IGBT模塊：技術、驅動和應用

IGBT驅動IGBTModules–Technologies,DriverandApplication1IGBTModules–Technologies,DriverandApplication目錄31245簡介信號傳輸IGBT柵極驅動器驅動器電源耦合67影響開關特性的參數保護措施8邏輯功能2IGBTModules–Technologies,DriverandApplication目錄119101213安全停止并聯和串聯三電平NPC電路驅動器選型制造商概述14小結3簡介IGBT的驅動電路要求?如何設計合適的驅動器？IGBTModules–Technologies,DriverandApplication4簡介三相橋式電路:六路隔離電源IGBTModules–Technologies,DriverandApplication5簡介三相橋式電路:四路隔離電源IGTBModules–Technologies,DriverandApplication6IGBT的驅動電路要求:可靠開通和關斷IGBT電氣隔離：信號隔離和電源隔離IGBT保護（可選）：短路、過壓、過熱、死區時間、最小脈沖抑制和安全停止。。。簡介IGBTModules–Technologies,DriverandApplication7信號類型：PWM信號反饋信號隔離分類：電隔離：電磁、光電或電容非電隔離信號傳輸ACPL-333JCONCEPT2SC0108TTIISO150IGBTModules–Technologies,DriverandApplication8單片電平轉換器通過一個集成電路實現輸入信號和輸出信號之間的隔離：1）無電氣隔離2）需要和控制器隔離3）寄生電感4）常用于低于600V的IGBT5）多路輸出（2,4,6）信號傳輸IGBTModules–Technologies,DriverandApplication9IGBT開關時，輸出側由于寄生電感的存在會產生負電壓瞬變，從而導致集成芯片的損壞。-0.3

~-5V信號傳輸

上下部通道都包含電平轉換器，這樣就消除了GND和GNDL之間的耦合。

通過絕緣層（SiO2）可以把反向電壓耐壓因此提高到-100V單片電平轉換器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication10IR公司的IR2136信號傳輸單片電平轉換器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication11信號傳輸單片電平轉換器IC芯片多用于消費產品中IGBTModules–Technologies,DriverandApplication12作用：實現輸入與輸出電路的絕緣，確保電路電氣隔離組成：發光裝置與一個光敏性元件組合來傳輸信息信號傳輸光電耦合器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication13特性：光耦只能傳遞信息，不能傳遞能量，所以仍需要隔離電源。光耦適用于UCES為1.2kV及以下電壓等級的IGBT中，對于更高電壓等級的IGBT由于成本問題不常用。高于1.2kV電壓等級的IGBT通常使用脈沖變壓器或光纖。存在光耦傳輸延遲的問題，忽視可能會導致不可預測的問題。信號傳輸光電耦合器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication14傳輸延時：tPLH和tPHL100ns~250nstPLH,typACPL-330tPHL,typtPLH,typtPHL,typ死區時間：IGBTModules–Technologies,DriverandApplication15光電耦合器信號傳輸光耦驅動芯片制造商型號UBR集成安華高ACPL-312J,ACPL-330J,ACPL-333J,ACPL-3130,ACPL-H342,HCPL-3120,HCPL-316J1.2kV

集成電路仙童FOD3120,1.2kV集成電路日本電氣PS9305L,PS9306L,PS9505,PS9506,PS95521.2kV集成電路夏普PC923,PC924,PC925,PC928,PC9291.2kV集成電路東芝TLP250,TLP2511.2kV集成電路威世VO3120,VO3150A1.2kV集成電路IGBTModules–Technologies,DriverandApplication16現在常用的是一個分立式解決方案，這個解決方案由一個傳遞信號的變壓器和作為DC/DC轉換器一部分的變壓器組成。驅動器通道A和B有兩個獨立的脈沖變壓器以及DC/DC變換器中的第三個變壓器。這種分離的優點是減少了干擾，提高了傳輸速度和減小了耦合電容。信號傳輸脈沖變壓器光電耦合器可以實現電氣隔離，但不能傳輸能量，比如為其他設備供電。為此，通常需要一個獨立的變壓器。該變壓器必須滿足兩個功能：傳遞能量，并提供一定的絕緣。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication17雙路IGBT驅動：2個信號脈沖變壓器+1個功率傳輸變壓器信號傳輸脈沖變壓器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication18優點：適用于所有電壓等級的IGBT。與光耦相比，脈沖變壓器的傳輸延時非常短。由于感應器件沒有老化效應，傳輸延時及其誤差在設備的工作壽命內不會發生變化，易實現IGBT的并聯和串聯連接。信號傳輸脈沖變壓器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication192003年，基于離散變壓器的原理開發出了一種新型的驅動器IC，其中箝入一個或多個變壓器。在IC金屬化層上構造出變壓器的繞組。初級和次級之間的絕緣繞組是由一層適當厚度的二氧化硅。（目前應用廣泛）信號傳輸無鐵芯變壓器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication20信號傳輸脈沖變壓器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication21

TIISO150適用于AD，DA

少用于IGBT驅動信號傳輸電容耦合器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication22用途：傳輸PWM信號和故障信號優點：

隔離能力優異長距離傳輸沒有EMC問題：強靜電場和電磁場缺點：傳輸延時的不匹配成本較高（發送器，FOC，接收器）由于污染和環境的影響，連接的節點光路會受到干擾信號傳輸光纖IGBTModules–Technologies,DriverandApplication23信號傳輸光纖IGBTModules–Technologies,DriverandApplication24在電子電力系統中，光纖數據傳輸速率能夠達到10G/s，但是數據傳輸速率不是關注的焦點，而傳輸延時公差、系統的可靠性、壽命是至關重要的。信號傳輸光纖IGBTModules–Technologies,DriverandApplication25信號傳輸光纖制造商接收器發送器波長安華高HFBR252xHFBR152x660nm紅色安華高HFBR2312THFBR1316T1300nm安華高HFBR24xxHFBR13xx820nm安華高SFH551/1SFH551/1-1V780nm霍尼韋爾HFE3637850nm霍尼韋爾HOD2340HOD1340850nmOptekOPF2412OPF1412840nmOptekOPF2414OPF1414780nm常用的光纖接收器和發送器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication26信號傳輸小結27IGBT柵極驅動器IGBT的柵極驅動器是一個放大器，它通過提高電壓和電流來放大控制信號。柵極驅動器的主要作用是對IGBT的輸入和反向傳輸電容充放電。因此，柵極驅動器（除其它影響因素外）與IGBT的開關性能密切相關，也與通態損耗和開關損耗有關。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication28電壓源驅動電壓源驅動VS

電流源驅動器功率損耗以柵極電阻為主電路簡單控制簡單IGBTModules–Technologies,DriverandApplication29IGBT柵極驅動器

優點：僅需要一個電源

缺點：

晶體管控制復雜H橋電路驅動IGBTModules–Technologies,DriverandApplication30IGBT柵極驅動器緩沖電容器會產生紋波電流，其頻率相當于驅動信號的開關頻率。因此必須采用高頻電容。柵極回路中的射極跟隨器驅動緩沖電容器C提供了IGBT輸入電容和反向傳輸電容的充放電電流。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication31IGBT柵極驅動器發射極路徑上采用射極跟隨器，IGBT的柵極與驅動極的地相連會阻止由于米勒電容和發射極電感而引起的IGBT誤導通。發射極回路中的射極跟隨器驅動IGBTModules–Technologies,DriverandApplication32IGBT柵極驅動器常用于射極跟隨器的BJT芯片IGBTModules–Technologies,DriverandApplication33IGBT柵極驅動器IGBT輸入電容和反向傳輸電容通過柵極電阻Rgon限定充電電流Ion通過柵極電阻RGoff限定放電電流IoffMOSFET推挽柵極驅動器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication34IGBT柵極驅動器優點：與BJT的柵極驅動相比，可以用一個很小的控制電流產生一個較大

的柵極驅動電流。MOSFET開關速度快，開關損耗低。這樣的驅動器成本比使用BJT驅動器成本更低。可選擇柵極電阻的MOSFET驅動器MOSFET推挽柵極驅動器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication35IGBT柵極驅動器由于N溝道和P溝道控制需要一個比參考電壓源高接近10V的柵極-源極電壓，導致電壓轉換器和電荷泵的成本相對較高。MOSFET源極跟隨器并不適用于IGBT柵極驅動系統。MOSFET源極跟隨器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication36IGBT柵極驅動器N溝道推挽驅動器是成本和性能的折衷方案N溝道推挽驅動級BJT和MOSFET組成的N溝道推挽驅動器T1和T2

都需要正向控制信號導通。不用考慮電平轉換器的成本，但是N溝道MOSFET的優勢也將不存在。N溝道推挽驅動器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication37IGBT柵極驅動器1）為了能快速達到IGBT閥值電壓，直接給柵極增壓。2）當增大柵極-發射極電壓，門電路導通，IGBT柵極電流相應地增加。有輔助升壓電路的IGBT柵極升壓IGBT柵極升壓/加強關斷boost信號！開始開通IGBT時打開Boost信號！降低開通損耗！IGBTModules–Technologies,DriverandApplication38IGBT柵極驅動器柵極驅動器的設計不僅要關注IGBT靜態和動態特性，也需要注意相應續流二極管的特性。柵極驅動器的設計IGBTModules–Technologies,DriverandApplication39IGBT柵極驅動器

柵極電壓應該是由柵極驅動單元提供的，如大多數拓撲所要求的該電源應該是隔離的。下面是工業和電力牽引中相關的標準。EN50178，電力系統中的電子設備。EN50124-1，軌道應用-絕緣配合。IEC60077-1，車輛電子設備。IEC60664-1，低壓系統中設備的絕緣配合。UL508c，功率變換設備。UL840，電氣設備的絕緣配合，包括電氣間隙距離和爬電距離。

驅動器電源IGBTModules–Technologies,DriverandApplication40要求：先導通半橋底部的IGBT自舉電容C1的容量必須足夠

大自舉電容器的電壓不能低于最小值用低阻抗的電阻來限制電流二極管的封轉必須保證足夠大的電氣間隙和爬電距離。必須考慮驅動器內部電壓降及二極管的壓降。對于自舉電容器，應該選用低ESR和ESL值的電容器。必須注意IGBT的寄生導通。自舉電路IGBTModules–Technologies,DriverandApplication41

驅動器電源驅動器所需要的功率（無CG）:IGBT開通時柵極電荷的測量DC/DC變換器一些廠商的IGBT模塊只給出了柵極電壓為15V的QG值DC/DC功率:IGBTModules–Technologies,DriverandApplication42

驅動器電源反激式轉換器的IGBT柵極驅動器DC/DC變換器外加CG:DC/DC總功率:IGBTModules–Technologies,DriverandApplication43

驅動器電源反激變換器：輸出正負電壓驅動器電源反激變換器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication44推挽變換器：多個次級繞組，為多個IGBT驅動提供隔離電源。采用環形磁芯的推挽變換器驅動器電源推挽變換器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication45半橋推挽變換器：變壓器結構較簡單防止晶體管之間的直通采用環形磁芯的半橋推挽變換器驅動器電源半橋推挽變換器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication46如果驅動器柵極輸出電壓或DC/DC轉換器低于某一閾值時，該驅動器關閉輸出。驅動器UVLO檢測通常具有遲滯性以防止輸出級的突然切換。一旦達到閾值的下限，就被關閉。直到閾值的上限，驅動器輸出級切換回工作狀態。IGBT的輸出特性（300A/1.2KVIGBT)驅動器電源欠壓閉鎖（UVLO）欠壓閉鎖（UVLO）遲滯特性IGBTModules–Technologies,DriverandApplication47耦合電容耦合電容和共模電流共模電流：數據手冊IGBTModules–Technologies,DriverandApplication48影響開關特性的參數采用BJT調整柵極電阻，能夠顯著地影響IGBT的開通特性。柵極電阻柵極電阻越高IGBT的開通就越慢開通損耗增加。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication49開通時，IGBT模塊開關損耗與柵極電阻的關系(200A/600V)IGBT柵極電阻DIODEIGBTModules–Technologies,DriverandApplication50影響開關特性的參數開通時，IGBT模塊參數與柵極電阻的函數曲線柵極電阻IGBTModules–Technologies,DriverandApplication51影響開關特性的參數柵極電阻Trench-FS

IGBT

PT/NPT

IGBTIGBT關斷過程Trench-FS

IGBT

Trench-FS

IGBT

52影響開關特性的參數1.2kKA/3.3kV的IGBT模塊的優化柵極電阻和柵-射極電容后開通實驗結果外接柵極-射極電容CGIGBTModules–Technologies,DriverandApplication53影響開關特性的參數外部柵-射極電容CG對450A/1.2kVIGBT模塊開關特性的影響外接柵極-射極電容CGIGBTModules–Technologies,DriverandApplication54影響開關特性的參數外部柵-射極電容CG對450A/1.2kVIGBT模塊開關特性的影響外接柵極-射極電容CGIGBTModules–Technologies,DriverandApplication55影響開關特性的參數一般的推薦電阻

電容

串聯使用，電阻值可以是從低于1歐至數歐姆的任何值。其目的是為了抑制柵極路徑等效電感和柵極路徑等效電容形成諧振。采用外部電容CG時的寄生電路原理外接柵極-射極電容CGIGBTModules–Technologies,DriverandApplication56影響開關特性的參數當將驅動連接到IGBT柵極時，會存在寄生電感且與柵極電阻串聯。特別是當這種連接是通過彎曲的電纜，將出現高電感。如圖用不同的柵極引線電感的IGBT開通和關斷過程柵極引線電感IGBTModules–Technologies,DriverandApplication57影響開關特性的參數上海海事大學電氣自動化系保護措施：UCEsat監控如果IC增加至額定值（與IGBT技術和柵極電壓無關）的4倍，IGBT將退出飽和。

直通保護58當短路時，集電極-發射極電壓迅速升高且超過正常的飽和值

，監控就是利用這個原理檢測短路故障。監控可以分為靜態和動態測量。只要這個電壓低于比較器反向輸入的內部參考電壓，就表明IGBT沒有短路。保護措施：UCEsat監控短路保護IGBTModules–Technologies,DriverandApplication59Cb1對短路保護的影響保護措施：UCEsat監控IGBTModules–Technologies,DriverandApplication60動態測試：參考電壓可以是一條曲線。在開通時，參考電壓具有可調性。如果比較器同相端的電壓

超過參考電壓后，就會引發故障信號（短路）且IGBT被關斷。動態測試原理圖保護措施：UCEsat監控IGBTModules–Technologies,DriverandApplication61保護措施：UCEsat監控避免高壓二極管反向恢復電流的影響1mAIGBTModules–Technologies,DriverandApplication62保護措施：UCEsat監控ManufacturerPartnumberIsolationandUBRIntegrationAvagoACPL333J/316JOptocoupler

1.2kVICCONCEPTAllproductsPulsetransformer

600V-6.5kVPCBInfineon1ED020I12-FCorelesstransformer

1.2kVICInfineon2ED300C17-SPulsetransformer

1,7kVPCBInternational

RectifierIR2214SSLevelshifter

1.2kVICMotorolaMC33153NoisolationICSemikronSkyper32/52Pulsetransformer

1.7kVPCBSharpPC928/PC929Optocoupler

1.2kVICSTMicroelectronicsTD350/TD352NoisolationICIGBTModules–Technologies,DriverandApplication63誤動作如果總電壓大于激勵級的反饋臨界值，將會產生誤動作。相電流過零點時IGBT中瞬時電壓的簡化模擬圖保護措施：UCEsat監控64容性負載保護措施：UCEsat監控容性負載會產生很高的反向充電電流，導致IGBT的欠飽和。特別是對于小電流的IGBT，僅僅是幾米長的屏蔽電纜就有可能出現欠飽和。而逆變器輸出濾波器能夠直接解決這種問題。65為了保護IGBT免受高壓過沖損壞的方法就是集電極-發射極箝位，集電極-發射極箝位（有源箝位）保護措施：有源箝位66TVS二極管對溫度的依賴性和誤差加上IGBT的柵極-發射極電壓，在關斷過程中集電極-發射極電壓約為1050V。保護措施：有源箝位IGBTModules–Technologies,DriverandApplication67選擇性有源箝位一些特定工況下，直流母線電壓值可能升高超過TVS或者抑制二極管的擊穿電壓，但是仍然會低于IGBT的阻斷電壓。改進的目的是為了當IGBT沒有被觸發時確保有源箝位就不能被激活。保護措施：有源箝位IGBTModules–Technologies,DriverandApplication68有源箝位和選擇性有源箝位并不適合限制一般的開關過壓。頻繁地、長期地使用有源箝位會使元件負荷過載，這也會明顯地增加IGBT的開關損耗。保護措施：有源箝位選擇性有源箝位IGBTModules–Technologies,DriverandApplication69動態電壓上升控制（DVRC）第一代2.4kA/1.7kVTrench-FSIGBT關斷階段的振蕩保護措施：

DVRCIGBTModules–Technologies,DriverandApplication70增大柵極電阻可以抑制震蕩，但是這種方法會增加開關損耗。第一代Trench-FS2.4kA/1.7kVIGBT模塊的關斷損耗，以及直流母線電壓和柵極電阻的函數保護措施：

DVRCIGBTModules–Technologies,DriverandApplication71保護措施：

DVRCDDVRC1和DACx配合工作IGBTModules–Technologies,DriverandApplication72保護措施：

DVRCIGBTModules–Technologies,DriverandApplication73在某些特定的情況下，有源箝位可能會反應太慢，也就是說在柵極上的反饋電壓直到柵極電壓降低到極限電壓以下才會起作用。保護措施：動態有源箝位動態有源箝位要選擇額定電壓低于直流母線電壓的TVS二極管，為了防止IGBT永久性的導通，需要在二極管鏈中加入一個電容來阻斷直流電壓分量。這樣，一旦達到觸發電壓，相比于傳統的有源箝位，將會更早地重新打開柵極。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication74保護措施：動態有源箝位IGBTModules–Technologies,DriverandApplication756.5kVIGBT模塊的關斷過程保護措施：柵極箝位IGBT的傳輸特征：：短路電流[A]IGBTModules–Technologies,DriverandApplication76通過二極管D2直接將柵極和驅動電源電壓連接，這樣柵極電壓被限制在電源電壓以內。保護措施：柵極箝位柵極箝位方法分為兩種：利用一個單向或雙向的TVS二極管接在IGBT的T1柵極和發射極之間。可以限制柵極電壓、誤差和溫度的影響IGBTModules–Technologies,DriverandApplication77二極管的選取飛兆半導體的SMBJ5V0(C)A—SMBJ170(C)A系列TVS二極管數據手冊保護措施：柵極箝位在選擇二極管時，應當注意某些特定的參數。對于TVS二極管而言，高低擊穿電壓之間通常都會有一個較寬范圍，IGBTModules–Technologies,DriverandApplication78注意：選擇高溫時漏電流較低的二極管

雙向TVS二極管的電路符號和I/U曲線肖特基二極管和快恢復pn二極管的

特性保護措施：柵極箝位IGBTModules–Technologies,DriverandApplication79米勒箝位米勒電容形成位移電流的危害：位移電流會產生電壓使IGBT寄生開通。這種開通持續時間比較短，但是會產生很大的損耗。嚴重時會影響相鄰的電子設備，并導致故障。保護措施：米勒箝位IGBTModules–Technologies,DriverandApplication80米勒箝位電路：一種方法是利用分離的PNP晶體管

；一種方法是直接利用驅動IC；集成晶體管的電流能力不能夠滿足應用，就需要外接一個大電流的晶體管。一種方法就是當IGBT關斷時，在可柵極和電源地之間構建一條低阻低感通路。保護措施：米勒箝位IGBTModules–Technologies,DriverandApplication81保護措施：米勒箝位注意：盡管安裝了米勒箝位電路，柵極電壓仍可能引起IGBT寄生開通。因此最好不要用米勒箝位，取而代之的用一個大約-5V到-15V的負柵極電壓來關斷IGBT。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication82利用發射極的寄生電感這個電路的主要優點是自我調控，特別是在關斷過流或者短路電流時優勢特別明顯。這種電路主要適用于高壓模塊。保護措施：寄生電感IGBTModules–Technologies,DriverandApplication83在IGBT關斷時，負載電流的負電流變化率-di/dt會導致開關過電壓。兩級關斷的思想是在關斷過程中降低電流的變化率。兩級關斷（TLTO)的概念保護措施：TLTO兩級關斷（TLTO)IGBTModules–Technologies,DriverandApplication8475有無TLTO功能的關斷短路電流對比實驗保護措施：TLTO兩級關斷（TLTO)IGBTModules–Technologies,DriverandApplication85推薦：初始值約11V和1us。集成TLTO功能的IGBT驅動器IC：TD350注：盡管用一個TLTO可以來限制過電流或者短路關閉的過電壓，依然可以用一個有源箝位來作為額外的安全保障層。保護措施：TLTO兩級關斷ICIGBTModules–Technologies,DriverandApplication86軟關斷軟關斷的目的在于防止當IGBT因短路而被關斷時產生開關過壓，如果驅動檢測到短路，軟關斷功能將提供一個相對高的阻抗，該阻抗能夠延遲柵極電容的放電。軟關斷原理注：盡管IGBT由于過電流或者短路被關斷時軟關斷限制了開關過電壓，仍然建議將有源箝位做為一個必要的安全保護措施。保護措施：

軟關斷IGBTModules–Technologies,DriverandApplication87邏輯功能最小脈沖抑制死區生成和半橋互鎖錯誤消息，阻斷時間和故障存儲邏輯功能IGBTModules–Technologies,DriverandApplication88最小脈沖抑制

最小脈沖抑制是為了防止低于某一長度的開通或者關斷脈沖來控制半導體被開通或關斷。合理的時間設置是在100ns到800ns之間，高壓（例如3.3kV到6.5kV）器件的時間可以更長一些。同向施密特觸發器最小脈沖抑制原理圖IGTBModules–Technologies,DriverandApplication89邏輯功能死區生成和半橋互鎖

具有延遲和最小脈沖抑制的半橋電路互鎖的原理圖IGBTModules–Technologies,DriverandApplication90邏輯功能故障信息，阻斷時間和故障存儲如果柵極驅動檢測出了故障，那么柵極驅動應該關斷受影響的通道。同時，高級控制端得到故障信號并識別故障類型。對于如何設計這個控制過程，最基本的原則必選向上級控制傳送識別的故障。IC驅動器和驅動板通常都會用一個“集電極開路”電路來實現這個過程，故障信號可以存儲在故障存儲中，同時關閉柵極驅動。如果沒有故障存儲和重置，柵極驅動將會在預調時間內停止工作，在這個時間內，柵極驅動將被關閉，同時高級監控開始動作。一旦超過這個時間，無論高級監控是否響應，柵極驅動都會再次工作。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication91邏輯功能安全停止停止功能分為三級：驅動和電源分離的功能，也稱為“0級停機”減緩驅動達到中性點，防止產生扭矩，