用于功率變換器的IGBT驅(qū)動(dòng)核心電路

1、用于功率變換器的IGBT驅(qū)動(dòng)核心電路單電壓等級(jí)供電的簡(jiǎn)單高效的門極驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路Markus Hermwille，電子產(chǎn)品經(jīng)理，SEMIKRON 電子公司除了功率模塊以外，每個(gè)電力電子系統(tǒng)都還有另外一個(gè)關(guān)鍵部件就是IGBT驅(qū)動(dòng)電路，它們是功率晶體管和控制器之間非常重要的接口電路。因此，選擇適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電路就和逆變器整體方案的可靠性緊密相關(guān)。與此同時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路還應(yīng)該具備最廣泛的系統(tǒng)適應(yīng)性和用戶接口友好性。例如，在一個(gè)電力電子逆變器中，微控制器提供系統(tǒng)正確運(yùn)行所需要的數(shù)字信號(hào)。IGBT驅(qū)動(dòng)電路的功能就是將來(lái)自于微控制器的信號(hào)轉(zhuǎn)換成具有足夠功率的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，來(lái)保證IGBTs安全地關(guān)斷與開通。另一方面，I

2、GBT驅(qū)動(dòng)電路為微控制器和功率晶體管之間的電壓提供電氣隔離。為了在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)功率模塊得到正確和有效的保護(hù)，保護(hù)功能也被集成到驅(qū)動(dòng)電路中上。因此用于IGBT功率模塊上的驅(qū)動(dòng)電路必須能夠完成門極驅(qū)動(dòng)和模塊保護(hù)功能。它們還必須能為控制部分和功率半導(dǎo)體之間提供電氣隔離，并滿足多種不同型號(hào)IGBT的驅(qū)動(dòng)要求。為了滿足上述要求，必須對(duì)現(xiàn)有的門極驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行優(yōu)化。具體地說(shuō)，就是必須在諸多因素如功能，靈活性以及性價(jià)比之間尋求最優(yōu)平衡，所幸的是，在新的門極驅(qū)動(dòng)電路SKYPERTM中我們做到了這一點(diǎn)。結(jié)構(gòu)圖1是SKYPERTM 驅(qū)動(dòng)電路的原理框圖。該電路是一個(gè)半橋電路，它具備基本驅(qū)動(dòng)電路所有的功能，如電勢(shì)隔離

3、，保護(hù)功能如VCE監(jiān)測(cè)，短脈沖抑制，欠壓監(jiān)測(cè)以及死區(qū)時(shí)間。通過(guò)使用特定用途集成電路（ASICs芯片）以及基于基本驅(qū)動(dòng)器功能的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，它需要的元器件比傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路要少得多。驅(qū)動(dòng)器核心電路在15v穩(wěn)壓電源下工作并處理15v數(shù)字控制信號(hào)。圖一 SKYPER的原理框圖電源隔離 電源隔離最重要的要求就是必須具有很高的隔離電壓和足夠高的dv/dt。通過(guò)從原邊到副邊使用pF級(jí)的小容量耦合電容就可以得到高的dv/dt。這也會(huì)減小在功率半導(dǎo)體開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)由位移電流導(dǎo)致的信號(hào)發(fā)射干擾。就逆變器而言，IGBTs的快速開關(guān)會(huì)導(dǎo)致比較大的電壓階躍（高dv/dt值）。因此有必要考慮噪聲信號(hào)可能會(huì)影響到控制信號(hào)。這些噪

4、聲信號(hào)可以通過(guò)電氣隔離器件的耦合電容到達(dá)控制系統(tǒng)。在上圖所示的驅(qū)動(dòng)核心電路中，（副邊的）功率開關(guān)管與（原邊的）信號(hào)電路被磁性變壓器隔離，磁性變壓器還傳遞驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電流能量以及故障信號(hào)。這意味著驅(qū)動(dòng)核心電路適用于電壓達(dá)1700V的IGBTs。使用信號(hào)變壓器（脈沖變壓器）不僅可以提供高質(zhì)量的電氣隔離，它在原邊與副邊間還有很高的dv/dt(50kv/us)。與光耦構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路不一樣的是，信號(hào)變壓器可靠性好，而且能夠進(jìn)行信號(hào)的雙向傳遞。鐵氧體隔離變壓器為驅(qū)動(dòng)電路的副邊提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并提供驅(qū)動(dòng)IGBTs開關(guān)動(dòng)作所需要的能量。圖2是DC/DC變換器的電路圖。信號(hào)發(fā)生電路被集成到專用的ASIC芯片當(dāng)中

5、。通過(guò)兩路互補(bǔ)的500kHz同步脈沖信號(hào)TRP和TRN輸出，分別驅(qū)動(dòng)一個(gè)p溝道MOSFET和一個(gè)n溝道MOSFET。為了防止上下橋臂的兩個(gè)互補(bǔ)MOSFETs同時(shí)導(dǎo)通發(fā)生短路，15v脈沖信號(hào)采用互鎖設(shè)計(jì) 。在副邊采用了整流和穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)以產(chǎn)生一路正電壓和一路負(fù)電壓。由于集成的DC/DC變換器，就不再需要外部的隔離電源。圖2 DC/DC變換器原邊輸出電路部分通過(guò)為驅(qū)動(dòng)核心電路中的門極電容充電可以控制IGBTs的開關(guān)動(dòng)作，而門極電路的充電是通過(guò)電阻來(lái)控制的。圖3是輸出部分的電路。驅(qū)動(dòng)核心電路的輸出緩沖器由來(lái)自于DC/DC變換器的15v/-7v供電。如果電路工作正常（無(wú)故障），則信號(hào)通過(guò)門極電阻R0傳

6、送到IGBT的門極。圖3中的門極電阻可以分解成分別對(duì)應(yīng)于導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)的RGon和RGoff兩部分。這種電路設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)就在于針對(duì)開通過(guò)電流，關(guān)斷過(guò)電壓以及短路時(shí)的不同情況采取單獨(dú)的開通和關(guān)斷優(yōu)化處理。圖3 MOSFET輸出電路當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路（在開關(guān)轉(zhuǎn)換，關(guān)斷以及驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)壓導(dǎo)致?lián)舸r(shí)）具有很高的輸出性阻抗，因此門極發(fā)射極電阻（RGE）可以防止門極電容非正常充電。每一路輸出部分的門極充電峰值電流都可達(dá)15A。這種高脈沖輸出電流使得IGBTs的開通和關(guān)斷時(shí)間分短，因?yàn)镮GBT的門極電容充電非常迅速，這也意味著該驅(qū)動(dòng)電路可以驅(qū)動(dòng)大電流的IGBT模塊或并聯(lián)的IGBTs。從本質(zhì)上來(lái)講，IGBTs開關(guān)轉(zhuǎn)換所

7、需要的電荷取決于IGBT選用的技術(shù)類型，集成電路規(guī)模，直流母線電壓以及門極驅(qū)動(dòng)電壓。驅(qū)動(dòng)電路的輸出部分每個(gè)脈沖可以提供高達(dá)6.3uC的電荷。針對(duì)所選用的IGBT，以平均輸出電流50mA計(jì)，則開關(guān)頻率可以達(dá)到50kHz。因此SKYPERTM門極驅(qū)動(dòng)電路足以驅(qū)動(dòng)1400A/1200V半橋IGBT模塊。保護(hù)電路為了保護(hù)IGBT在短路等情況下發(fā)生過(guò)載，副邊的每個(gè)輸出部分都有一個(gè)集成的實(shí)時(shí)飽和電壓監(jiān)測(cè)功能。該監(jiān)測(cè)功在一定的消隱時(shí)間（tbl，它可由外部電路來(lái)控制時(shí)間的長(zhǎng)短）后對(duì)IGBT的集電極發(fā)射極電壓和外部可調(diào)的參考電壓（VCEstat）進(jìn)行對(duì)比，如果集電極發(fā)射極電壓超過(guò)了參考電壓，則該路輸出立刻被關(guān)斷

8、，并且短路電路直接將故障信號(hào)傳動(dòng)到原邊驅(qū)動(dòng)核心電路的故障存儲(chǔ)區(qū)域，在此處故障被記錄，然后所有的輸出被迅即關(guān)斷。為了阻止電路在短路的情況下再開通，傳遞后續(xù)開通信號(hào)的信號(hào)電路通道被互鎖，直到有復(fù)位脈沖對(duì)該電路進(jìn)行復(fù)位。在IGBT退飽和監(jiān)視中，必須考慮它的實(shí)時(shí)飽和電壓特征。在IGBT開通的最初幾個(gè)微秒，集電極發(fā)射極電壓遠(yuǎn)高于穩(wěn)定后的VCEsat值。因此監(jiān)測(cè)電路的響應(yīng)特征在消隱時(shí)間內(nèi)（圖4）必須與VCEsat特征圖一致。圖4 集電極發(fā)射極的實(shí)時(shí)飽和電壓特征如果驅(qū)動(dòng)電壓下降比較大，則門極驅(qū)動(dòng)與保護(hù)功能都將失效。而且功率晶體管不再完全受控。因?yàn)殚T極電壓比較低，IGBT將工作在線性區(qū)間。如果IGBT工作在線

9、性區(qū)間，它的損耗非常大，完全有可能發(fā)生熱過(guò)載。為了確保門極驅(qū)動(dòng)電壓的降低能夠被檢測(cè)到，驅(qū)動(dòng)電壓也受到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦電壓異常，則集成的故障存儲(chǔ)器被置位。至于電路短路的監(jiān)測(cè)情況，一旦發(fā)生短路，則故障存儲(chǔ)器既封鎖輸出電路的輸入脈沖，也封鎖設(shè)置驅(qū)動(dòng)電路故障信號(hào)的輸入脈沖。為了避免橋臂發(fā)生短路，在電壓源電路中同一橋臂的IGBTs一定不能同時(shí)開通。因?yàn)橛序?qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的死區(qū)時(shí)間，即使在輸入信號(hào)錯(cuò)誤時(shí)，兩路輸出也會(huì)被互鎖。在上述標(biāo)準(zhǔn)版本的驅(qū)動(dòng)核心電路基礎(chǔ)上，我們還開發(fā)熱一個(gè)增強(qiáng)版，它集成了其它一些功能如副邊故障輸入以及加強(qiáng)的故障管理功能，而且還加入了軟關(guān)斷技術(shù)以提高短路保護(hù)的能力。在發(fā)生短路時(shí)，該功能以比較低

10、的速度關(guān)斷IGBT，從而降低了直流母線電壓過(guò)沖，使IGBT適應(yīng)更高的直流母線電壓。這也意味著可以提高最終的輸出功率。連接情況SKYPER 驅(qū)動(dòng)核心電路適合于通過(guò)焊接或接插件與PCB進(jìn)行組裝，能夠與多種IGBT模塊進(jìn)行匹配。通過(guò)盡可能地優(yōu)化開關(guān)特性，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出來(lái)的解決方案既具備標(biāo)準(zhǔn)智能功率模塊的通用功能，又不失傳統(tǒng)功率模塊的靈活性。靈活的裝配設(shè)計(jì)允許件驅(qū)動(dòng)電路直接安裝在IGBT模塊上，而且這種連接使得IGBT模塊和驅(qū)動(dòng)電路之間的連接線很短。因此這種驅(qū)動(dòng)電路為電路設(shè)計(jì)者提供了帶電勢(shì)隔離和保護(hù)功能的簡(jiǎn)單的門極驅(qū)動(dòng)電路。SKYPER 可被應(yīng)用于如功率電子變換器等廣泛領(lǐng)域中。參考文獻(xiàn)2 Application Manual Power Modules,