IGBT模塊驅動技術綜述

馬繼晶

（酒泉職業技術學院，甘肅 酒泉 735000）

0 引言

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），即絕緣柵雙極型晶體管，是由MOSFET（絕緣柵場效應管）和BJT（雙極型晶體管）構成的復合半導體器件。IGBT驅動器的基礎功能是將上位機發出的控制信號，經隔離升壓等方法將其轉化為可直接作用于IGBT門極的正反偏驅動電壓，以此來達到控制IGBT開通和關斷的目的[1]。雖然IGBT有電流拖尾的缺點，但它同時具備MOSFET驅動功率小和BJT大電流的優點，廣泛用于高壓大電流和高速開關環境之中[2]。包括在風電變流器、光伏逆變、新能源電動汽車以及艦船動力系統和工業變頻器領域等能源以及動力系統中，因此其工作可靠性成為要考慮的重要問題，而可靠的IGBT驅動器能夠避免如IGBT器件過流、過溫、過壓以及擎柱效應等。

1 IGBT 驅動器的構成及意義

1.1 IGBT驅動器的構成

IGBT驅動器的基本功能是將上位機發出的控制信號通過隔離變換等單元電路轉化為可直接驅動IGBT門極的正反偏驅動電壓，以此來達到開通和關斷IGBT的目的[3]。

1.2 IGBT驅動器的功能構成

① DC-DC隔離電源：主要用來為IGBT提供驅動功率。

② 信號隔離傳輸單元：用來傳輸低壓側PWM信號或將高壓側某些信號（如，故障等信號）傳輸至低壓側，用來控制和反饋電路工作情況。

③ 驅動單元：實現PWM信號功率放大，滿足驅動IGBT門極信號的要求。

④ 檢測保護單元：檢測IGBT工作狀態。

⑤ 控制處理單元：對輸入和輸出信號判別，做出相應的動作。如圖1。

圖1 IG BT驅動構成

1.3 IGBT驅動器的意義

IGBT應用廣泛，包括在風電變流器、光伏逆變、新能源電動汽車以及艦船動力系統和工業變頻器領域等能源以及動力系統中，因此其工作可靠性成為要考慮的重要問題，而可靠的IGBT驅動器能夠避免如IGBT器件過流、過溫、過壓以及擎柱效應等。驅動級對系統級的主要影響可以如下圖2描述。

圖2 驅動級和系統級的聯系

2 IGBT 驅動方案介紹

IGBT驅動方案主要針對不同模塊類型，如：單個半橋、多個半橋和單管，采取合理的布局布置來實現驅動目的。IGBT驅動方案也表述了驅動的具體實現過程和形式，以此來說明驅動的可行性[4]。

（1）雙通道驅動，信號傳輸方式采用光耦方式，它的構成功能如下框圖3表示。接口（Interface），一般包含直流電源輸入（VCC和GND）、PWM電信號輸入模塊和驅動故障返回信號或模塊過溫信號。信號隔離單元，主要采用IGBT驅動器專用高壓高速數字光耦，保證高低壓的隔離。

圖3 光耦雙通道驅動功能

①隔離電源，DC-DC隔離電源，提供驅動功率；②驅動單元，主要執行驅動功率傳輸；③控制單元（Control），處理PWM、故障Fault、監測模塊溫度、電源狀態以及模塊過流或短路狀態[5]。

此類驅動實現有隔離傳輸信號、信號功率放大，電源過壓、欠壓以及模塊溫度監測和短路保護以及有源鉗位等。常適用模塊：EconoDual系列，如：FF600RME12；PrimePack系列，如：FF1000R17IE4。

（2）雙通道驅動，信號傳輸方式采用光纖方式，它的構成功能如下框圖4表示。功能同上面電信號傳輸驅動器，光纖隔離等級更高、信號傳輸更加穩定但成本相應會提高。光纖傳輸或電信號光耦傳輸，也可以兼容二者。常適用模塊：EconoDual系列，如：FF600RME12；PrimePack系列，如：FF1000R17IE4。

圖4 光纖雙通道驅動功能

（3）單通道驅動，信號傳輸方式采用光纖的方式，它的構成如下框圖5表示。適用模塊：IHM-B系列，如：FZ1000R33HE4、FZ3600R17HP4；IHV 系列，如：FZ1200R33KF2C。

圖5 光纖單通道驅動

以上介紹了常見驅動實現的方式，目前安華高（AVAGO）已有如ACPL-316J和ACPL-339J等專用集成光耦，自帶短路保護、電源欠壓保護和米勒箝位以及故障返回和封波處理等，這些專用驅動光耦集隔離傳輸和各類保護為一體，極大簡化了驅動器的設計，如下ACPL-339J功能框圖6。但畢竟在一些特殊場合，如高壓領域、特殊拓撲及特殊系統環境（母排結構等）造成IGBT關斷尖峰過大等，專用驅動光耦就顯得力不從心，因此按照實際應用環境設計驅動器是必要的[6]。常見驅動的形式：①驅動核心板+門極電阻適配板；②一體式驅動，將核心板和適配電阻集成在一塊板上。

圖6 ACPL-339J功能

3 結語

本文主要介紹了改善開關特性的驅動技術。IGBT驅動器通過改變門極電阻來優化開關特性，綜合利用VCE檢測和di/dt檢測區別一類短路和二類短路，選擇合理的關斷方式建立可靠的保護機制。開發智能型多種保護措施的IGBT驅動是未來發展的方向。