高压大功率IGBT驱动模块的技术特点

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。