IGBT驱动技术概述

IGBT驱动技术概述内容简介1.IGBT驱动2.国内外典型IGBT驱动器概述3.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1)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2)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3)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4)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IGBT1.2.1IGBT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Ea)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1)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2)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1)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2~6V1.2.2IGBT的静态特性2)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1)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2)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1)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2)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3)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IGBT1.3IGBT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1)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2)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3)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4)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5)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。7)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DYTP140A2.1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MOSFET2.2三菱公司的M57962L2.2三菱公司的M57962L2.3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MOSFET2.3富士公司的EXB8412.4CONCEPT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MOSFET2.4CONCEPT公司IGD5152.4CONCEPT公司IGD515外围电路图：2.4CONCEPT公司IGD515●驱动电路：RONROFF2.4CONCEPT公司IGD515●光纤接收电路有光，INPUT为低电平无光，INPUT为＋5V2.4CONCEPT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VMEVREF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DYTP140A1)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DYTP140A2)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：±15V2.5BOBADIER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DYTP140A3)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