大功率 IGBT 驱动的技术特点及发展趋势分析

由于 igbt 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 igbt 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。igbt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。驱动器主要完成以下三个方面的功能，首先是驱动功能，为 igbt 开关提供足够大的驱动电流，保证 igbt 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 igbt 发生短路或者过流时，驱动器能在最短的时间关断 igbt，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提下，驱动器还要考虑灵活性、性能与价格之间的关系。由于igbt 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 ups 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 igbt 驱动模块，比如：semikron 公司的 skhi22 和 concept 公司的 2sd315a 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 igbt 驱动技术的发展趋势。
 

在高压大功率应用中，考虑到开关产生的强干扰和 igbt 的高成本等因素，确保 igbt 驱动信号的可靠性非常重要。因此，大功率的 igbt 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 igbt 栅极的脉冲信号的可靠性。常见的驱动信号处理功能如下：
 

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 igbt时，如果驱动信号同时控制两只 igbt 导通，则会出现直通短路的现象，可能造成 igbt 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，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。
 

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 igbt的栅极，可能造成 igbt 在短时间内完成一个开关过程，过短的脉冲信号使 igbt 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 igbt 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 igbt 可靠性。

在半桥式的工作模式下，两只 igbt 必须轮流导通，为了防止两只 igbt在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 igbt，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（2sd106）或高、低电平（skhi22a/b）。

 

图 1 为 semikrom 公司的 igbt 大功率驱动器的信号处理框图［3］，其中包括了各种信号处理功能模块，其目的就是保证 igbt 驱动信号的可靠性。

 

考虑高压大功率 igbt 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 igbt 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 800v 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 igbt 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。
 

传统的驱动用脉冲变压器是将放大后的脉冲信号隔离后直接驱动 igbt 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 igbt，通常要求控制脉冲占空比小于 50%。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在失真，特别是在驱动大功率 igbt 时，由于 igbt 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。

 

 

对于高压大功率 igbt，上述驱动方式显然无法应用。通常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。

 

大功率 igbt 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 100khz 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，900vdc 的母线电压要求至少有 4kv ac 的隔离电压。另外一个必须考虑的因素是 dv/dt 耐量，当 igbt 高速开关时，可能产生非常高的 dv/dt，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 dv/dt 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 20pf。
 

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 eupec 的 igbt 驱动模块 2ed300c17 的变压器结构示意图［4］。

当前普遍采用的 igbt 短路或过流保护方式是通过检测 vce 的电压值来实现的［5］，当 igbt 出现短路或过流时，其工作区将退出饱和区而使 vce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 igbt 的集电极相连来实现 igbt 的欠饱和检测，vce 电压升高将相应地使串联二极管的阳极电位升高，当超过设定的短路门限时保护电路动作，关断 igbt。
 

由于 igbt 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rce 和电容 cce 来实现的，当 igbt 关断时，s 开通，电容 cce 被充电到15v，当 igbt 开通时，s 关断，cce 电容经 rce 放电，放电终止电压为：

 

 

这样就可以使得在 igbt 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。

 

为了适应不同的厂商封装的 igbt 模块，igbt 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 pcb 板上来实现与 igbt 的连接，比如：skhi22、2sd315a 和 2ed300c17 等。为了方便安装，也有采用直插式的连接方式，图 8 为 semikron 公司开发的驱动模块 skyper 的外观图。它通过直插式的方式与驱动接口板相连接。

 

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－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 igbt 的开关特性，例如：通过调整rgon 或 rgoff 来改变 igbt 开通或关断的速度;调整死区时间或禁止互锁功能;调整 vce 保护点和窗口时间等。与目前市场上的智能功率模块 ipm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 ipm 一样使用方便。semix模块与接口板的电气连接是通过 semix 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］。图９为驱动芯与接口板与 semix 模块之间的连接示例图。

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 igbt 更为紧密地结合，使其安装更方便，减小驱动器 igbt 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 igbt 驱动模块都采用了自主研发的专用集成电路 asic，比如：semikron 公司的 skic2001a 和 concept 公司的 ldi001 和 lgd001，通过 asic 的应用，可以将大部分的控制和保护功能用 ic 来实现，极大地减小了驱动器的体积和增加了 igbt 驱动器的可靠性。
 

igbt 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。
 

目前大功率 igbt 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［7］。可以预见的是未来大功率igbt 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 igbt 的控制。
 

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压大约为 3300v 左右。而 igbt 的最高电压等级已经达到 6500v，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。
 

igbt 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 3600a，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 5w～10w，瞬时最大输出电流要求达到 30a 以上。
 

为了适应在感应加热电源等方面的应用，igbt 的开关频率不断增加，随着制造技术的发展，igbt 最高的开关频率已经可以做到 100khz 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。
 

现在广泛应用的门极驱动技术无法实现对 igbt 开关过程中引起的 di/dt，dv/dt 的控制，从而控制变换电路的 emi。有源门极驱动技术可以有效地控制 igbt 开关造成的较高的 di/dt，dv/dt，相应地可以使 igbt 工作在更加安全的工作区，减小其开关过程中产生的 emi，相应地减小 igbt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 igbt 应用的需要，驱动器还必须具备动态均压和均流功能。

igbt 作为电力电子系统的一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，更高的开关频率和功率变换装置小型化的设计，随着性能不断提升，igbt 器件的应用领域已经扩展到更宽的范围，不仅在工业中，而且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（gtr）、功率 mos 场效应管（mosfet），甚至出现替代门关断晶闸管（gto）的现实趋势。大功率igbt 驱动模块技术将不断完善，集成度也将提高，进而减小 igbt 功耗和emi，提高系统的可靠性。随着 igbt 制造技术的发展，和应用领域将进一步增加，对于其驱动器的性能的要求也在不断提高，各驱动器制造商为了适应新一代 igbt 的性能，正在研发性能更加完善的 igbt 驱动器产品。