1 引言
電力電子技術(shù)在當(dāng)今急需節(jié)能降耗的工業(yè)領(lǐng)域里起到了不可替代的作用;而igbt在諸如變頻器、大功率開關(guān)電源等電力電子技術(shù)的能量變換與管理應(yīng)用中，越來越成為各種主回路的首選功率開關(guān)器件，因此如何安全可靠地驅(qū)動(dòng)igbt工作，也成為越來越多的設(shè)計(jì)工程師面臨需要解決的課題。
在使用igbt構(gòu)成的各種主回路之中，大功率igbt驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路起到弱電控制強(qiáng)電的終端界面(接口)作用。因其重要性，所以可以將該電路看成是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的“子系統(tǒng)”來研究、開發(fā)及設(shè)計(jì)。
大功率igbt驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路一直伴隨igbt技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，現(xiàn)在市場上流行著很多種類非常成熟的大功率igbt驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路專用產(chǎn)品，成為大多數(shù)設(shè)計(jì)工程師的首選;也有許多的工程師根據(jù)其電路的特殊要求，自行研制出各種專用的大功率igbt驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路。本文對(duì)這些大功率igbt驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路進(jìn)行分類，并對(duì)該電路需要達(dá)到的一些功能進(jìn)行闡述，最后展望此電路的發(fā)展。此外本文所述大功率igbt驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路是指應(yīng)用于直流母線電壓在650v～1000v范圍、輸出電流的交流有效值在100a～600a范圍的場合。
2 大功率igbt驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的分類
按照大功率igbt驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路能夠完成的功能來分類，可以將大功率igbt驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路分為以下三種類型:單一功能型、多功能型、全功能型。
2.1 單一功能型
單一功能型的大功率igbt驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路一般是由光耦和功率緩沖器構(gòu)成，如hcpl-3150 等，如圖1所示。它將普通控制信號(hào)的ttl/cmos輸入電平信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檎?fù)十幾伏的igbt門極驅(qū)動(dòng)輸出電平，正負(fù)電平的幅值取決于隔離電源。
圖1 hcpl-3150原理框圖及引腳示意圖
工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)可將它配上隔離電源電路、死區(qū)控制電路、邏輯處理電路、門極驅(qū)動(dòng)電阻等，就可直接驅(qū)動(dòng)igbt，形成最簡單的大功率igbt驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路;也可以自己配上一些外圍電路形成多功能型驅(qū)動(dòng)器。
單一功能型的大功率igbt驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的最大優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用靈活、成本較低。它既可以應(yīng)用于諸如斬波、boost等需要單只igbt運(yùn)行的主回路，也可以應(yīng)用于由多只igbt組成的半橋、單相全橋、三相全橋等主回路。由于需要另配隔離電源電路、邏輯處理電路等，所以留給設(shè)計(jì)工程師的開發(fā)任務(wù)量大，這也是單一功能型的大功率igbt驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的最大缺點(diǎn)。這里的邏輯處理電路一般是指上電順序邏輯及各類保護(hù)處理等功能。
此外像hcpl-3150 等驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力有限，一般都在3a以下，如果驅(qū)動(dòng)600a以上的igbt就需要外接更大的功率緩沖電路或采取其它措施。
2.2 多功能型
多功能型的大功率igbt驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路除了提供直接驅(qū)動(dòng)igbt的功能之外，還可以提供完善的保護(hù)功能，如hcpl-316j、 m57962等，如圖2和圖3所示，它們一般采用混合厚膜封裝技術(shù)或者采用集成封裝技術(shù)，可以直接兼容cmos/ttl電平。工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)一般只需要配上隔離電源電路、死區(qū)控制電路、邏輯處理電路、門極驅(qū)動(dòng)電阻等，就可以成為一個(gè)較為完整的大功率igbt驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路。
m57962、hcpl-316j等驅(qū)動(dòng)器本身具有較完整的保護(hù)功能，集成度高。其最大的優(yōu)點(diǎn)是使開發(fā)人員的工作得到簡化，而且可靠性高，非常適于多路驅(qū)動(dòng)的場合。但是由于它們的驅(qū)動(dòng)能力也有限，如果驅(qū)動(dòng)更高功率的igbt，也需要外接更大的功率緩沖電路。
m57962、hcpl-316j等驅(qū)動(dòng)器一般提供軟關(guān)斷功能，在需要保護(hù)igbt退出過流、短路狀態(tài)時(shí)，這個(gè)功能非常重要，它可以使igbt的npnp四層結(jié)構(gòu)免于進(jìn)入“可控硅栓鎖”狀態(tài)。此外像hcpl-316j等驅(qū)動(dòng)器還具備欠壓鎖定保護(hù)功能，這大大簡化了設(shè)計(jì)者的工作。
2.3 全功能型
全功能型的大功率igbt驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路除了具有各類完善的保護(hù)功能之外，還都無一例外地配置了dc/dc隔離電源，如2sd315ai(concept)、skypertmpro(semikron)、2ed300c17-s(eupec)等，如圖4、圖5和圖6所示。都是目前國際上著名的全功能型驅(qū)動(dòng)器。
圖2 hcpl-316j原理框圖及引腳示意圖
圖3 m57962原理框圖及引腳示意圖
圖4 2sd315ai原理框圖
圖5 skyperpro原理框圖
圖6 2ed300c17-s原理框圖
3 大功率igbt驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的功能
根據(jù)不同的應(yīng)用需要，大功率igbt驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路可以由多個(gè)功能組成一個(gè)相對(duì)完整的獨(dú)立子系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要任務(wù)是完成“接口”工作:
3.1 隔離功能
由于產(chǎn)生波形邏輯的控制電路與功率主回路之間存在電平差異，而且功率主回路存在非常高的電磁干擾，這就需要進(jìn)行信號(hào)傳遞的隔離及電源供給的隔離。信號(hào)隔離有兩種方式:光耦隔離方式及脈沖變壓器隔離方式。
光耦隔離方式的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換電路簡單，易于應(yīng)用。由于上升延時(shí)及下降延時(shí)在500ns左右的量級(jí)，所以適用在頻率較低的領(lǐng)域。如果需要故障回傳到主控系統(tǒng)，則需要另外一路光耦。為了方便使用，也有將這兩個(gè)光耦集成在一個(gè)封裝之內(nèi)的產(chǎn)品，如hcpl-316j等等。目前市場上光耦隔離方式的最大工作隔離電壓viorm在3500v左右。
脈沖變壓器隔離方式的轉(zhuǎn)換電路相對(duì)復(fù)雜，一般需要使用專用集成電路，但是由于其運(yùn)行速度高，適用在頻率較高的領(lǐng)域，而且故障回傳不需要其它繞組，隔離通道相對(duì)簡單。只要空間位置允許，變壓器隔離可以因?yàn)槔@制工藝的改進(jìn)做到非常高。此外一些對(duì)動(dòng)態(tài)的隔離有要求的應(yīng)用場合，要求隔離電路的dv/dt耐量非常高，而使用脈沖變壓器隔離則可以達(dá)到75kv/μs以上的水平。
電源供給隔離一般采用不共地的dc/dc變換器，其變壓器隔離耐壓一般是母線電壓的3倍以上，變換器的二次側(cè)必須能夠提供正負(fù)電源。
3.2 死區(qū)隔離功能
驅(qū)動(dòng)死區(qū)隔離的設(shè)置(見圖7陰影部分)對(duì)于半橋、全橋主回路來說是非常重要的。它一般是使用r、c電路來實(shí)現(xiàn)的。r、c電路的優(yōu)點(diǎn)是簡單，抗干擾能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是容易受溫度影響，成本較高，需要占據(jù)寶貴的pcb板件的面積，死區(qū)時(shí)間的調(diào)整間隔偏大。
針對(duì)上述r、c電路的缺點(diǎn)，很多具有開發(fā)能力的用戶愿意使用“數(shù)字”的方式來獲得死區(qū)。其最大的優(yōu)點(diǎn)是溫度穩(wěn)定性好，由于調(diào)整步距僅僅與時(shí)鐘信號(hào)頻率有關(guān)，可以做到很精細(xì)，利于優(yōu)化算法及主回路系統(tǒng)。
圖7 上橋臂a與下橋臂b的死區(qū)示意
3.3 驅(qū)動(dòng)功率的緩沖功能
對(duì)于輸出額定電流在100a以上的igbt來說，雖然屬于具有高阻輸入的場控器件，但是由于寄生電容的存在以及彌勒效應(yīng)，在短時(shí)內(nèi)（微秒或亞微秒）需要向igbt的輸入端輸入或抽出較大的電流，從幾百毫安到十幾個(gè)安培不等，視igbt及主回路的參數(shù)來確定。因此在功率容量上普通的邏輯電路及邏輯緩沖電路均無法勝任，需要專門設(shè)計(jì)的功率緩沖電路來解決。這一類功率緩沖電路基本都是采用圖騰柱輸出級(jí)。很多產(chǎn)品選用雙極型器件如m57962l等，也有選用單極型器件的如2sd315ai等，更有采用混合型器件，其上管選用雙極型器件，下管選用單極型器件如hcipl-316j等等。為了滿足瞬間能夠源出、吸入十幾個(gè)安培，去耦電容的選擇及布局顯得極為重要。一般選用具有良好高頻特性的獨(dú)石電容，在pcb布局時(shí)要求盡量緊靠圖騰柱。
功率緩沖級(jí)的電源供給的容量也是非常重要的，視igbt的門極電荷以或門極電容參數(shù)以及主回路工作頻率來確定。功率緩沖級(jí)電路如圖8所示，它的隔離耐壓水平與信號(hào)傳遞電路的耐壓水平要求等同。
圖8 功率緩沖級(jí)電路
3.4 檢測及保護(hù)功能
3.4.1 過流檢測及保護(hù)
一般采用間接電壓法。當(dāng)igbt出現(xiàn)過流情況時(shí)，vce飽和壓降增大，因此通過檢測igbt導(dǎo)通時(shí)的vce飽和壓降與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較就可以判斷是否出現(xiàn)過流。為了提高抗干擾能力，出現(xiàn)了很多的基準(zhǔn)設(shè)置及比較方法，避免功率主回路出現(xiàn)頻繁“打嗝”甚至停機(jī)的現(xiàn)象。此外如何安全地關(guān)斷一只甚至多只并聯(lián)處于過流之中的igbt也需要仔細(xì)考慮，目前多數(shù)采用軟關(guān)斷方法避免igbt進(jìn)入“栓鎖”狀態(tài)。檢測電路如圖9所示。
圖9 過流檢測電路
3.4.2 欠壓檢測及保護(hù)
一般情況下，igbt柵極電壓vge需15v才能使igbt進(jìn)入深飽和;如果vge低于13v，在大電流時(shí)，ce之間過高的導(dǎo)通壓降將使igbt芯片溫度急劇上升;當(dāng)柵極電壓低于10v，igbt將工作于線性區(qū)并且很快因過熱而燒毀;因此需要對(duì)vge的電壓進(jìn)行欠壓檢測。在2ed300c17-s、skypertmpro等全功能型驅(qū)動(dòng)器的二次側(cè)上都集成了該功能。
3.4.3 溫度檢測及保護(hù)
在一些公司生產(chǎn)的igbt模塊上，還集成了溫度傳感器，只需將該溫度傳感器的信號(hào)連接到驅(qū)動(dòng)器的相應(yīng)檢測電路上，就能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器對(duì)igbt溫度的檢測。由于傳感器安放在igbt的芯片附近，可以更加真實(shí)地反映出igbt芯片的實(shí)際溫度，所以可以更加可靠地保護(hù)igbt模塊。
3.4.4 保護(hù)功能的邏輯處理
一旦igbt模塊出現(xiàn)了上述的任何一個(gè)故障，都需要進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，所以保護(hù)功能的邏輯處理是最關(guān)鍵的一環(huán)，也是最難于設(shè)計(jì)的一環(huán)，而且一般也是由設(shè)計(jì)工程師自己來開發(fā)完成的。它的處理原則是:當(dāng)某一只igbt出現(xiàn)了故障，要求保護(hù)邏輯處理做到:
(1)盡可能不停機(jī);
(2)要防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大;
(3)要求對(duì)報(bào)警信號(hào)進(jìn)行真假的甄別。
這需要采取軟件與硬件結(jié)合設(shè)計(jì)的方法來實(shí)現(xiàn)“智能保護(hù)邏輯處理”。系統(tǒng)不同，管理保護(hù)的邏輯處理設(shè)計(jì)也不同。一般采取的措施是:首先安全關(guān)斷“問題igbt”，然后根據(jù)系統(tǒng)的要求判斷是否需要關(guān)斷更多的igbt，直至停機(jī)。同時(shí)要求每一個(gè)步驟都設(shè)定一個(gè)合適的延時(shí)，以便濾除偽信號(hào)。
3.5 短脈沖抑制功能
在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的傳輸過程中，由于干擾、計(jì)算誤差等原因會(huì)造成在驅(qū)動(dòng)信號(hào)上出現(xiàn)一些短脈沖，也叫“毛刺”;如果驅(qū)動(dòng)器按照這些短脈沖進(jìn)行相應(yīng)的igbt開關(guān)，則會(huì)造成輸出波形變差，因此必須對(duì)此類短脈沖進(jìn)行抑制。
圖10 短脈沖抑制功能
4 技術(shù)展望
4.1 門極驅(qū)動(dòng)電壓提升
目前igbt的開通電壓一般采用+15v電壓源驅(qū)動(dòng)，有人已經(jīng)提出發(fā)展恒流源驅(qū)動(dòng)的方法，認(rèn)為可以克服igbt的“米勒”電容效應(yīng)，使igbt的導(dǎo)通更加可靠。igbt的關(guān)斷電壓從最初的0v，到后來的-7v左右，低頻下普遍使用-15v。
4.2 逐個(gè)脈沖軟關(guān)斷
現(xiàn)在大部分大功率igbt驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路在正常運(yùn)行時(shí)的關(guān)斷方式為硬關(guān)斷，只有在出現(xiàn)過流的情況下才會(huì)采用軟關(guān)斷的方式。而在感性負(fù)載情況之下，igbt關(guān)斷之后為了保持電流的連續(xù)性，必然會(huì)有一只續(xù)流二極管導(dǎo)通，此時(shí)會(huì)在功率母線的寄生電感上產(chǎn)生一個(gè)尖峰電壓:δv=l×di/dt，除了寄生電感l(wèi)及關(guān)斷電流的大小影響之外，如果硬關(guān)斷越快，即dt越小，則尖峰電壓δv越高。而對(duì)于應(yīng)用在較低頻狀況下的大功率igbt，由于電流在幾百安培，所以逐個(gè)脈沖進(jìn)行軟關(guān)斷將會(huì)大大降低尖峰電壓δv，使尖峰電壓δv產(chǎn)生的干擾會(huì)大幅減小，可以提高系統(tǒng)的可靠性。一些igbt生產(chǎn)廠商也在著手開發(fā)具有軟關(guān)斷特性的igbt芯片。
4.3 過流檢測保護(hù)閾值(參考基準(zhǔn))設(shè)置方法
當(dāng)前大部分大功率igbt驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路對(duì)過流檢測的保護(hù)閾值只有一個(gè)，一般常規(guī)值設(shè)在7v～9v。為了防止誤報(bào)警，出現(xiàn)了一些不同的閾值設(shè)置方法。
變閾值設(shè)置方法:在igbt從截止?fàn)顟B(tài)剛剛進(jìn)入飽和狀態(tài)期間(約幾個(gè)微秒至十幾個(gè)微秒)，保護(hù)閾值可以從15v(或者更高)按照一定的曲線降至常規(guī)設(shè)置值，可以避免在此期間的擾動(dòng)的偽信號(hào)造成誤報(bào)警;
多閾值設(shè)置方法:為了更為符合實(shí)際的工況應(yīng)用情況，降低停機(jī)率，可以采用多閾值保護(hù)。比如igbt的飽和壓降達(dá)到第一閾值時(shí)，采用降低柵極電壓的處理方式;達(dá)到更高的第二閾值時(shí)，才徹底關(guān)斷igbt。
4.4 更加貼近驅(qū)動(dòng)對(duì)象
目前，針對(duì)各種工況下使用的igbt，例如高壓變頻器、ups、逆變焊機(jī)等應(yīng)用場合，均有不同的大功率igbt驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路推出。這些驅(qū)動(dòng)器的原理大致相同，但更加貼進(jìn)各自的驅(qū)動(dòng)對(duì)象。
4.5 與智能功率模塊(ipm)分別在不同的功率領(lǐng)域并行發(fā)展
ipm內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路，只需提供控制信號(hào)即可工作，主要應(yīng)用中小功率場合;而大功率igbt驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路一般用于大功率場合，對(duì)大功率的igbt進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。隨著igbt生產(chǎn)工藝，硅片技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，大功率igbt驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路與ipm均在各自的功率領(lǐng)域并行發(fā)展。
5 大功率igbt驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路發(fā)展所受到的的限制
成本價(jià)格的限制，是對(duì)大功率igbt驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路發(fā)展的最大限制。一個(gè)好的大功率igbt驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路面對(duì)要解決的問題較廣泛、復(fù)雜，可靠性的要求卻非常之高。所以成本因素極大地限制了全功能型大功率igbt驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的發(fā)展，而價(jià)格適中的多功能型大功率igbt驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路是大多數(shù)工程師們的首選產(chǎn)品。對(duì)于肯在主回路上進(jìn)行電流直接取樣投資的工程師來說，單一功能的驅(qū)動(dòng)電路則是他們的首選。
6 結(jié)束語
大功率igbt驅(qū)動(dòng)保護(hù)技術(shù)的發(fā)展完全是受到igbt發(fā)展的影響而發(fā)展的，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，新的器件乃至新型的igbt的誕生，以及新的主回路拓?fù)涞恼Q生，會(huì)出現(xiàn)更加新穎的驅(qū)動(dòng)保護(hù)技術(shù)。?
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