取代了大功率双极 晶体管(G T R)、功率 M O S场效应管(MO S F E T)，甚至出 现替代门关断晶闸管(G T O)的现实趋势。大 1 0 4 I Th e Worl d o f I n v e r t e r s 9 I G B T驱动模块技术将不断完善，集成度也将 提高，进而减 小I G B T功耗和E MI，提高系统的可靠性。随着I G B T制造技术 的发展，和应用领域将进步增加，对于其驱动器的性能的要 求

30、也在不断提高，各驱动器制造商为了适应新一代 I GB T的陛 能，正在研发性能更加完善的I G B T驱动器产品。作者简介 张黎博士从事电力 电子技术，非线性控制理论 等研究工作。参考文献 1】R S C h o k h a wa l a，J C a t t a n d L Ki r a l y G a t e d r i v e c o n d e mt i o n s f o r I GB T mo d u l e s I E E E Tr a n s I ndAp p 1 ，v o 1 31，n o 3，1 3 9 6 0 3-6 1 l，Ma y J u n1 9 9 5 2】A R

31、He f n e r An i n v e s t i g a t i o n o f t h e d r i v e c i r c u i t r e q u i r e me n t f o r t he p o w e r i n s u l a t e d ga t e bi po l a r t r a n s i s t o r I E EE Tr a n s Po w e r E l e c t r o n，v o 1 4，n o 2，p p 2 0 8 2l 8，Ap r 1 9 9 l 3】S KI C 2 o o l d a t a s h e e t，S E M】KR

32、O N，2 o o l 4 2 E D3 o o C l 7 dat a s h e e t，E U P E C，2 o o 3 【5】R S C h o k h a wa l a，J C a t t，a n d L Ki r a l y A d i s c u s s i o n o n I G B T s h o r t c i r c t b e h a v i o r a n d f a ult p r o t e c t i o n s c h e mes I E E E T run s 1 a dA p p 1 ，v o 1 3 1，n o 2，P P 2 5 2 6 3，Ma r

33、 Ap t 1 9 9 5 6】S KYP E R 3 2 T e c h n i c a l E x p l a n a t i o n s，S E MI KRO N，2 o o 5 7 D v 菌 c，F C o s t a，a n d E S a r r a u t e P i e z o e l e c t r ic t r a n s f o r me r for j n t e g r a t e d MOS FE T a n d I GBT ga t e dr i v e r I EE E Tmn s Po we r El e c t r o n，v o 1 2 1，n o 1，

34、1 3 9 5，J a n2 0 0 6 【8】L D u la u，S P o n t a r o l l o，A B o i m end，J G a mi e r，N G i r a u d o，a n d O T e r r ms e A n e w g a t e d flv int e g r a t e d c i r c u i t f o r I GB T d e v i c e s wi t h a d van c e d U b 哪 i 0 n s 皿 匝 Tr a m P o we rt e c tm n，v o 1 2 1，D O 1，P P 3 8-4 4，J an 加0 6 维普资讯 http:/