IGBT驅動器研究的科學依據和功能構成分析*

黨坤 馬繼晶 王鵬鵬

(1.酒泉職業技術學院,甘肅酒泉 735000;2.中國科學院近代物理研究所,甘肅蘭州 730000)

0 引言

隨著經濟社會發展,能源生產和消費總量持續增長,化石能源大量開發和使用,導致資源緊張、環境污染、氣候變化等問題突出。采用IGBT進行功率變換,能夠提高用電效率和質量,具有高效節能、綠色環保的特點,是解決能源短缺問題和降低碳排放的關鍵支撐技術。

IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)是由BJT和MOS組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件,是能源變換和傳輸的最核心器件,是目前最先進應用最廣泛的第三代功率半導體器件,俗稱電力電子裝備的CPU[1]。我國IGBT器件90%依賴進口,國內市場份額主要被歐美、日本企業壟斷。IGBT作為國家戰略性新興產業,涉及國家經濟安全、國防安全等領域,占據重要地位,目前國產化進程正在提速階段,國內擺脫進口依賴的期望持續增強。

1 IGBT驅動器關鍵技術研究的科學依據和意義

IGBT主要在新能源(如風電、光伏、電動汽車、充電樁)、軌道交通(如動車、地鐵、輕軌)、智能電網(如柔性直流輸電工程)、軍工航天(如飛機、艦艇)、工業(如變頻器、逆變焊機)、家用電器(如變頻空調、洗衣機、冰箱)、醫學(如醫療設備穩壓電源)等領域應用極廣。受益于新能源電動汽車、智能電網、軌道交通的快速發展,未來IGBT市場將迎來爆發。從成本上看,IGBT模塊占新能源汽車控制器成本約50%,占電動汽車成本約10%,占充電樁成本約20%。

IGBT要想將自身優秀的功能在相關產品上穩定實現,離不開它的助手IGBT驅動器(即IGBT模塊解決方案),IGBT驅動器是對上位機發出的控制信號(控制信號:使得功率管開通或關斷)進行功率放大并同時能夠對IGBT模塊提供一定保護功能(互鎖、短路、欠壓、有源鉗位)的裝置。

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、過壓以及擎住效應等。驅動級對系統級的主要影響如圖1所示:

圖1 驅動級和系統級的聯系Fig.1 Connection between drive level and system level

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。

(1)雙通道驅動,信號傳輸方式采用光耦方式。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。此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。(2)雙通道驅動,信號傳輸方式采用光纖方式。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。(3)單通道驅動,信號傳輸方式采用光纖的方式。對單管形式的IGBT模塊,通常利用模塊來組成不同形式的拓撲;對單管高壓模塊來說開關特性的控制通常更加復雜,因為單階段的開通并不能滿足開關特性和系統性能的要求,通常需要分階段動態開通[2]。

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。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。

目前隨著系統的安全性、高效性以及可靠性的要求越來越重視,數字驅動顯現了其獨特的優勢,功能控制能活,更新容易,尤其是在對模塊的安全性起到了模擬驅動難以替代的地位。對模塊指標的要求不同,則對驅動功能的要求也不同。

IGBT驅動器通過改變門極電阻來優化開關特性,因此需要一個控制核心來改變不同開關階段(時間段)投入的門極電阻不同,以此來達到優化特性的目的,常見的控制芯片中CPLD最為合適實現這個功能;FPGA和CPLD同樣為可編程邏輯器件,FPGA更適合做復雜算法。IGBT驅動器中不涉及復雜的算法,通常情況下是一些組合邏輯和時序邏輯的組合。針對IGBT驅動器中準確改變門極電阻的時間點是必須的,CPLD自身連續性布線結構決定了它的時序延遲是均勻和可預測的,再者CPLD速度快于FPGA。CPLD作為數字驅動的核心,可以實現以下功能[3]:

(1)窄脈沖(也稱為短脈沖幾百ns之內)濾除,避免誤開關動作;(2)多級門極電阻(也稱為變門極控制)的準確投入,優化開關特性;(3)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(一類短路,則可在較短時間內關斷IGBT,二類短路待電流上升最大值后再去關斷IGBT,避免在電流上升過程中關斷造成IGBT損壞);(4)短路實施軟關斷保護;(5)欠壓實施欠壓保護;故障回傳和指示。此外該研究還具有開關特性的動態控制,對不同系統適應性強;智能實時監控系統故障,安全可靠;優良的抗電磁干擾的優勢特征。

2 IGBT驅動器的功能構成

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。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。IGBT等效模型如圖2所示:虛線是寄生NPN三極管;虛線Rp是寄生電阻;RN是溝道電阻,G-S加正向電壓,溝道形成,開關導通。

圖2 IGBT等效模型Fig.2 IGBT equivalent model

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。

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。

3 擬采取的研究方法和技術路線

IGBT驅動器采用的主流實現方式主要有:(1)光傳輸模擬驅動器:集成高速光耦為核心控制器件,來實現驅動與上位機的通信(故障返回)以及短路、欠壓保護等。代表性光耦有Avango的ACPL-339J以及ACPL-332J等。優點:外圍電路簡單,適合做緊湊型、布板空間較小的驅動、成本較低。(2)光傳輸數字驅動器:以復雜可編程邏輯器件CPLD為控制核心,通過外圍器件搭建功能模塊(欠壓、短路檢測等)來實現響應功能。優點:電路控制靈活,實現功能較多,對開關特性能可實現一定的控制能力,驅動感觀上大氣。(3)高壓數字驅動器:電壓等級在3300V～4500V,以復雜可編程邏輯器件CPLD為控制核心,利用光纖的高絕緣性來實現控制信號傳輸,驅動一般只有單路。

目前隨著客戶對系統的安全性、高效性以及可靠性的要求越來越重視,數字驅動顯現了其獨特的優勢,功能控制能活,更新容易,尤其是在對模塊的安全性起到了模擬驅動難以替代的地位;若在國內開發驅動,低成本的模擬驅動是過渡產品,之后還是要發展數字驅動以更好地面向未來系統的要求,對驅動相關的整機做開發。無論是發電系統還是電機牽引系統,各用戶對模塊指標的要求不同,則對驅動功能的要求也不同,本項目結合應用客戶需求,聯合開發光傳輸模擬驅動器和數字驅動器。