IGBT驱动器研究的科学依据和功能构成分析*

党坤 马继晶 王鹏鹏

(1.酒泉职业技术学院,甘肃酒泉 735000;2.中国科学院近代物理研究所,甘肃兰州 730000)

0 引言

随着经济社会发展,能源生产和消费总量持续增长,化石能源大量开发和使用,导致资源紧张、环境污染、气候变化等问题突出。采用IGBT进行功率变换,能够提高用电效率和质量,具有高效节能、绿色环保的特点,是解决能源短缺问题和降低碳排放的关键支撑技术。

IGBT(绝缘栅双极型晶体管)是由BJT和MOS组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,是能源变换和传输的最核心器件,是目前最先进应用最广泛的第三代功率半导体器件,俗称电力电子装备的CPU[1]。我国IGBT器件90%依赖进口,国内市场份额主要被欧美、日本企业垄断。IGBT作为国家战略性新兴产业,涉及国家经济安全、国防安全等领域,占据重要地位,目前国产化进程正在提速阶段,国内摆脱进口依赖的期望持续增强。

1 IGBT驱动器关键技术研究的科学依据和意义

IGBT主要在新能源(如风电、光伏、电动汽车、充电桩)、轨道交通(如动车、地铁、轻轨)、智能电网(如柔性直流输电工程)、军工航天(如飞机、舰艇)、工业(如变频器、逆变焊机)、家用电器(如变频空调、洗衣机、冰箱)、医学(如医疗设备稳压电源)等领域应用极广。受益于新能源电动汽车、智能电网、轨道交通的快速发展,未来IGBT市场将迎来爆发。从成本上看,IGBT模块占新能源汽车控制器成本约50%,占电动汽车成本约10%,占充电桩成本约20%。

IGBT要想将自身优秀的功能在相关产品上稳定实现,离不开它的助手IGBT驱动器(即IGBT模块解决方案),IGBT驱动器是对上位机发出的控制信号(控制信号:使得功率管开通或关断)进行功率放大并同时能够对IGBT模块提供一定保护功能(互锁、短路、欠压、有源钳位)的装置。

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、过压以及擎住效应等。驱动级对系统级的主要影响如图1所示:

图1 驱动级和系统级的联系Fig.1 Connection between drive level and system level

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。

(1)双通道驱动,信号传输方式采用光耦方式。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。此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。(2)双通道驱动,信号传输方式采用光纤方式。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。(3)单通道驱动,信号传输方式采用光纤的方式。对单管形式的IGBT模块,通常利用模块来组成不同形式的拓扑;对单管高压模块来说开关特性的控制通常更加复杂,因为单阶段的开通并不能满足开关特性和系统性能的要求,通常需要分阶段动态开通[2]。

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。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。

目前随着系统的安全性、高效性以及可靠性的要求越来越重视,数字驱动显现了其独特的优势,功能控制能活,更新容易,尤其是在对模块的安全性起到了模拟驱动难以替代的地位。对模块指标的要求不同,则对驱动功能的要求也不同。

IGBT驱动器通过改变门极电阻来优化开关特性,因此需要一个控制核心来改变不同开关阶段(时间段)投入的门极电阻不同,以此来达到优化特性的目的,常见的控制芯片中CPLD最为合适实现这个功能;FPGA和CPLD同样为可编程逻辑器件,FPGA更适合做复杂算法。IGBT驱动器中不涉及复杂的算法,通常情况下是一些组合逻辑和时序逻辑的组合。针对IGBT驱动器中准确改变门极电阻的时间点是必须的,CPLD自身连续性布线结构决定了它的时序延迟是均匀和可预测的,再者CPLD速度快于FPGA。CPLD作为数字驱动的核心,可以实现以下功能[3]:

(1)窄脉冲(也称为短脉冲几百ns之内)滤除,避免误开关动作;(2)多级门极电阻(也称为变门极控制)的准确投入,优化开关特性;(3)综合利用VCE检测和di/dt检测,区别一类短路和二类短路,选择合理的关断方式(一类短路,则可在较短时间内关断IGBT,二类短路待电流上升最大值后再去关断IGBT,避免在电流上升过程中关断造成IGBT损坏);(4)短路实施软关断保护;(5)欠压实施欠压保护;故障回传和指示。此外该研究还具有开关特性的动态控制,对不同系统适应性强;智能实时监控系统故障,安全可靠;优良的抗电磁干扰的优势特征。

2 IGBT驱动器的功能构成

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。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。IGBT等效模型如图2所示:虚线是寄生NPN三极管;虚线Rp是寄生电阻;RN是沟道电阻,G-S加正向电压,沟道形成,开关导通。

图2 IGBT等效模型Fig.2 IGBT equivalent model

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。

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。

3 拟采取的研究方法和技术路线

IGBT驱动器采用的主流实现方式主要有:(1)光传输模拟驱动器:集成高速光耦为核心控制器件,来实现驱动与上位机的通信(故障返回)以及短路、欠压保护等。代表性光耦有Avango的ACPL-339J以及ACPL-332J等。优点:外围电路简单,适合做紧凑型、布板空间较小的驱动、成本较低。(2)光传输数字驱动器:以复杂可编程逻辑器件CPLD为控制核心,通过外围器件搭建功能模块(欠压、短路检测等)来实现响应功能。优点:电路控制灵活,实现功能较多,对开关特性能可实现一定的控制能力,驱动感观上大气。(3)高压数字驱动器:电压等级在3300V～4500V,以复杂可编程逻辑器件CPLD为控制核心,利用光纤的高绝缘性来实现控制信号传输,驱动一般只有单路。

目前随着客户对系统的安全性、高效性以及可靠性的要求越来越重视,数字驱动显现了其独特的优势,功能控制能活,更新容易,尤其是在对模块的安全性起到了模拟驱动难以替代的地位;若在国内开发驱动,低成本的模拟驱动是过渡产品,之后还是要发展数字驱动以更好地面向未来系统的要求,对驱动相关的整机做开发。无论是发电系统还是电机牵引系统,各用户对模块指标的要求不同,则对驱动功能的要求也不同,本项目结合应用客户需求,联合开发光传输模拟驱动器和数字驱动器。