IGBT驱动板简介

课程目标通过本课程，1、以典型驱动板为例详细讲解驱动板的各项功能和基础知识。2、介绍常用IGBT驱动板的编号含义。3、驱动板使用时的注意事项。IGBT驱动板的基础知识驱动板作为控制系统与开关器件之间重要的中间环节，承担着接收控制系统控制指令、传输控制命令、确保开关器件IGBT执行正确的开关动作、保护开关器件以及回馈IGBT工作状态的任务。IGBT驱动板的基础知识为了实现驱动板的功能，驱动板一般由电源、信号接收、电位隔离、信号传输、驱动执行、器件保护、状态反馈等7大部分组成，现以常用的0435驱动板所用的0435驱动核为例，讲解各部分功能与实现的原理。IGBT驱动板的基础知识一、电源分为两部分：一次侧电源、二次侧电源一次侧电源：上图蓝圈所示，控制系统或者开关电源，如PIB或者QP320，通过排线或者双绞线为控系统提供稳定的直流电，目前多为15V，以供控制板自身用电并通过变压器为二次侧（强电侧）提供电源。IGBT驱动板的基础知识二次侧电源：上图蓝圈所示，一次侧直流电源经过逆变，然后通过变压器为二次侧提供交流电，变压器二次侧的交流电通过整流桥以及滤波电容为二次侧提供稳定的直流电压，该直流电压一般在25-30V左右，即开通正压与关断负压的绝对值之和。电源的稳定是整个驱动板正常工作的基础。IGBT驱动板的基础知识对于0435驱动板，电源与信号传输被集成到了一个模块中，信号传输通过电磁方式。而对于光纤驱动板，例如常用的1SD536F2或者1SP0635，电源与信号传输是分开的。例如上图中蓝圈所示为电源部分的变压器，而红圈所示部分为光纤传输用的光纤头。信号是通过光脉冲进行传输的。IGBT驱动板的基础知识二、信号接收上图中的蓝圈与红圈，0435驱动板是双通道驱动板，可以同时驱动两个或者两组并联IGBT，因此其信号接收端共有两个，分别对应两个或者两组并联的IGBT。这个端口负责接收控制系统发出的驱动信号，高电平代表开，低电平代表关，工作模式均为施密特触发方式，即仅响应开关的上升/下降的跳变沿，而不响应常高或者常低的状态。这一点在短路保护时有一定的作用。IGBT驱动板的基础知识例如当IGBT发生短路后，驱动板锁定IGBT为关断状态，同时故障信号反馈给一次侧，对于0635这类光纤驱动板，其故障反馈时间与锁止时间较短，只有大概9μs，结束后驱动板正常工作，即使锁止结束时刻控制系统因为意外原因没有及时锁住驱动信号，而使得信号依然为常高，IGBT也不会开通，直到关断信号之后的下一个开通信号，如此可防止IGBT短时间内经历多次一类短路，导致炸机。IGBT驱动板的基础知识三、电位隔离由于一次侧与二次侧、不同的二次侧之间具有不同的电位，因此驱动板必须要具有可靠的电位隔离措施。电源通过隔离变压器进行隔离（蓝圈），不同的二次侧之间通过独立的变压器以及充足的电气间隙与爬电距离进行隔离（红圈）。类似0435的电磁的信号传输方式，信号的电位隔离也是通过变压器（蓝圈），而类似1SD536F2之类的光纤驱动板，信号的隔离通过光信号（黄圈）实现。而对于电压更高的产品，例如3300V三电平，板载的隔离已经不满足需求了，因此需要配置专用的隔离模块。IGBT驱动板的基础知识四、信号传输途中蓝圈所示，控制系统的信号（跳变沿）被接收后，一次侧的芯片将接收到的信号通过变压器传递给二次侧进行执行。光纤类驱动板则是通过光纤中光信号的有无来传递IGBT驱动板的基础知识上两图为0435驱动板一次侧信号（2通道）的开关对应驱动板二次侧（1通道）的开关执行情况。IGBT驱动板的基础知识五、驱动执行二次侧芯片在收到一次侧传递的开关信号（变压器或者光脉冲）之后，通过分别控制门极开通（GH）、关断（GL）引脚处的的Mosfet的开关来控制门极电压为电源高电平或者电源低电平，进而控制IGBT的开关动作。这也是二次侧电源电压与门极开关电压绝对值之和相等的原因。IGBT驱动板的基础知识六、器件保护保护功能主要是电源监控和短路保护，短路保护又分为一类和二类短路保护。电源保护功能针对的是电源欠压，当驱动板一次侧或者二次侧电源发生欠压时，故障信号通过状态反馈引脚或者光信号反馈给一次侧或者控制系统，直到欠压故障消失。IGBT驱动板的基础知识短路保护驱动板都具有一类短路功能，当IGBT发生一类短路后，驱动板可以在不受到控制系统控制的情况下自行关断IGBT，及时保护IGBT防止因功耗过大（短路峰值损耗在兆瓦级）而损坏。IGBT驱动板的基础知识一类短路的特征为IGBT在开通后，通过IGBT的短路电流急速上升达到饱和电流（大概4-6倍额定电流，倍数受到温度影响），同时IGBT的CE电压达到母线电压，此时瞬时功耗极大，此为一类短路。出现的条件：某相的输出与+或者-极之间有一段极端的导线短路，或者某相的半桥击穿短路。这两种情况的同一个特征就是短路线的电感非常低。IGBT驱动板的基础知识短路保护功能原理IGBT开通后，短路导致CE之间电压升高到母线电压，即上图红圈所示点处，高压通过图中红色箭头路径为Ca2充电，当Ca2两端电压达到一定的阈值之后，图中绿圈所示的VCE2收到信号，芯片进行短路保护动作自行关断IGBT，同时将短路状态信号反馈到一次侧。一类短路保护原理简单，实现也容易。IGBT驱动板的基础知识二类短路除了一类短路外，IGBT还有可能遭受二类短路情况的考验，二类短路的特征为IGBT短路电流快速上升，但IGBT不进入退保和即关断，此时IGBT两端电压会由于系统内杂散电感的影响而出现电压尖刺。二类短路其实是IGBT的一种极限关断行为，在关断时短路电流越大，电压尖刺越高，当峰值电压超过IGBT耐压极限时，IGBT就会由于过压损坏。IGBT驱动板的基础知识二类短路发生的情况一般出现在电机或者电抗器绝缘击穿时，此时短路线的电感很大，因此短路电流上升缓慢。不仅仅是二类短路关断时，即便是在系统正常运行状态下的正常关断行为也会产生关断尖刺，只是正常关断行为产生的电压尖刺较小，不会造成损害。降低二类短路最根本的解决办法是系统的布局与机械结构设计要达到实现回路最小面积的目的，这样系统内的杂散电感最小，基础原则为尽可能用叠层的措施、对于不能叠层的部分采用宽、扁、短的设计。二类短路相对一类短路保护难度更大，保护也更有必要。IGBT驱动板的基础知识二类短路保护随着系统的复杂程度越来越高，仅仅依靠机械设计降低杂散电感的难度越来越大，随着三电平类产品的出现，仅仅依靠降低回路面积的方式已经无法满足实际需求，因此现在的驱动板多采取有源钳位的方式来控制短路关断动作，降低关断速度，进而降低电压尖刺。IGBT驱动板的基础知识二类短路保护原理当IGBT的CE间电压超过某一限值时（例如3300V驱动板限值多为2500V），TVS管Dz导通，产生了电流Iz，这个电流会通过为IGBT门极电容充电使得门极电压降低变慢，而间接的降低IGBT的关断速度，抑制电压尖刺。随着技术的进步，有源钳位的也衍生出了高级有源钳位，效率更高，效果更好，基础原理一致。IGBT驱动板的基础知识七、状态反馈在驱动板工作过程中，二次侧会将其工作及时反馈给一次侧，以便控制系统检测IGBT工装状态，进行相应的控制动作。目前状态反馈的主要内容为故障状态反馈，包括电源欠压和一类短路，即将驱动板发生故障的信号及时传递给一次侧。0435驱动板在发生故障后，状态输出引脚（上图蓝圈）将会转为低阻抗，持续到阻断时间（可调）结束。IGBT驱动板的基础知识而对于0635之类的光纤型驱动板而言，故障信号则要通过光信号来表达。这类驱动板除了电源欠压及一类短路外，往往还有一个握手协议状态反馈，在每次开通或关断指令收到后，驱动板将向控制系统反馈一个700ns的脉冲，表示已收到开关信号。但该脉冲容易触发短路保护误动作，因此该信号往往需要滤除。IGBT驱动板的基础知识当确有故障发生时，驱动板会反馈一个大概9μs左右的脉冲信号，传递故障信号。因此光纤驱动板的故障信号是通过光的消失时间来表达的。IGBT驱动板的基础知识八、驱动板开通、关断电阻大部分驱动板都具有独立可调的开通、关断电阻（有些在门极板上），该电阻的作用在于调节IGBT的开通、关断速度，一般采用大功率插件电阻或者小功率贴片电阻多并联。IGBT驱动板的基础知识开关电阻的作用原理：IGBT的门极实际上是一个Mosfet开关，是用电压信号控制门极开关，门机上有一个门极电容（IGBT内部或者板载的），随着这个电容上的电压的变化，IGBT进行相应的动作。开关电阻与门极电容串联形成RC充放电电路，因此可以通过调节门极电阻来调节RC充放电时间，进而控制IGBT开关速度。开通电阻小，开通快；关断电阻大，关断慢。IGBT驱动板的基础知识目前市面上成型的驱动板多为光纤驱动板，此种驱动板针对不同厂家的同类IGBT、同一厂家的不同IGBT已经进行了电阻适配，方便了使用与维护。需要注意的是，同一类型的驱动板对不同类型的IGBT是不通用的，在实际使用时注意驱动板与IGBT的匹配。IGBT驱动板的基础知识门极电阻可以根据实际需要而进行调整，因此可以针对系统需求自行调整电阻配置。需要注意的是开关电阻直接影响IGBT的开关速度，也直接影响IGBT的开关损耗，电阻越大，损耗越大。其中开通电阻对于开通损耗的影响很明显，因此一般越小越好，而关断电阻对关断损耗影响不大，为了短路保护，可适当放大阻值。开通电阻对开通时间的影响开通电阻为3欧姆开通电阻为5欧姆关断电阻对关断时间的影响驱动电阻为2欧姆，关断时间1.64us驱动电阻为4.7欧姆，关断时间3.56us常用驱动板编号含义电压等级，1700V驱动核命名规则运行温度，对不同驱动核含义不同第二代驱动器隔离技术T：变压器方式V：普通光纤头S：ST光纤头单通道峰值输出电流，单位为A单通道平均输出功率，单位为W驱动器系列，SC代表驱动核，SP代表即插即用型驱动板通道数，2通道常用驱动板编号含义即插即用驱动板命名规则驱动板使用时的注意事项一、型号匹配1、驱动板与IGBT的电压等级保证一致。2、驱动板小类别与IGBT型号一致，即插即用型驱动板后缀带有所驱动IGBT型号，使用前注意检查型号匹配，如果暂时没有同型号驱动板可用，可以根据配置表将其他型号驱动板改为所需型号。驱动板使用时的注意事项二、防静电措施CONCEPT门极驱动器基于高度集成的专用集成电路芯片组。这些芯片组分别基于双极和CMOS技术设计而成。它们仅提供有限的静电防护功能。因此，必须强制执行适当的防静电处理，以确保产品能够正常工作并获得高可靠性。整体防静电保护需要从来料检验开始，直到最终装配，包括所有的中间环节，以防止对门极驱动器可能造成的损坏。使用时关键要采取防静电措施：1、包装材料必须符合防静电标准2、直接接触门极驱动器的员工，需要佩戴防静电手腕带或接地的金属带防静电手腕带3、工作场所，特别是桌子、椅子和临时存放台，以及工具特别是焊接设备、螺丝刀等都必须符合防静电标准。防静电设施