IGBT模块驱动技术综述

2021-03-26马继晶

电子元器件与信息技术 2021年11期

马继晶

（酒泉职业技术学院，甘肃酒泉 735000）

0 引言

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），即绝缘栅双极型晶体管，是由MOSFET（绝缘栅场效应管）和BJT（双极型晶体管）构成的复合半导体器件。IGBT驱动器的基础功能是将上位机发出的控制信号，经隔离升压等方法将其转化为可直接作用于IGBT门极的正反偏驱动电压，以此来达到控制IGBT开通和关断的目的[1]。虽然IGBT有电流拖尾的缺点，但它同时具备MOSFET驱动功率小和BJT大电流的优点，广泛用于高压大电流和高速开关环境之中[2]。包括在风电变流器、光伏逆变、新能源电动汽车以及舰船动力系统和工业变频器领域等能源以及动力系统中，因此其工作可靠性成为要考虑的重要问题，而可靠的IGBT驱动器能够避免如IGBT器件过流、过温、过压以及擎柱效应等。

1 IGBT 驱动器的构成及意义

1.1 IGBT驱动器的构成

IGBT驱动器的基本功能是将上位机发出的控制信号通过隔离变换等单元电路转化为可直接驱动IGBT门极的正反偏驱动电压，以此来达到开通和关断IGBT的目的[3]。

1.2 IGBT驱动器的功能构成

① DC-DC隔离电源：主要用来为IGBT提供驱动功率。

② 信号隔离传输单元：用来传输低压侧PWM信号或将高压侧某些信号（如，故障等信号）传输至低压侧，用来控制和反馈电路工作情况。

③ 驱动单元：实现PWM信号功率放大，满足驱动IGBT门极信号的要求。

④ 检测保护单元：检测IGBT工作状态。

⑤ 控制处理单元：对输入和输出信号判别，做出相应的动作。如图1。

图1 IG BT驱动构成

1.3 IGBT驱动器的意义

IGBT应用广泛，包括在风电变流器、光伏逆变、新能源电动汽车以及舰船动力系统和工业变频器领域等能源以及动力系统中，因此其工作可靠性成为要考虑的重要问题，而可靠的IGBT驱动器能够避免如IGBT器件过流、过温、过压以及擎柱效应等。驱动级对系统级的主要影响可以如下图2描述。

图2 驱动级和系统级的联系

2 IGBT 驱动方案介绍

IGBT驱动方案主要针对不同模块类型，如：单个半桥、多个半桥和单管，采取合理的布局布置来实现驱动目的。IGBT驱动方案也表述了驱动的具体实现过程和形式，以此来说明驱动的可行性[4]。

（1）双通道驱动，信号传输方式采用光耦方式，它的构成功能如下框图3表示。接口（Interface），一般包含直流电源输入（VCC和GND）、PWM电信号输入模块和驱动故障返回信号或模块过温信号。信号隔离单元，主要采用IGBT驱动器专用高压高速数字光耦，保证高低压的隔离。

图3 光耦双通道驱动功能

①隔离电源，DC-DC隔离电源，提供驱动功率；②驱动单元，主要执行驱动功率传输；③控制单元（Control），处理PWM、故障Fault、监测模块温度、电源状态以及模块过流或短路状态[5]。

此类驱动实现有隔离传输信号、信号功率放大，电源过压、欠压以及模块温度监测和短路保护以及有源钳位等。常适用模块：EconoDual系列，如：FF600RME12；PrimePack系列，如：FF1000R17IE4。

（2）双通道驱动，信号传输方式采用光纤方式，它的构成功能如下框图4表示。功能同上面电信号传输驱动器，光纤隔离等级更高、信号传输更加稳定但成本相应会提高。光纤传输或电信号光耦传输，也可以兼容二者。常适用模块：EconoDual系列，如：FF600RME12；PrimePack系列，如：FF1000R17IE4。

图4 光纤双通道驱动功能

（3）单通道驱动，信号传输方式采用光纤的方式，它的构成如下框图5表示。适用模块：IHM-B系列，如：FZ1000R33HE4、FZ3600R17HP4；IHV 系列，如：FZ1200R33KF2C。

图5 光纤单通道驱动

以上介绍了常见驱动实现的方式，目前安华高（AVAGO）已有如ACPL-316J和ACPL-339J等专用集成光耦，自带短路保护、电源欠压保护和米勒箝位以及故障返回和封波处理等，这些专用驱动光耦集隔离传输和各类保护为一体，极大简化了驱动器的设计，如下ACPL-339J功能框图6。但毕竟在一些特殊场合，如高压领域、特殊拓扑及特殊系统环境（母排结构等）造成IGBT关断尖峰过大等，专用驱动光耦就显得力不从心，因此按照实际应用环境设计驱动器是必要的[6]。常见驱动的形式：①驱动核心板+门极电阻适配板；②一体式驱动，将核心板和适配电阻集成在一块板上。