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高压大功率IGBT驱动模块

1 引言
  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[1-2]。
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。

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:
(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。
(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。
(3) 死区时间设定功能
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 驱动器的信号处理框图

  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。
2.2 驱动信号的隔离传输方式
  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。

 

图2 脉冲变压器隔离驱动电路图

  对于高压大功率igbt,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驱动脉冲信号。其工作原理如图3所示。

图3 脉冲边缘耦合传递方式

  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。
2.3 内置dc/dc 隔离变换器
  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,900v dc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]。

 

图4 变压器初级波形

 

图5 驱动模块变压器结构示意图

2.4 短路保护及门限调节
  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。

 

图6 短路保护电路原理图

 

(a) (b)
图7 保护电路波形


2.5 用户接口方式
  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。

 

图8 semikron公司开发的驱动芯skyper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-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。

 

图9 驱动芯与接口板和semix模块之间的连接示例图

2.6 高度集成化
  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,减小驱动器与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。

3 高压大功率igbt驱动模块的发展趋势
  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。
(1) 更高的集成度
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。
(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。
(3) 更大的驱动功率
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。
(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,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。
(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。

4 结束语
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。

[来源:原创] [作者:国创电气] [日期:10-07-02]
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