由于 igbt 具有開關(guān)頻率高、導(dǎo)通功耗小及門極控制方便等特點(diǎn)，在大功率變換系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。在 igbt 應(yīng)用中，除其本身的技術(shù)水平以外，另一個要考慮的重要因素是其驅(qū)動器的設(shè)計(jì)是否合理與可靠。igbt驅(qū)動器作為功率電路和控制器之間的接口電路，對系統(tǒng)的功耗和可靠性等方面有著極大的關(guān)聯(lián)，一個優(yōu)化的驅(qū)動器在功率變換系統(tǒng)中是不可或缺的，選擇適當(dāng)?shù)尿?qū)動電路就和變換器整體方案的可靠性緊密相關(guān)。驅(qū)動器主要完成以下三個方面的功能，首先是驅(qū)動功能，為 igbt 開關(guān)提供足夠大的驅(qū)動電流，保證 igbt 能在其控制下可靠地開通和關(guān)斷;其次是驅(qū)動器要具有保護(hù)功能，當(dāng) igbt 發(fā)生短路或者過流時(shí)，驅(qū)動器能在最短的時(shí)間關(guān)斷 igbt，保護(hù)功率器件。另外，在高電壓、大功率的應(yīng)用場合，驅(qū)動器作為控制電路與功率電路之間的連接橋梁，必須要具有電氣隔離的功能，保證控制電路不會受功率電路的干擾和影響。在滿足上述三種功能的前提下，驅(qū)動器還要考慮靈活性、性能與價(jià)格之間的關(guān)系。由于igbt 電流容量和電壓等級的不同，對其驅(qū)動器的技術(shù)要求也存在差異。
 

在小功率應(yīng)用中，由于驅(qū)動電流比較小，大多采用集成化的驅(qū)動器，而在大功率、高電壓的應(yīng)用中，比如：大功率 ups 電源，高壓變頻器等，要求驅(qū)動器提供更大的驅(qū)動電流，更高的隔離電壓和更完善的保護(hù)功能。本文針對目前市場上常用的大功率 igbt 驅(qū)動模塊，比如：semikron 公司的 skhi22 和 concept 公司的 2sd315a 等，分析它們所共有的一些技術(shù)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)要點(diǎn)以及未來大功率 igbt 驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展趨勢。
 

在高壓大功率應(yīng)用中，考慮到開關(guān)產(chǎn)生的強(qiáng)干擾和 igbt 的高成本等因素，確保 igbt 驅(qū)動信號的可靠性非常重要。因此，大功率的 igbt 驅(qū)動模塊通常都具有完善的驅(qū)動脈沖信號預(yù)處理功能，其目的是保證 igbt 柵極的脈沖信號的可靠性。常見的驅(qū)動信號處理功能如下：
 

當(dāng)驅(qū)動模塊輸出兩路脈沖信號分別控制同一橋臂上面的上、下兩只 igbt時(shí)，如果驅(qū)動信號同時(shí)控制兩只 igbt 導(dǎo)通，則會出現(xiàn)直通短路的現(xiàn)象，可能造成 igbt 或其它器件的損壞。為了防止出現(xiàn)上述情況，在驅(qū)動模塊的內(nèi)部設(shè)計(jì)了信號互鎖電路，確保當(dāng)輸入兩路脈沖信號同時(shí)為高時(shí)，兩路輸出同時(shí)為低電平，防止出現(xiàn)直通現(xiàn)象。當(dāng)需要雙路驅(qū)動信號獨(dú)立控制時(shí)，也可以通過外部端子屏蔽互鎖功能。
 

由于控制電路或者干擾等原因造成的窄脈沖信號，通過驅(qū)動器加到 igbt的柵極，可能造成 igbt 在短時(shí)間內(nèi)完成一個開關(guān)過程，過短的脈沖信號使 igbt 還未完全開通又轉(zhuǎn)為關(guān)斷，對變換器的輸出產(chǎn)生不良影響，并且增加了 igbt 的開關(guān)損耗，降低了系統(tǒng)的效率。在驅(qū)動器中設(shè)計(jì)了濾波電路，去除窄脈沖信號，有利于提高 igbt 可靠性。

在半橋式的工作模式下，兩只 igbt 必須輪流導(dǎo)通，為了防止兩只 igbt在開關(guān)交替過程中出現(xiàn)兩管同時(shí)處于開通狀態(tài)，在兩管交替導(dǎo)通時(shí)必須加入一定的死區(qū)時(shí)間，根據(jù)不同特性的 igbt，死區(qū)時(shí)間也不相同。在雙路大功率驅(qū)動模塊中，內(nèi)部設(shè)計(jì)了死區(qū)控制電路，都可以通過外部端子的 不 同 接 法 來 調(diào) 節(jié) 死 區(qū) 的 大 小 ， 比 如 ：通 過 外 接 不 同 容 量 的 電 容（2sd106）或高、低電平（skhi22a/b）。

 

圖 1 為 semikrom 公司的 igbt 大功率驅(qū)動器的信號處理框圖［3］，其中包括了各種信號處理功能模塊，其目的就是保證 igbt 驅(qū)動信號的可靠性。

 

考慮高壓大功率 igbt 驅(qū)動器工作在高電壓環(huán)境，為了保證控制器不受高壓側(cè)的影響，驅(qū)動脈沖信號必須經(jīng)過隔離后再傳送到 igbt 的柵極。通常的隔離方式有光隔離和磁隔離，光隔離又包括光耦隔離和光纖隔離，光耦隔離方式由于隔離電壓相對較低，存在傳輸延遲、老化和可靠性等方面的問題，在直流母線電壓超過 800v 的高壓應(yīng)用場合很少采用。而采用脈沖變壓器隔離方式（磁隔離）可以實(shí)現(xiàn)相對較高的隔離電壓，而且變壓器的可靠性高，傳輸延遲小，可以實(shí)現(xiàn)較高的開關(guān)頻率，不存在老化的問題，因此在高壓 igbt 驅(qū)動器中多數(shù)采用脈沖變壓器作為隔離元件來完成驅(qū)動信號的隔離傳輸。
 

傳統(tǒng)的驅(qū)動用脈沖變壓器是將放大后的脈沖信號隔離后直接驅(qū)動 igbt 或功率 mos 管，其基本的電路原理如圖 2 所示。初級串聯(lián)電容的作用是去除驅(qū)動脈沖的直流分量。次級并聯(lián)的穩(wěn)壓管用于防止輸出電壓過高而損壞功率開關(guān)管。這種工作方式無需單獨(dú)的驅(qū)動電源，電路設(shè)計(jì)簡單，成本也比較低。但是當(dāng)驅(qū)動脈沖的占空比變化范圍比較大，特別是在占空比比較大時(shí)，由于變壓器輸出波形在一個周期的伏秒面積必須相等，可能使輸出正脈沖幅度減小，以至于無法正常驅(qū)動 igbt，通常要求控制脈沖占空比小于 50%。同時(shí)，脈沖變壓器磁芯的飽和問題也限制了控制脈沖的導(dǎo)通時(shí)間。另外一個缺點(diǎn)是驅(qū)動波形存在失真，特別是在驅(qū)動大功率 igbt 時(shí)，由于 igbt 的輸入電容比較大，脈沖變壓器次級輸出的驅(qū)動脈沖波形很難滿足驅(qū)動要求。因此，這種驅(qū)動方式主要應(yīng)用于小功率的開關(guān)電源中。

 

 

對于高壓大功率 igbt，上述驅(qū)動方式顯然無法應(yīng)用。通常用的方法是調(diào)制驅(qū)動脈沖信號，將其上升沿和下降沿轉(zhuǎn)換為兩個反相的窄脈沖信號，脈沖變壓器只是將這兩個脈沖信號耦合到次級，再通過次級重構(gòu)的方法還原驅(qū)動脈沖信號。其工作原理如圖 3 所示。

 

 

此種方法可稱為脈沖邊緣耦合傳遞方式。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是脈沖變壓器只傳遞脈沖寬度固定的窄脈沖信號，可以適應(yīng)占空比寬范圍變化的驅(qū)動脈沖信號。由于變壓器傳遞的是窄脈沖信號，變壓器的磁芯和繞組可以取比較小的值，相應(yīng)的漏感和分布電容也比較小，這都有利于脈沖變壓器的設(shè)計(jì)和信號的傳輸。不足之處是增加了變換和重構(gòu)電路，電路相對比較復(fù)雜一些。圖 4 為變換后脈沖變壓器初級實(shí)驗(yàn)波形。

 

大功率 igbt 驅(qū)動模塊為了方便用戶對驅(qū)動電源的設(shè)計(jì)，內(nèi)部通常都自帶了 dc/dc 變換器。具有高隔離電壓等級的 dc/dc 變換器無需用戶單獨(dú)設(shè)計(jì)隔離電源，集成的隔離變換器通常采用半橋式或推挽式的結(jié)構(gòu)，為了增加隔離電壓，簡化變換器控制電路，一般不帶閉環(huán)控制，個別驅(qū)動器在輸出端增加了線性穩(wěn)壓電源來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電壓的穩(wěn)定。為了減小變壓器的體積，工作頻率多在 100khz 以上。在高壓大功率應(yīng)用場合，根據(jù)不同的母線電壓，驅(qū)動器初次級之間必須要求具有很高的隔離電壓耐量，900vdc 的母線電壓要求至少有 4kv ac 的隔離電壓。另外一個必須考慮的因素是 dv/dt 耐量，當(dāng) igbt 高速開關(guān)時(shí)，可能產(chǎn)生非常高的 dv/dt，此信號可以經(jīng)過隔離變壓器或脈沖變壓器耦合到初級控制電路，對控制電路產(chǎn)生干擾。因此，在隔離變壓器的設(shè)計(jì)時(shí)還要求其具有非常小的初次級耦合電容，根據(jù)對 dv/dt 耐量具體的要求來決定其變壓器耦合電容容量大小，通常情況下都要小于 20pf。
 

變壓器的制作工藝是實(shí)現(xiàn)上述高隔離電壓的關(guān)鍵，為了增加隔離電壓耐量，減小初、次級或次級之間的耦合電容，通常都是將繞組分開繞制，中間用絕緣檔板分隔。有時(shí)還需要在磁芯表面涂上加厚的絕緣材料或者用三層絕緣線來繞制。圖 5 為 eupec 的 igbt 驅(qū)動模塊 2ed300c17 的變壓器結(jié)構(gòu)示意圖［4］。

當(dāng)前普遍采用的 igbt 短路或過流保護(hù)方式是通過檢測 vce 的電壓值來實(shí)現(xiàn)的［5］，當(dāng) igbt 出現(xiàn)短路或過流時(shí)，其工作區(qū)將退出飽和區(qū)而使 vce電壓升高，具體的保護(hù)電路原理如圖 6 所示。通過二極管 d 與 igbt 的集電極相連來實(shí)現(xiàn) igbt 的欠飽和檢測，vce 電壓升高將相應(yīng)地使串聯(lián)二極管的陽極電位升高，當(dāng)超過設(shè)定的短路門限時(shí)保護(hù)電路動作，關(guān)斷 igbt。
 

由于 igbt 在開通初期的集電極電壓比較高，如果此時(shí)保護(hù)電路工作可能造成誤動作，必須設(shè)置一個盲區(qū)時(shí)間，在此時(shí)間內(nèi)短路保護(hù)電路是不工作的。此功能是通過開關(guān) s 和外接并聯(lián)電阻rce 和電容 cce 來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng) igbt 關(guān)斷時(shí)，s 開通，電容 cce 被充電到15v，當(dāng) igbt 開通時(shí)，s 關(guān)斷，cce 電容經(jīng) rce 放電，放電終止電壓為：

 

 

這樣就可以使得在 igbt 開通初期，參考電壓高于檢測電壓，防止保護(hù)電路誤動作，正常工作時(shí)的波形如圖 7（a）所示。發(fā)生短路或過流故障時(shí)的波形如圖 7（b）所示。

 

為了適應(yīng)不同的廠商封裝的 igbt 模塊，igbt 驅(qū)動器必須具有友好的用戶接口。同時(shí)還要具有廣泛的靈活性和經(jīng)濟(jì)的成本。目前市場上常見的驅(qū)動模塊主要是采用焊接在 pcb 板上來實(shí)現(xiàn)與 igbt 的連接，比如：skhi22、2sd315a 和 2ed300c17 等。為了方便安裝，也有采用直插式的連接方式，圖 8 為 semikron 公司開發(fā)的驅(qū)動模塊 skyper 的外觀圖。它通過直插式的方式與驅(qū)動接口板相連接。

 

由于驅(qū)動模塊（驅(qū)動芯）只提供驅(qū)動器中最重要的通用功能，因此它在不同的應(yīng)用中與不同模塊的連接需要依靠接口板來完成。整個模塊－驅(qū)動單元包括了一個具有彈簧接口的功率模塊、一個標(biāo)準(zhǔn)版或增強(qiáng)版驅(qū)動芯以及連接驅(qū)動芯到指定模塊的接口板?？梢杂脩艋慕涌诎逵幸粋€突出的優(yōu)點(diǎn)：用戶可以自己調(diào)整并決定 igbt 的開關(guān)特性，例如：通過調(diào)整rgon 或 rgoff 來改變 igbt 開通或關(guān)斷的速度;調(diào)整死區(qū)時(shí)間或禁止互鎖功能;調(diào)整 vce 保護(hù)點(diǎn)和窗口時(shí)間等。與目前市場上的智能功率模塊 ipm相比較，接口板使得整個系統(tǒng)變得更加靈活，更易于適應(yīng)不同的應(yīng)用。
 

而一旦系統(tǒng)參數(shù)被設(shè)定后，整個系統(tǒng)可以如同 ipm 一樣使用方便。semix模塊與接口板的電氣連接是通過 semix 模塊中內(nèi)置的彈簧與接口板底層的觸點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的。裝配完成后，接口板的觸點(diǎn)觸壓模塊的彈簧觸點(diǎn)，通過壓力接觸完成電氣連接。與焊接技術(shù)相比，觸壓提高了功率模塊的可靠性。同樣，驅(qū)動芯與接口板的插拔式連接也是為了避免焊接［6］。圖９為驅(qū)動芯與接口板與 semix 模塊之間的連接示例圖。

驅(qū)動器的發(fā)展的趨勢是高度集成化，這樣可以減小驅(qū)動器的體積，并且可以與 igbt 更為緊密地結(jié)合，使其安裝更方便，減小驅(qū)動器 igbt 模塊之間的連接線長度，減小引線電感。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，目前國外某些公司開發(fā)的 igbt 驅(qū)動模塊都采用了自主研發(fā)的專用集成電路 asic，比如：semikron 公司的 skic2001a 和 concept 公司的 ldi001 和 lgd001，通過 asic 的應(yīng)用，可以將大部分的控制和保護(hù)功能用 ic 來實(shí)現(xiàn)，極大地減小了驅(qū)動器的體積和增加了 igbt 驅(qū)動器的可靠性。
 

igbt 作為一種復(fù)合性的功率半導(dǎo)體，由于其低功耗，高開關(guān)頻率和較大的電流容量，特別是在大功率變換器中正在得到越來越廣泛的應(yīng)用，對于其驅(qū)動電路的要求也將會越來越高，主要的技術(shù)發(fā)展方向體現(xiàn)在以下幾方面。
 

目前大功率 igbt 驅(qū)動模塊的體積還比較大，為了增加隔離電壓耐量，通常都會采用變壓器來實(shí)現(xiàn)隔離，變壓器的體積和重量相對比較大，而且比較難于實(shí)現(xiàn)集成化。因此，未來的驅(qū)動器會采用體積更小、更容易集成化的隔離器件，比如：應(yīng)用壓電式變壓器或者先進(jìn)的磁集成技術(shù)來減小隔離元件的體積和重量，增加集成度［7］?？梢灶A(yù)見的是未來大功率igbt 必將和其驅(qū)動電路集成在同一個模塊內(nèi)部，用戶只需要將控制信號直接引入功率模塊就可以實(shí)現(xiàn)對 igbt 的控制。
 

當(dāng)前驅(qū)動器都是采用光耦和變壓器來實(shí)現(xiàn)隔離，光耦的優(yōu)點(diǎn)是體積小，但存在隔離電壓比較低、容易老化和延遲較大等不足。變壓器隔離的隔離電壓較高，延遲較小，但體積較大。因此，在需要高壓隔離的場合還多數(shù)采用變壓器來實(shí)現(xiàn)隔離，當(dāng)前，變壓器隔離的驅(qū)動模塊的最高隔離電壓大約為 3300v 左右。而 igbt 的最高電壓等級已經(jīng)達(dá)到 6500v，為了適應(yīng)更高電壓應(yīng)用場合，必須采用隔離電壓更高的驅(qū)動器。
 

igbt 模塊的容量在不斷增加，單個模塊的電流容量已經(jīng)可以做到 3600a，有時(shí)為了增加容量，通常采用并聯(lián)的方式工作，對驅(qū)動器的驅(qū)動功率也提出了更高的要求，驅(qū)動器的最大輸出電流必須相應(yīng)地增加，特別是在多個模塊并聯(lián)應(yīng)用時(shí)，驅(qū)動器平均輸出功率要求達(dá)到 5w～10w，瞬時(shí)最大輸出電流要求達(dá)到 30a 以上。
 

為了適應(yīng)在感應(yīng)加熱電源等方面的應(yīng)用，igbt 的開關(guān)頻率不斷增加，隨著制造技術(shù)的發(fā)展，igbt 最高的開關(guān)頻率已經(jīng)可以做到 100khz 以上，已經(jīng)可以部分替代功率 mos 管，對于驅(qū)動器來講，意味著必須提供更大的驅(qū)動功率，而且還要驅(qū)動器具有更短的驅(qū)動脈沖延遲時(shí)間和上升、下降時(shí)間，提供更大的瞬時(shí)最大驅(qū)動電流等。
 

現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的門極驅(qū)動技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)對 igbt 開關(guān)過程中引起的 di/dt，dv/dt 的控制，從而控制變換電路的 emi。有源門極驅(qū)動技術(shù)可以有效地控制 igbt 開關(guān)造成的較高的 di/dt，dv/dt，相應(yīng)地可以使 igbt 工作在更加安全的工作區(qū)，減小其開關(guān)過程中產(chǎn)生的 emi，相應(yīng)地減小 igbt的緩沖吸收電路。其中三段有源門極驅(qū)動技術(shù)是一種應(yīng)用前景比較廣泛的有源門極驅(qū)動技術(shù)［8］。另外，為了滿足串、并聯(lián) igbt 應(yīng)用的需要，驅(qū)動器還必須具備動態(tài)均壓和均流功能。

igbt 作為電力電子系統(tǒng)的一種關(guān)鍵的電力半導(dǎo)體器件已經(jīng)持續(xù)增長了若干年，由于它使電力電子裝置和設(shè)備實(shí)現(xiàn)了更高的效率，更高的開關(guān)頻率和功率變換裝置小型化的設(shè)計(jì)，隨著性能不斷提升，igbt 器件的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)擴(kuò)展到更寬的范圍，不僅在工業(yè)中，而且在許多其他功率變換系統(tǒng)中，它已經(jīng)取代了大功率雙極晶體管（gtr）、功率 mos 場效應(yīng)管（mosfet），甚至出現(xiàn)替代門關(guān)斷晶閘管（gto）的現(xiàn)實(shí)趨勢。大功率igbt 驅(qū)動模塊技術(shù)將不斷完善，集成度也將提高，進(jìn)而減小 igbt 功耗和emi，提高系統(tǒng)的可靠性。隨著 igbt 制造技術(shù)的發(fā)展，和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步增加，對于其驅(qū)動器的性能的要求也在不斷提高，各驅(qū)動器制造商為了適應(yīng)新一代 igbt 的性能，正在研發(fā)性能更加完善的 igbt 驅(qū)動器產(chǎn)品。