高压大功率IGBT驱动模块的技术特点

　　对于高压大功率igbt，上述驱动方式显然无法应用。通常采用的方法是调制驱动脉冲信号，将其上升沿和下降沿转换为两个反相的窄脉冲信号，脉冲变压器只是将这两个脉冲信号耦合到次级，再通过次级重构的方法还原驱动脉冲信号。其工作原理如图3所示。

　　此种方法可称为脉冲边缘耦合传递方式。这种方式的优点是脉冲变压器只传递脉冲宽度固定的窄脉冲信号，可以适应占空比宽范围变化的驱动脉冲信号。由于变压器传递的是窄脉冲信号，变压器的磁芯和绕组可以取比较小的值，相应的漏感和分布电容也比较小，这都有利于脉冲变压器的设计和信号的传输。不足之处是增加了变换和重构电路，电路相对比较复杂一些。图4为变换后脉冲变压器初级实验波形。
　　2.3　内置dc/dc隔离变换器
　　大功率igbt驱动模块为了方便用户对驱动电源的设计，内部通常都自带了dc/dc变换器。具有高隔离电压等级的dc/dc变换器无需用户单独设计隔离电源，集成的隔离变换器通常采用半桥式或推挽式的结构，为了增加隔离电压，简化变换器控制电路，一般不带闭环控制，个别驱动器在输出端增加了线性稳压电源来实现驱动电压的稳定。为了减小变压器的体积，工作频率多在100khz以上。在高压大功率应用场合，根据不同的母线电压，驱动器初次级之间必须要求具有很高的隔离电压耐量，900vdc的母线电压要求至少有4kv ac的隔离电压。另外一个必须考虑的因素是dv/dt耐量，当igbt高速开关时，可能产生非常高的dv/dt，此信号可以经过隔离变压器或脉冲变压器耦合到初级控制电路，对控制电路产生干扰。因此，在隔离变压器的设计时还要求其具有非常小的初次级耦合电容，根据对dv/dt耐量具体的要求来决定其变压器耦合电容容量大小，通常情况下都要小于20pf。
　　变压器的制作工艺是实现上述高隔离电压的关键，为了增加隔离电压耐量，减小初、次级或次级之间的耦合电容，通常都是将绕组分开绕制，中间用绝缘档板分隔。有时还需要在磁芯表面涂上加厚的绝缘材料或者用三层绝缘线来绕制。图5为eupec的igbt驱动模块2ed300c17的变压器结构示意图［4］。

　　2.4　短路保护及门限调节

　　当前普遍采用的igbt短路或过流保护方式是通过检测vce的电压值来实现的［5］，当igbt出现短路或过流时，其工作区将退出饱和区而使vce电压升高，具体的保护电路原理如图6所示。通过二极管d与igbt的集电极相连来实现igbt的欠饱和检测，vce电压升高将相应地使串联二极管的阳极电位升高，当超过设定的短路门限时保护电路动作，关断igbt。由于igbt在开通初期的集电极电压比较高，如果此时保护电路工作可能造成误动作，必须设置一个盲区时间，在此时间内短路保护电路是不工作的。此功能是通过开关s和外接并联电阻rce和电容cce来实现的，当igbt关断时，s开通，电容cce被充电到15v，当igbt开通时，s关断，cce电容经rce放电，放电终止电压为：

　　这样就可以使得在igbt开通初期，参考电压高于检测电压，防止保护电路误动作，正常工作时的波形如图7（a）所示。发生短路或过流故障时的波形如图7（b）所示。

　　2.5　用户接口方式
　　为了适应不同的厂商封装的igbt模块，igbt驱动器必须具有友好的用户接口。同时还要具有广泛的灵活性和经济的成本。目前市场上常见的驱动模块主要是采用焊接在pcb板上来实现与igbt的连接，比如：skhi22、2sd315a和2ed300c17等。为了方便安装，也有采用直插式的连接方式，图8为semikron公司开发的驱动模块skyper的外观图。它通过直插式的方式与驱动接口板相连接。

　　由于驱动模块（驱动芯）只提供驱动器中最重要的通用功能，因此它在不同的应用中与不同模块的连接需要依靠接口板来完成。整个模块－驱动单元包括了一个具有弹簧接口的功率模块、一个标准版或增强版驱动芯以及连接驱动芯到指定模块的接口板。可以用户化的接口板有一个突出的优点：用户可以自己调整并决定igbt的开关特性，例如：通过调整rgon或rgoff来改变igbt开通或关断的速度;调整死区时间或禁止互锁功能;调整vce保护点和窗口时间等。与目前市场上的智能功率模块ipm相比较，接口板使得整个系统变得更加灵活，更易于适应不同的应用。而一旦系统参数被设定后，整个系统可以如同ipm一样使用方便。semix模块与接口板的电气连接是通过semix模块中内置的弹簧与接口板底层的触点来实现的。装配完成后，接口板的触点触压模块的弹簧触点，通过压力接触完成电气连接。与焊接技术相比，触压提高了功率模块的可靠性。同样，驱动芯与接口板的插拔式连接也是为了避免焊接［6］。图９为驱动芯与接口板与semix模块之间的连接示例图。