大功率IGBT驱动技术的现状与发展

只看该作者 · 2012-12-8 12:32

1　引言
　　电力电子技术在当今急需节能降耗的工业领域里起到了不可替代的作用;而igbt在诸如变频器、大功率开关电源等电力电子技术的能量变换与管理应用中，越来越成为各种主回路的首选功率开关器件，因此如何安全可靠地驱动igbt工作，也成为越来越多的设计工程师面临需要解决的课题。
　　在使用igbt构成的各种主回路之中，大功率igbt驱动保护电路起到弱电控制强电的终端界面(接口)作用。因其重要性，所以可以将该电路看成是一个相对独立的“子系统”来研究、开发及设计。
　　大功率igbt驱动保护电路一直伴随igbt技术的发展而发展，现在市场上流行着很多种类非常成熟的大功率igbt驱动保护电路专用产品，成为大多数设计工程师的首选;也有许多的工程师根据其电路的特殊要求，自行研制出各种专用的大功率igbt驱动保护电路。本文对这些大功率igbt驱动保护电路进行分类，并对该电路需要达到的一些功能进行阐述，最后展望此电路的发展。此外本文所述大功率igbt驱动保护电路是指应用于直流母线电压在650v～1000v范围、输出电流的交流有效值在100a～600a范围的场合。

2　大功率igbt驱动保护电路的分类
　　按照大功率igbt驱动保护电路能够完成的功能来分类，可以将大功率igbt驱动保护电路分为以下三种类型:单一功能型、多功能型、全功能型。
2.1　单一功能型
　　单一功能型的大功率igbt驱动保护电路一般是由光耦和功率缓冲器构成，如hcpl-3150 等，如图1所示。它将普通控制信号的ttl/cmos输入电平信号转变为正负十几伏的igbt门极驱动输出电平，正负电平的幅值取决于隔离电源。

图1　hcpl-3150原理框图及引脚示意图

　　工程师进行设计时可将它配上隔离电源电路、死区控制电路、逻辑处理电路、门极驱动电阻等，就可直接驱动igbt，形成最简单的大功率igbt驱动保护电路;也可以自己配上一些外围电路形成多功能型驱动器。
　　单一功能型的大功率igbt驱动保护电路的最大优点是应用灵活、成本较低。它既可以应用于诸如斩波、boost等需要单只igbt运行的主回路，也可以应用于由多只igbt组成的半桥、单相全桥、三相全桥等主回路。由于需要另配隔离电源电路、逻辑处理电路等，所以留给设计工程师的开发任务量大，这也是单一功能型的大功率igbt驱动保护电路的最大缺点。这里的逻辑处理电路一般是指上电顺序逻辑及各类保护处理等功能。
　　此外像hcpl-3150 等驱动器的驱动能力有限，一般都在3a以下，如果驱动600a以上的igbt就需要外接更大的功率缓冲电路或采取其它措施。
2.2　多功能型
　　多功能型的大功率igbt驱动保护电路除了提供直接驱动igbt的功能之外，还可以提供完善的保护功能，如hcpl-316j、 m57962等，如图2和图3所示，它们一般采用混合厚膜封装技术或者采用集成封装技术，可以直接兼容cmos/ttl电平。工程师进行设计时一般只需要配上隔离电源电路、死区控制电路、逻辑处理电路、门极驱动电阻等，就可以成为一个较为完整的大功率igbt驱动保护电路。
　　m57962、hcpl-316j等驱动器本身具有较完整的保护功能，集成度高。其最大的优点是使开发人员的工作得到简化，而且可靠性高，非常适于多路驱动的场合。但是由于它们的驱动能力也有限，如果驱动更高功率的igbt，也需要外接更大的功率缓冲电路。
m57962、hcpl-316j等驱动器一般提供软关断功能，在需要保护igbt退出过流、短路状态时，这个功能非常重要，它可以使igbt的npnp四层结构免于进入“可控硅栓锁”状态。此外像hcpl-316j等驱动器还具备欠压锁定保护功能，这大大简化了设计者的工作。
2.3　全功能型
　　全功能型的大功率igbt驱动保护电路除了具有各类完善的保护功能之外，还都无一例外地配置了dc/dc隔离电源，如2sd315ai(concept)、skypertmpro(semikron)、2ed300c17-s(eupec)等，如图4、图5和图6所示。都是目前国际上著名的全功能型驱动器。

图2　hcpl-316j原理框图及引脚示意图

图3　m57962原理框图及引脚示意图

图4　2sd315ai原理框图

图5　skyperpro原理框图

图6　2ed300c17-s原理框图