IGBT驱动

IGBT驱动RichardZhuMarketingHighPower2015-09-18COMPANYCONFIDENTIALIGBT驱动简介信号传输技术驱动电路拓扑驱动隔离电源Vcesat检测门极钳位有源钳位软关断内容2©2015PowerIntegrations|驱动可包括以下几部分：基本功能：用来控制IGBT的门极以实现IGBT的开通和关断。IGBT门极呈现的是容性特征，需要储备或者释放一定数量的电荷量才能开通或者关断流过集电极的电流。保护功能：为了避免IGBT在正常工作的过程中不受到损坏，IGBT驱动也需要提供短路保护，Vce过压保护，门极欠压保护等功能。电气隔离：由于驱动器控制的是IGBT的门极，副边电路参考的电位都是IGBT的发射极，处于较高电位，因此IGBT驱动电路的设计需要满足安规要求---电气间隙，爬电距离。简介3©2015PowerIntegrations|开通，T2关断。+15V电源通过Rg,on给IGBT门极进行充电当IGBT门极电压到达UGE,th之后，集电极电流开始增长；基本功能4©2015PowerIntegrations|关断，T2开通。IGBT经由Rg,off给-10V电压源放电。基本功能5©2015PowerIntegrations|©2015PowerIntegrations|开关要素门极电压电平—开通过程需要在IGBT门极施加正电平电压源使IGBT处于导通饱和区通常推荐采用+15V导通饱和压降与门极电压电平成反比短路电流与门极电压成正比基本功能7©2015PowerIntegrations|开关要素门极电压电平—关断过程需要在IGBT门极施加负电平电压源通常推荐使用-8V…-10V电平的负电压源，避免半桥拓扑IGBT发生直通现象有缘米勒钳位---ActiveMillerClamping基本功能8©2015PowerIntegrations|开关要素门极电阻—强烈影响着IGBT开关过程时的主物理量开通电阻Rg,on越小IGBT开关速度(di/dt)越快开通损耗越低间接影响二极管的反向恢复电流斜率关断电阻Rg,off越大IGBT关断速度(di/dt)越慢电压尖峰越小，IGBT损耗大存在桥臂直通的可能性电阻的使用推荐在曲线范围内开关电阻的选配可通过双脉冲测试来验证基本功能9©2015PowerIntegrations|©2015PowerIntegrations|信号传输技术：电平转换器：单一电平控制技术来对IGBT门极进行开关；光耦：采用光隔离技术。只能起到信号隔离作用。需要外部提供隔离电源。脉冲变压器：采用磁隔离技术，信号和电源均采用变压器进行传输。光纤传输：满足任何电压等级的应用，需要给光纤提供一路稳压并带隔离的直流电源。可实现远距离信号传输。信号传输技术11©2015PowerIntegrations|电平转换器：电平转换器：无任何隔离措施，适用于600V以下IGBT模块采用单一电平控制技术信号传输技术12©2015PowerIntegrations|光耦原方/副方之间采用光耦技术进行隔离隔离电压等级有限本身不带DC/DC电源传输时延较大，不适合直接并联应用传输延迟时间误差会影响死区时间的设置导致变流器输出电流的失真这个参数随寿命的变化而变化信号单向传输信号传输(uCIGBT门极)单向传输故障信号(IGBT门极uC)单向反馈光耦产品目前多使用在Vce=1.2kV场合光耦技术可以实现更高电压等级的应用因为电气间隙的原因需要更大封装目前市场上暂时没有Vce1.5kV的光耦信号传输技术13©2015PowerIntegrations|低压侧高压侧脉冲变压器原方/副方之间采用脉冲变压器技术进行隔离脉冲变压器技术，不存在磁饱和问题可为全电压等级的IGBT应用提供隔离技术DC/DC电源采用变压器技术进行能量传送传输时延较小，适合直接并联应用信号可实现双向传输信号传输，故障反馈信号可通过同一变压器进行传输信号传输技术14©2015PowerIntegrations|•InputBuffer•PulseShaper•DeadTime/Interlock•PulseStageDriverErrorSignalOutputSwitchingSignalHighSide/TOPSwitchingSignalLowSide/BOTErrorProcessing•ErrorLatch•ErrorSignalDC/DCConverterControl•PowerSupplyMonitoringPulseShaperPowerSupplyOutputStageDesaturationMonitoringPowerSupplyPulseShaperDesaturationMonitoringOutputStage光纤技术信号的收发通过光纤传输光纤收发需要成对出现可实现远距离传输，满足全电压应用场合采用光信号传输技术，抗干扰能力强本身不带DC/DC电源传输时延较大，不适合直接并联应用信号传输技术15©2015PowerIntegrations|©2015PowerIntegrations|传输方式优势劣势电平转换器-低成本-灵活，可集成更多功能-不带隔离-无负压关断-需要外部提供电源-Vce=0.6kV光耦-低成本-寿命-传输延时-需要外部提供电源-Vce=1.2kV脉冲变压器-可实现高电压隔离等级-自带隔离电源-传输时延小-体积较大光纤-可实现高电压隔离等级-抗干扰能力强-成本较高-传输时延大16推动级电路电压源推动级---主流驱动技术都采用电压源型推动级H桥拓扑共射极电路MOSFET推挽电路N沟道MOSFET推挽电路电流源推动级驱动拓扑电路17©2015PowerIntegrations|桥电路单一电平电压源，无须负电压；需要外部提供一个稳压的+16V电源。控制复杂，需要控制H桥中的所有晶体管；门极峰值电流有限，某些应用场合需要增加电流放大电路；功率器件的上桥对应的驱动都需要独立的隔离电源；驱动拓扑电路18©2015PowerIntegrations|共射极电路输出电压与输入电压之间的关系：Uin-Uout0.7VT1导通;Uout-Uin0.7VT2导通控制简单；可通过并联实现更大门极峰值电流的需求；自身损耗大，在开关频率高的情况下发热明显三极管速度相对MOSFET而言偏慢驱动拓扑电路19©2015PowerIntegrations|推挽电路数字电路中常用的输出推动级可实现门极电阻可选功能，从而控制IGBT开关时的di/dt(dv/dt)控制简单；轨到轨控制，推动级速度快；推动级器件本身的损耗小；驱动拓扑电路20©2015PowerIntegrations|厂家N沟道MOSFET推挽电路轨到轨正逻辑控制；推动级速度快；推动级器件本身的损耗小；上管MOSFET需要配置自举(Bootstrap)以及电荷泵(ChargePump)；驱动拓扑电路21©2015PowerIntegrations|驱动设计驱动器输出功率：P=∆𝑈𝐺∙𝑓𝑠𝑤∙𝑄𝐺其中∆𝑈𝐺为𝐼𝐺𝐵𝑇开通关断之间的电压摆幅，𝑓𝑠𝑤为开关频率𝑄𝐺为IGBT门极电荷量若在门极放置了门极电容，P=∆𝑈𝐺∙𝑓𝑠𝑤∙𝑄𝐺+𝐶𝐺𝐸∙𝑓𝑠𝑤∙∆𝑈𝐺𝐸2门极峰值电流Ipeak=0.7∙∆𝑈𝐺𝐸𝑅𝐺=0.7∙𝑈𝐺𝐸,𝑚𝑎𝑥−𝑈𝐺𝐸,𝑚𝑖𝑛𝑅𝐺𝑖𝑛𝑡+𝑅𝐺𝑒𝑥𝑡,其中𝑈𝐺𝐸,𝑚𝑎𝑥为IGBT开通正电压，𝑈𝐺𝐸,𝑚𝑖𝑛为IGBT关断负电压，𝑅𝐺𝑖𝑛𝑡为IGBT内阻，𝑅𝐺𝑒𝑥𝑡为开关电阻驱动拓扑电路22©2015PowerIntegrations|案例分析Ipeak=0.7∙∆𝑈𝐺𝐸𝑅𝐺=0.7∙𝑈𝐺𝐸,𝑚𝑎𝑥−𝑈𝐺𝐸,𝑚𝑖𝑛𝑅𝐺𝑖𝑛𝑡+𝑅𝐺𝑒𝑥𝑡=0.7∙15−−52.5+1.8A=3.26AIB,T1=Ipeakh=3.2655=59mA,IB,T2=Ipeakh=−3.2645=−72mARB=∆𝑈𝐺𝐸𝐼𝐵,𝑇2=15−(−5)−72mA=278ohm驱动拓扑电路23©2015PowerIntegrations|反激电源𝑈2=𝑛∙𝑡𝑜𝑛𝑡𝑜𝑓𝑓∙𝑈1,其中n为匝数比，𝑡𝑜𝑛为T1导通时间，𝑡𝑜𝑓𝑓为T1关断时间开关管T1的占空比需小于50%；变压器的作用：能量传送和电气隔离驱动隔离电源24©2015PowerIntegrations|闭合，T2打开，I1流过N1，副边二极管D1导通，副边U2电压建立；T1打开，T2闭合，I1流过N2，副边二极管D2导通，副边负压-U3建立；T1，T2的占空比相同；驱动隔离电源25©2015PowerIntegrations|发生短路故障时，会伴随Vcesat退保和现象