IGBT驅動技術概述

1、igbt驅動技術概述,內容簡介,igbt驅動 國內外典型igbt驅動器概述 所內igbt驅動現狀及發(fā)展計劃,1 igbt的驅動,1.1 igbt驅動的概念與意義 1.2 絕緣柵雙極晶體管(igbt) 1.3 igbt驅動電路基本要素 1.4 igbt驅動設計中需考慮的一些問題,1.1 igbt驅動的概念與意義-概念,驅動電路主電路與控制電路之間的接口 基本功能是將控制電路發(fā)出的開關信號轉變?yōu)檫m合igbt驅動的信號，對igbt的開關進行控制 器件或整個裝置的一些保護措施也往往設在驅動電路中，或通過驅動電路實現,1.1 igbt驅動的概念與意義-意義,影響決定igbt的開關損耗 igbt 的損耗由

2、開關損耗和開通損耗 組成，其中對于固定的裝置來說，開通損耗基本上是固定的，但開關損耗是可控的 直接影響igbt元件的可靠性，從而影響igbt變流裝置的可靠性 igbt元件的電氣保護基本上全都設計在igbt驅動中，如過流短路保護、過壓保護、軟關斷等,1.1 igbt驅動的概念與意義-意義,決定igbt裝置的最大輸出功率 igbt元件性能可以發(fā)揮的程度直接由igbt驅動決定，例如，對于1200a/3300v的igbt元件，好的驅動電路能使其以1200a持續(xù)運行（散熱允許），但一般我們只能讓其在800900a時就開始保護，否則，難以確保真正發(fā)生過流時是否能可靠關斷igbt,1.1 igbt驅動的概念

3、與意義-意義,總而言之，對于發(fā)展國內igbt變流器技術來說，開發(fā)一種先進igbt門極驅動單元gdu是非常必要且迫切的,1.2 絕緣柵雙極晶體管igbt,1.2.1 igbt的結構和工作原理 1.2.2 igbt的靜態(tài)特性 1.2.3 igbt的動態(tài)特性 1.2.3 igbt的擎住效應安與全工作區(qū),1.2.1 igbt的結構和工作原理,三端器件：柵（門）極g、集電極c和發(fā)射極e 內部結構斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號 rn為晶體管基區(qū)內的調制電阻,2.2.1 igbt的結構和工作原理,igbt的結構 結構圖a表明， igbt是n溝道vdmosfet與gtr組合 igbt比vd

4、mosfet多一層p+注入區(qū)，形成了一個大面積的p+n結j1 使igbt導通時由p+注入區(qū)向n基區(qū)發(fā)射少子，從而對漂移區(qū)電導率進行調制，使得igbt具有很強的通流能力 簡化等效電路表明，igbt是gtr與mosfet組成的達林頓結構，一個由mosfet驅動的厚基區(qū)pnp晶體管,2.2.1 igbt的結構和工作原理,igbt的工作原理 驅動原理與電力mosfet基本相同，場控器通斷由柵射極電壓uge決定 導通：uge大于開啟電壓uge(th)時，mosfet內形成溝道，為晶體管提供基極電流，igbt導通 導通壓降：電導調制效應使電阻rn減小，使通態(tài)壓降小 關斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，mo

5、sfet內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，igbt關斷,1.2.2 igbt的靜態(tài)特性,轉移特性 開啟電壓uge(th)igbt能實現電導調制而導通的最低柵射電壓 uge(th)隨溫度升高而略有下降，在+25c時，uge(th)的值一般為26v,1.2.2 igbt的靜態(tài)特性,igbt的輸出特性 igbt 導通時，流過其集電極的電流越大， vce的靜態(tài)壓降也越大。 根據這個關系，我們可以通過檢測vce的壓降來對igbt 元件進行過流保護,1.2.3 igbt的動態(tài)特性,1.2.3 igbt的動態(tài)特性,igbt的開通過程 與mosfet的相似，因為開通過程中igbt在大部分時間作為mosfe

6、t運行 開通時間tontd(on) (開通延遲時間)與tr (電流上升時間)之和 uce的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。 tfv1 為igbt中mosfet單獨工作的電壓下降過程；tfv2為mosfet和pnp晶體管同時工作的電壓下降過程,1.2.3 igbt的動態(tài)特性,igbt的關斷過程 關斷時間tofftd(off) （關斷延遲時間）與tfi （電流下降時間）之和 電流下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1為igbt內部的mosfet的關斷過程，ic下降較快；tfi2為igbt內部的pnp晶體管的關斷過程，ic下降較慢,1.2.3 igbt的擎住效應安與全工作區(qū),igbt的

7、擎住效應 當 ic 大到一定程度，或關斷的動態(tài)過程中dvce dt 過高，使 v2 開通，進而使 v2 和 v3 處于飽和狀態(tài)，柵極失去控制作用,具有寄生晶閘管igbt等效電路,1.2.3 igbt的擎住效應安與全工作區(qū),正偏安全工作區(qū)（fbsoa） 最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定,1.2.3 igbt的擎住效應安與全工作區(qū),反偏安全工作區(qū)（rbsoa） 最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率dvce/dt確定,1.3 igbt驅動電路基本要素,igbt驅動電路一般具備三個基本的要求 驅動放大 電氣隔離 保護igbt,1.3 igbt驅動要素-驅動放大,驅動

8、放大 是一般驅動電路的基本要求，對igbt來說，需要考慮驅動igbt所需的功率，驅動電壓，開關時間等，以滿足開關損耗和開關頻率的要求,1.3 igbt驅動要素-電氣隔離,電氣隔離 由于 igbt 在電力電子設備中多用于高 壓場合，故驅動電路與控制電路在電位上應嚴格隔離。 包括驅動信號隔離和電源的隔離，其中驅動信號的一般隔離方法有光隔離和磁隔離,1.3 igbt驅動要素-電氣隔離,光隔離: 主要有光耦和光纖。 光纖除了隔離以外，還具有抗干擾能力強，傳輸損耗小的特點 磁隔離即為脈沖變壓器隔離 特點是信號傳輸延時小,1.3 igbt驅動要素-保護功能,保護功能 igbt驅動器一般都設有igbt保護及

9、故障反饋功能，對于一個復雜的igbt驅動器，其保護功能是非常完善的，理想的igbt驅動器是能充分發(fā)揮igbt的潛力，并全面保護igbt元件，使其在各種情形之下都不會受到損壞,1.3 igbt驅動要素-保護功能,一般igbt驅動器都設有一個基本的igbt保護功能，即當igbt元件發(fā)生過流和短路路時，能在允許的時間內關斷igbt元件,1.4 igbt驅動設計中需考慮的問題,驅動電路與 igbt 的連線要盡量短 igbt 與 mosfet 都是電壓驅動，都具有一個2.5v 5v 的閾值電壓，有一個容性輸入阻抗，因此 igbt 對柵極電荷非常敏感故驅動電路必須很可靠，要保證有一條低阻抗值的放電回路,1

10、.4 igbt驅動設計中需考慮的問題,用內阻小的驅動源對柵極電容充放電 以保證柵極控制電壓 uge, 有足夠陡的前后沿，使igbt 的開關損耗盡量小。另外， igbt 開通后，柵極驅動源應能提供足夠的功率，維持uge 的恒定,1.4 igbt驅動設計中需考慮的問題,驅動電平+uge 必須綜合考慮 uge增大時，igbt 通態(tài)壓降和開通損耗均下降，但負載短路時的ic增大，igbt能承受短路電流的時間減小，對其安全不利，因此在有短路過程的設備中 uge 應選得小些，一般選1215v,1.4 igbt驅動設計中需考慮的問題,負偏壓uge也有限制 在關斷過程中，為盡快抽取pnp管的存儲電荷，須施加一負

11、偏壓uge,但它受igbt的g 、e間最大反向耐壓限制，一般取1v-15v,1.4 igbt驅動設計中需考慮的問題,門極電阻 rg需綜合考慮 門極電阻 rg 增加，將使 igbt 的開通與關斷時間增加；因而使開通與關斷能耗均增加。而門極電阻減少，則又使 dic/dt 增大，可能引發(fā) igbt 擎住效應，同時 rg 上的損耗也有所增加。 為了減小dic/dt且不影響向 igbt 的開關損耗，往往在門極與射極之間并一電容cge。 igbt 的柵極驅動電路應盡可能簡單實用，抗干擾能力強,2 國內外典型igbt驅動器概述,2.1 概述 2.2 三菱公司的m57962l 2.3 富士公司的exb841

12、2.4 concept公司igd515 2.5 bobadier公司的dytp 140a,2.1 國內外典型igbt驅動器概述,國內外生產或出售igbt驅動器的公司很多 主要有德國的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公司是專門生產和出售igbt驅動器的，其產品比較齊全，對用戶的再設計要求比較少,2.1 國內外典型igbt驅動器概述,由于用于出售的igbt驅動器或驅動芯片集成度較高且驅動能力將，很多價格也比較便宜，對于要求不高或批量不大的場合（如igbt的開關損耗沒要求），最好首選專門的igbt驅動器或驅動芯片，給設計

13、帶來簡便 對于我們所內，作為國內igbt技術的先驅，生產和研究igbt驅動是非常必要的，不管是大功率igbt驅動技術，還是小功率和要求不高的場合，但可以盡量采用一些專門的集成芯片,2.1 國內外典型igbt驅動器概述,一般驅動網上報價表,2.2 三菱公司的m57962l,主要技術參數： vccmax=18v veemax=-15v vi =-17v 輸出電流峰值：5a 適用于驅動小功率的igbt元件或mosfet,2.2 三菱公司的m57962l,2.2 三菱公司的m57962l,2.3 富士公司的exb841,主要技術參數： vccmax=25v 輸出反偏電壓5v 輸出電流峰值：4a 最大開

14、關頻率：40khz 適用于驅動小功率的igbt元件或mosfet,2.3 富士公司的exb841,2.4 concept公司igd515,主要特點： 帶有電源隔離電路,外接電路簡單 輸出電壓將近15v 輸出電流峰值15a 開關頻率可達mhz 光纖傳送抗干擾能力強 適用于驅動igbt元件或大功率mosfet,2.4 concept公司igd515,2.4 concept公司igd515,外圍電路圖,2.4 concept公司igd515,驅動電路： ronroff,2.4 concept公司igd515,光纖接收電路 有光，input為低電平 無光，input為5v,2.4 concept公司i

15、gd515,光纖反饋電路 mosfet導通，光纖不發(fā)光 mosfet不導通，光纖發(fā)光,2.4 concept公司igd515,過流檢測電路 vmevref時，過流保護電路啟動,2.4 concept公司igd515,過流保護波形圖,2.4 concept公司其它驅動器,scale驅動器 scale為scaleable, compact, all-purpose, low-cost, easy-to-use 的縮寫,2.4 concept公司其它驅動器,scale系列的驅動器與前面的igd系列的驅動器相比，有許多改進： 同樣功能的電路性能更好 采用了自己生產的專用驅動集成芯片，電路更加簡單，功能

16、更強，另外，器件性能及電路都有所改進。 新增了一些保護功能，尤其是過電壓抑制功能,2.4 concept公司其它驅動器,過電壓抑制電路示意圖 vce電壓超過一定值時，vz導通，對其進行抑制,2.5 bobadier公司的dytp 140a,概述 使用在深圳地鐵ph box、pa box上的dytp 140a模塊是bobadier公司專門為變頻變流器開發(fā)的可以對igbt進行先進控制的igbt驅動器,2.5 bobadier公司的dytp 140a,特點 采用電流源給柵極充電 采用可編程控制 能夠通過cpld中的程序來決定igbt在不同狀態(tài)下開通與關斷時門極的充放電電流 主要技術參數： 輸出電流：

17、012.8a可調 輸出穩(wěn)定電壓： 15v,2.5 bobadier公司的dytp 140a,電流源驅動示意圖,2.5 bobadier公司的dytp 140a,一般電阻型驅動的示意圖,2.5 bobadier公司的dytp 140a,優(yōu)點 與一般采用的固定電阻來進行對igbt 門極充放電的igbt驅動器相比，主要具有以下一些優(yōu)點： 適用范圍廣dytp 140a是一種通用的igbt驅動器，可以驅動用于不同型號、等級上的不同型號的igbt元件，具有相同的硬件，只要更換其中的軟件 。 具有全面的igbt保護功能，主要有,2.5 bobadier公司的dytp 140a,調節(jié)dvce/dt與dic/d

18、t 軟件可以很靈活的改變不同狀態(tài)下門極的充放電電流，從而可以動態(tài)調節(jié)dvce/dt與dic/dt。 過電壓限制 由于采用的是可編程的恒流源控制，當igbt關斷時流過igbt元件的dic/dt太大或過電壓超過一定值時，則采用軟關斷，減小門極的放電電流，從而減小igbt的關斷速度，使過電壓不至于太高,2.5 bobadier公司的dytp 140a,對igbt元件進行過流短路保護 能夠檢測出igbt元件在各種狀態(tài)下的過流短路，并能對igbt元件進行保護，將過流信號反饋給dcu。 優(yōu)化igbt的開關損耗 由于采用可編程控制方式，能夠在對igbt進行保護的同時，盡可能減小igbt的開通及關斷時間，從而

19、有效地降低了igbt元件的開關損耗,3. 所內igbt驅動現狀及發(fā)展計劃,4.1 所內igbt驅動現狀 4.2 目前igbt驅動存在的問題 4.4 現在igbt驅動的發(fā)展計劃,3.1 所內igbt驅動現狀主變流器,主變流器使用的igbt驅動 目前正在使用的主變流器igbt驅動（兩路驅動,3.1 所內igbt驅動現狀主變流器,改進的模塊化結構（即將在長客擺式車上使用,3.1 所內igbt驅動現狀主變流器,通用的igbt驅動模塊 特點： 將驅動部分不可調的全都集成在內，可調部分或對外部分通過引腳與外連接,3.1 所內igbt驅動現狀主變流器,原理： 與concept公司igd515相似，性能稍好。 特點： 采用模塊化結構，將通用的且價格不高的元件集成在模塊內部。 通用性強，用戶再設計簡單。 驅動能力強，輸出峰值電流可達18a 輸出穩(wěn)定電壓： 15v,3.1 所內igbt驅動現狀主變流器,開通延時小 板內延時150ns，光纖延時100ns 開關頻率