IGBT驅(qū)動設(shè)計原理及技術(shù)比較

唐開毅， 尹 新， 沈 征， 帥智康， 陳 功

(1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長沙410082；2.國網(wǎng)永州供電公司，湖南永州425000)

IGBT驅(qū)動設(shè)計原理及技術(shù)比較

唐開毅1,2， 尹 新1， 沈 征1， 帥智康1， 陳 功1

(1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長沙410082；2.國網(wǎng)永州供電公司，湖南永州425000)

在IGBT等效的有源模型基礎(chǔ)上，分析電感負(fù)載下IGBT的開關(guān)換流過程及門極驅(qū)動參數(shù)對開關(guān)過程的影響。詳細(xì)地介紹了IGBT驅(qū)動的設(shè)計原理和技術(shù)方法，包括：信號傳輸、隔離電源、驅(qū)動輸出、保護(hù)等方面，總結(jié)了不同設(shè)計方法導(dǎo)致驅(qū)動器輸出特性的差異、優(yōu)缺點(diǎn)。采用TX-2DE300M17，2SC0435和2QD15A17K-C三款集成驅(qū)動器，設(shè)計外圍驅(qū)動電路，對英飛凌FF300R17KE4進(jìn)行雙脈沖測試實(shí)驗(yàn)，比較研究了開通暫態(tài)波形，分析三款驅(qū)動器的技術(shù)差異和優(yōu)缺點(diǎn)，最后介紹了IGBT門極驅(qū)動應(yīng)用過程中應(yīng)著重注意的細(xì)節(jié)。

IGBT；開關(guān)換流過程；門極驅(qū)動設(shè)計；技術(shù)比較

以IGBT為核心的變流器在工業(yè)電機(jī)驅(qū)動、電能變換、電能質(zhì)量和無功補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng)域廣泛應(yīng)用。驅(qū)動電路的性能直接影響著IGBT的性能和變流器系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。驅(qū)動電路的發(fā)展已經(jīng)逐漸由小型驅(qū)動光耦到厚膜技術(shù)驅(qū)動器再到大規(guī)模集成驅(qū)動器，圍繞驅(qū)動電路改進(jìn)研究者們進(jìn)行了持續(xù)探索：文獻(xiàn)[2]中提出了多級門極驅(qū)動控制技術(shù)，采用大的門極電流降低開關(guān)延時，小的門極電流降低d/d和；文獻(xiàn)[3]提出了閉環(huán)d/d控制技術(shù)，獨(dú)立地任意的調(diào)整開關(guān)過程中d/d，實(shí)現(xiàn)開關(guān)損耗和續(xù)流二極管安全運(yùn)行同時最佳；文獻(xiàn)[4]集成FPGA等數(shù)字處理器的門極驅(qū)動，根據(jù)不同的開關(guān)狀態(tài)產(chǎn)生相適應(yīng)的門極電流，獲取最佳開關(guān)特性。工業(yè)上，CONCEPT和英飛凌等公司都開發(fā)了大量的驅(qū)動產(chǎn)品。但各驅(qū)動產(chǎn)品一般均針對特定IGBT，缺乏通用性，用戶對產(chǎn)品驅(qū)動內(nèi)部原理的研究受到企業(yè)限制，很難根據(jù)實(shí)際需求來改進(jìn)設(shè)計。

本文基于IGBT等效的有源模型，分析驅(qū)動參數(shù)對換流過程的影響，概括驅(qū)動各部分的原理及常用的技術(shù)方法，對典型驅(qū)動器的特性差異和優(yōu)缺點(diǎn)通過實(shí)驗(yàn)波形來對比分析和驗(yàn)證，總結(jié)了幾種工程實(shí)際應(yīng)用中常見的技術(shù)問題，具有一定的指導(dǎo)意義。

1 IGBT的開關(guān)換流過程

圖1 IGBT等效的有源模型及雙脈沖測試電路原理

圖2 IGBT換流過程電壓電流暫態(tài)波形

其開通過程重要參數(shù)分析如下：

(1)開通延遲時間：

(2)集電極電流變化率：

(3)集電極電壓變化率為：

2 IGBT門極驅(qū)動設(shè)計原理

IGBT驅(qū)動電路主要是將控制信號放大為具有一定功率的門極驅(qū)動脈沖，同時確保高壓主電路與低壓控制電路的電氣隔離。通常包含以下幾個部分：信號傳輸、信號放大和驅(qū)動輸出、隔離電源、短路檢測、門極過電壓保護(hù)、集電極過電壓保護(hù)等[5]。其框圖如圖3所示。

圖3 門極驅(qū)動原理的設(shè)計框圖

信號傳輸部分：主要是控制信號輸入和故障信號的反饋輸出，同時通過光耦、脈沖變壓器或者光纖實(shí)現(xiàn)隔離控制電路和主電路，小功率驅(qū)動以光耦隔離為主；高壓大功率IGBT驅(qū)動要求傳輸延時小、抗干擾、耐壓高等，工業(yè)上以脈沖變壓器隔離或者光纖隔離為主。光纖隔離則在遠(yuǎn)距離傳輸中有很大的優(yōu)勢。

信號放大和驅(qū)動輸出部分：主要進(jìn)行脈沖整形和功率放大，開通和關(guān)斷瞬間能向門極注入或抽出較大的峰值電流，減少開關(guān)延時。門極瞬時峰值電流的大小由門極電阻限制。

圖4 射極跟隨器和CMOS反相器輸出

短路檢測：最準(zhǔn)確的方法是通過電流傳感器實(shí)時檢測集電極電流，但電路復(fù)雜，會增加雜散電感。在工業(yè)驅(qū)動產(chǎn)品中，傾向于使用更簡單的退飽和檢測集電極電壓方法。其原理是IGBT承受很大的電流時，退飽和進(jìn)入有源區(qū)，會在很短的時間內(nèi)迅速升高至母線電壓，以此判斷IGBT的短路故障。圖5為退飽和檢測短路保護(hù)原理圖。短路退飽和后，電容電壓升高，通過比較器翻轉(zhuǎn)來保護(hù)關(guān)斷IGBT。(a)圖采用高壓二極管檢測退飽和；(b)圖采用電阻網(wǎng)絡(luò)檢測。

門極保護(hù)：為了防止靜電擊穿門極，通常在G和E之間并聯(lián)電阻。工程上一般開通電壓，短路時由于密勒效應(yīng)造成門極電壓的抬高，易導(dǎo)致短路電流增大，可承受短路電流的時間變短。故常用如圖6所示的門極電壓鉗位方法：(a)圖采用雙向TVS鉗位；(b)圖采用肖特基二極管鉗位門極電壓至Vcc。

圖5 退飽和檢測短路保護(hù)原理圖

圖6 常用的兩種門極鉗位方式

集電極過壓保護(hù)：常用的方法是將集電極-門極構(gòu)成閉合反饋環(huán)路，當(dāng)超過預(yù)先設(shè)定的電壓閾值時，擊穿DZ同時將電流引入門極充電，使IGBT部分導(dǎo)通，短暫工作在有源區(qū)，降低d/d，鉗位集電極-發(fā)射極電壓[6]。圖7所示是常用的有源鉗位原理圖。DZ采用響應(yīng)速度快、承受浪涌功率大的TVS(瞬態(tài)電壓抑制器)。當(dāng)有源鉗位動作時，。

圖7 常用的有源鉗位原理圖

3 不同驅(qū)動器特性差異和優(yōu)缺點(diǎn)

落木源公司TX-2DE300M17，CONCEPT公司2SC0435，青銅劍公司2QD15A17K-C是目前工業(yè)應(yīng)用中比較典型的適用于1 700 V以下的集成驅(qū)動器。圖8為三款驅(qū)動器單通道典型應(yīng)用圖。三者都采用脈沖變壓器傳輸方式，自帶隔離電源，驅(qū)動功率大，驅(qū)動能力強(qiáng)，帶有短路保護(hù)和過壓保護(hù)。三者的特性差異和優(yōu)缺點(diǎn)如下：

(1)傳輸延時和抗干擾。2SC0435采用超高速超大規(guī)模集成芯片，傳輸延時極短。延時越小，同步性越好，能方便實(shí)現(xiàn)驅(qū)動器的直接并聯(lián)。2SC0435，2QD15A17K-C無窄脈沖抑制功能，對于輸入的高頻毛刺會頻繁響應(yīng)，容易損壞驅(qū)動器的邏輯處理芯片；TX-2DE300M17增加窄脈沖濾波來抗干擾，卻增加了傳輸延時。

圖8 三款驅(qū)動器單通道應(yīng)用電路圖

(2)DC/DC電源設(shè)計。TX-2DE300M17，2QD15A17K-C副邊采用開環(huán)設(shè)計，電路簡單，成本低，和開通穩(wěn)態(tài)電壓隨輸出功率的變化有波動；2SC0435的是閉環(huán)15 V穩(wěn)壓設(shè)計，電路相對復(fù)雜，基本不變，有利于短路時門極電壓鉗位。

(3)短路檢測方法。TX-2DE300M17，2QD15A17K-C采用高壓二極管檢測退飽和；2SC0435采用電阻網(wǎng)絡(luò)檢測。對于1 700 V及以下的IGBT，兩種方式檢測退飽和效果相當(dāng)。

(4)短路后的關(guān)斷方式。2SC0435，2QD15A17K-C硬關(guān)斷會造成很大的d/d，產(chǎn)生很大的電壓過沖；TX-2DE300M17軟關(guān)斷采用很大的門極電阻放電門極電荷，明顯減少d/d 和電壓尖峰，但損耗大。

(5)門極鉗位。TX-2DE300M17和2QD15A17K-C都采用18 V的雙向TVS。短路時，門極電壓將鉗位在18 V；2SC0435采用低壓降的肖特基二極管鉗位至閉環(huán)穩(wěn)壓的，短路時門極電壓約為15.5 V。

4 驅(qū)動對比實(shí)驗(yàn)和分析

對TX-2DE300M17，2SC0435和2QD15A17K-C三款集成驅(qū)動器按圖8所示搭建驅(qū)動電路，進(jìn)行雙脈沖測試，直流電容=10 mF，電感=100 μH，IGBT采用英飛凌FF300R17KE4半橋模塊。母線電壓=400 V，雙脈沖寬度都是10 μs，三款驅(qū)動器對應(yīng)的開通暫態(tài)波形如圖9所示。

從開通暫態(tài)波形中，我們可以看到三者的區(qū)別主要體現(xiàn)在：(1)開通傳輸延遲時間pdon。TX-2DE300M17約為700 ns，2SC0435約為90 ns，2QD15A17K-C約為600 ns。2SC0435響應(yīng)速度最快，延時最小；2QD15A17K-C其次；最慢的是TX-2DE300M17，其包含一個400 ns的窄脈沖抑制抗干擾，增加了傳輸延時。

從短路測試波形可以看到：三者都能成功檢測到短路故障，并在開通后7 μs左右保護(hù)關(guān)斷IGBT。其中，TX-2DE300-M17采用軟關(guān)斷技術(shù)，明顯地減少尖峰，電壓尖峰約為500 V；2SC0435和2QD15A17K-C都是硬關(guān)斷，產(chǎn)生很大的電壓過沖，分別為1 040和1 070 V。當(dāng)母線電壓較高時，2SC04-35可以配合有源鉗位來保護(hù)IGBT；2QD15A17K-C沒有過電壓保護(hù)功能，存在過電壓擊穿的風(fēng)險。

圖9 三款驅(qū)動器開通和關(guān)斷暫態(tài)波形

5 工程中注意的問題和細(xì)節(jié)

在實(shí)際變流器裝置如APF，SVG，光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器中，驅(qū)動部分也時常出現(xiàn)一些問題，導(dǎo)致控制故障。通過實(shí)驗(yàn)，IGBT驅(qū)動在實(shí)際調(diào)試和運(yùn)行電力電子裝置過程中需注意以下幾個方面：

(1)退飽和檢測方法不能精確檢測集電極電壓的大小，只能利用IGBT的退飽和特性顯著變化來做短路保護(hù)，不能用來做過流保護(hù)。

(2)采用TVS做門極鉗位時，若閾值較低，比如±15V，實(shí)際使用中TVS經(jīng)常容易損壞，故常用±18 V的雙向TVS鉗位。

圖10 三款驅(qū)動器的短路開關(guān)波形

6 總結(jié)

本文分析了門極驅(qū)動參數(shù)對于開關(guān)過程的影響和驅(qū)動的要求，總結(jié)了驅(qū)動各部分的設(shè)計原理和特點(diǎn)及不同驅(qū)動器的特性差異、優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。結(jié)合實(shí)驗(yàn)波形，對比分析不同驅(qū)動技術(shù)的差異和原因。結(jié)合工程實(shí)際，指出了一些驅(qū)動使用方面需注意的問題。

[1]MUSUMECI S,RACATI A.Switching-behavior improvement of insulated gate-contronlled devices[J].IEEE Transactions on Power Electronics,1997,12(4):645-653.

[2]JOHN V,SUH B S,LIPO T A.High-performance active gate drive for high-power IGBTs[J].IEEE Trans Industry Electronics,1999, 35(5):1108-1117.

[3]FINK K,BERNET S.Advanced gate drive unit with close-loop di/dt control[J].IEEE Tran Power Electronics,2013,28(5):2587-2595.

[4]MICHEL L,BOUCHER X.FPGA implementation of an optimal IGBT gate driver based on Posicast control[J].IEEE Tran Power Electronics,2013,28(5):2569-2575.

[5]CHOKHAWALA R S,CATT I.Gate drive considerations for IGBT modules[J].IEEE Transactions on Industry Applications,1995, 3(3):603-611.

[6]PALMER P,RAJAMANI H.Active voltage control of IGBTs for high power applications[J].IEEE Trans Power Electron,2004,19 (4):894-901.

Design principles and technical comparisons of IGBT gate driver

The process of the IGBT switching communication and the effect of the gate drive parameters on the switching process were analyzed,based on the equivalent active model.Also the IGBT driver's design principle and the technique,including the signal transmission,isolated power supply,drive output and protection were introduced in detail.The differences of output characteristics,the merits and demerits because of the different design method were summarized.The TX-2DE300M17,2SC0435 and 2QD15A17K-C were used to design the driver circuit and do the double pulse testing experiment to the Infineon FF300R17KE4.The waveforms of turn-on were compared and the three driver technology's differences,advantages and disadvantages were analyzed.

IGBT;switching communication;gate driver design;technical comparison

TM 384

A

1002-087 X(2016)03-0693-04

2015-08-28

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51277060)

唐開毅(1989—)，男，湖南省人，碩士生，主要研究方向?yàn)榇蠊β蔍GBT驅(qū)動保護(hù)技術(shù)。