造纸大功率IGBT驱动技术的现状与发展.doc

造纸大功率IGBT驱动技术现实状况与发展

1　引言
　　电力电子技术在当今急需节能降耗工业领域里起到了不可替换作用;而IGBT在诸如变频器、 大功率开关电源等电力电子技术能量变换与管理应用中, 越来越成为多种主回路首选功率开关器件, 所以怎样安全可靠地驱动IGBT工作, 也成为越来越多设计工程师面临需要处理课题。
　　在使用IGBT组成多种主回路之中, 大功率IGBT驱动保护电路起到弱电控制强电终端界面(接口)作用。因其关键性, 所以能够将该电路看成是一个相对独立“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技术发展而发展, 现在市场上流行着很多个类非常成熟大功率IGBT驱动保护电路专用产品, 成为大多数设计工程师首选;也有很多工程师依据其电路特殊要求, 自行研制出多种专用大功率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, 并对该电路需要达成部分功效进行叙述, 最终展望此电路发展。另外本文所述大功率IGBT驱动保护电路是指应用于直流母线电压在650V～1000V范围、 输出电流交流有效值在100A～600A范围场所。
2　大功率IGBT驱动保护电路分类
　　根据大功率IGBT驱动保护电路能够完成功效来分类, 能够将大功率IGBT驱动保护电路分为以下三种类型:单一功效型、 多功效型、 全功效型。
2.1　单一功效型
　　单一功效型大功率IGBT驱动保护电路通常是由光耦和功率缓冲器组成, 如HCPL-3150 等, 如图1所表示。它将一般控制信号TTL/CMOS输入电平信号转变为正负十几伏IGBT门极驱动输出电平, 正负电平幅值取决于隔离电源。
　　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, 形成最简单大功率IGBT驱动保护电路;也能够自己配上部分外围电路形成多功效型驱动器。
　　单一功效型大功率IGBT驱动保护电路最大优点是应用灵活、 成本较低。它既能够应用于诸如斩波、 BOOST等需要单只IGBT运行主回路, 也能够应用于由多只IGBT组成半桥、 单相全桥、 三相全桥等主回路。因为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开发任务量大, 这也是单一功效型大功率IGBT驱动保护电路最大缺点。这里逻辑处理电路通常是指上电次序逻辑及各类保护处理等功效。
　　另外像HCPL-3150 等驱动器驱动能力有限, 通常都在3A以下, 假如驱动600A以上IGBT就需要外接更大功率缓冲电路或采取其它方法。
2.2　多功效型
　　多功效型大功率IGBT驱动保护电路除了提供直接驱动IGBT功效之外, 还能够提供完善保护功效, 如HCPL-316J、 M57962等, 如图2和图3所表示, 它们通常采取混合厚膜封装技术或者采取集成封装技术, 能够直接兼容CMOS/TTL电平。工程师进行设计时通常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, 就能够成为一个较为完整大功率IGBT驱动保护电路。
M57962、 HCPL-316J等驱动器本身含有较完整保护功效, 集成度高。其最大优点是使开发人职员作得到简化, 而且可靠性高, 非常适于多路驱动场所。不过因为它们驱动能力也有限, 假如驱动更高功率IGBT, 也需要外接更大功率缓冲电路。
M57962、 HCPL-316J等驱动器通常提供软关断功效, 在需要保护IGBT退出过流、 短路状态时, 这个功效非常关键, 它能够使IGBTNPNP四层结构免于进入“可控硅栓锁”状态。另外像HCPL-316J等驱动器还含有欠压锁定保护功效, 这大大简化了设计者工作。

2.3　全功效型图1　HCPL-3150原理框图及引脚示意图

　　全功效型大功率IGBT驱动保护电路除了含有各类完善保护功效之外, 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。都是现在国际上著名全功效型驱动器。
3　大功率IGBT驱动保护电路功效
　　依据不一样应用需要, 大功率IGBT驱动保护电路能够由多个功效组成一个相对完整独立子系统。该系统关键任务是完成“接口”工作:
3.1　隔离功效
　　因为产生波形逻辑控制电路与功率主回路之间存在电平差异, 而且功率主回路存在非常高电磁干扰, 这就需要进行信号传输隔离及电源供给隔离。信号隔离有两种方法:光耦隔离方法及脉冲变压器隔离方法。
　　光耦隔离方法优点是转换电路简单, 易于应用。因为上升延时及下降延时在500ns左右量级, 所以适用在频率较低领域。假如需要故障回传到主控系统, 则需要另外一路光耦。为了方便使用, 也有将这两个光耦集成在一个封装之内产品, 如HCPL-316J等等。现在市场上光耦隔离方法最大工作隔离电压VIORM在3500V左右。
　　脉冲变压器隔离方法转换电路相对复杂, 通常需要使用专用集成电路, 不过因为其运行速度高, 适用在频率较高领域, 而且故障回传不需要其它绕组, 隔离通道相对简单。只要空间位置许可, 变压器隔离能够因为绕制工艺改善做到非常高。另外部分对动态隔离有要求应用场所, 要求隔离电路dv/dt耐量非常高, 而使用脉冲变压器隔离则能够达成75kV/μs以上水平。
　　电源供给隔离通常采取不共地DC/DC变换器, 其变压器隔离耐压通常是母线电压3倍以上, 变换器二次侧必需能够提供正负电源。
3.2　死区隔离功效
　　驱动死区隔离设置(见图7阴影部分)对于半桥、 全桥主回路来说是非常关键。它通常是使用R、 C电路来实现。R、 C电路优点是简单, 抗干扰能力强, 缺点是轻易受温度影响, 成本较高, 需要占据宝贵PCB板件面积, 死区时间调整间隔偏大。
　　针对上述R、 C电路缺点, 很多含有开发能力用户愿意使用“数字”方法来取得死区。其最大优点是温度稳定性好, 因为调整步距仅仅与时钟信号频率相关, 能够做到很精细, 利于优化算法及主回路系统。
3.3　驱动功率缓冲功效
　　对于输出额定电流在100A以上IGBT来说, 即使属于含有高阻输入场控器件, 不过因为寄生电容存在以及弥勒效应, 在短时内（微秒或亚微秒）需要向IGBT输入端输入或抽出较大电流, 从几百毫安到十多个安培不等, 视IGBT及主回路参数来确定。所以在功率容量上一般逻辑电路及逻辑缓冲电路均无法胜任, 需要专门设计功率缓冲电路来处理。这一类功率缓冲电路基础都是采取图腾柱输出级。很多产品选择双极型器件如M57962L等, 也有选择单极型器件如2SD315AI等, 更有采取混合型器件, 其上管选择双极型器件, 下管选择单极型器件如HCIPL-316J等等。为了满足瞬间能够源出、 吸入十多个安培, 去耦电容选择及布局显得极为关键。通常选择含有良好高频特征独石电容, 在PCB布局时要求尽可能紧靠图腾柱。
　　功率缓冲级电源供给容量也是非常关键, 视IGBT门极电荷以或门极电容参数以及主回路工作频率来确定。功率缓冲级电路如图8所表示, 它隔离耐压水平与信号传输电路耐压水平要求等同。
3.4　检测及保护功效
3.4.1　过流检测及保护
　　通常采取间接电压法。当IGBT出现过流情况时, Vce饱和压降增大, 所以经过检测IGBT导通时Vce饱和压降与设定阈值进行比较就能够判定是否出现过流。为了提升抗干扰能力, 出现了很多基准设置及比较方法, 避免功率主回路出现频繁“打嗝”甚至停机现象。另外怎样安全地关断一只甚至多只并联处于过流之中IGBT也需要仔细考虑, 现在多数采取软关断方法避免IGBT进入“栓锁”状态。

3.4.2　欠压检测及保护
　　通常情况下, IGBT栅极电压Vge需15V才能使IGBT进入深饱和;假如Vge低于13V, 在大电流时, CE之间过高导通压降将使IGBT芯片温度急剧上升;当栅极电压低于10V, IGBT将工作于线性区而且很快因过热而烧毁;所以需要对Vge电压进行欠压检测。在2ED300C17-S、 SKYPERTMPRO等全功效型驱动器二次侧上都集成了该功效。
3.4.3　温度检测及保护
　　在部分企业生产IGBT模块上, 还集成了温度传感器, 只需将该温度传感器信号连接到驱动器对应检测电路上, 就能实现驱动器对IGBT温度检测。因为传感器安放在IGBT芯片周围, 能够愈加真实地反应出IGBT芯片实际温度, 所以能够愈加可靠地保护IGBT模块。
3.4.4　保护功效逻辑处理
　　一旦IGBT模块出现了上述任何一个故障, 都需要进入保护状态, 所以保护功效逻辑处理是最关键一环, 也是最难于设计一环, 而且通常也是由设计工程师自己来开发完成。它处理标准是:当某一只IGBT出现了故障, 要求保护逻辑处理做到:
(1)尽可能不停机;
(2)要预防事故深入扩大;
(3)要求对报警信号进行真假甄别。
　　这需要采取软件与硬件结合设计方法来实现“智能保护逻辑处理”。系统不一样, 管理保护逻辑处理设计也不一样。通常采取方法是:首先安全关断“问题IGBT”, 然后依据系统要求判定是否需要关断更多IGBT, 直至停机。同时要求每一个步骤都设定一个适宜延时, 方便滤除伪信号。
3.5　短脉冲抑制功效
　　在驱动信号传输过程中, 因为干扰、 计算误差等原因会造成在驱动信号上出现部分短脉冲, 也叫“毛刺”;假如驱动器根据这些短脉冲进行对应IGBT开关, 则会造成输出波形变差, 所以必需对这类短脉冲进行抑制。
4　技术展望
4.1　门极驱动电压提升
　　现在IGBT开通电压通常采取+15V电压源驱动, 有些人已经提出发展恒流源驱动方法, 认为能够克服IGBT“米勒”电容效应, 使IGBT导通愈加可靠。IGBT关断电压从最初0V, 到以后-7V左右, 低频下普遍使用-15V。
4.2　逐一脉冲软关断
　　现在大部分大功率IGBT驱动保护电路在正常运行时关断方法为硬关断, 只有在出现过流情况下才会采取软关断方法。而在感性负载情况之下, IGBT关断以后为了保持电流连续性, 肯定会有一只续流二极管导通, 此时会在功率母线寄生电感上产生一个尖峰电压:Δv=L×di/dt, 除了寄生电感L及关断电流大小影响之外, 假如硬关断越快, 即dt越小, 则尖峰电压Δv越高。而对于应用在较低频情况下大功率IGBT, 因为电流在几百安培, 所以逐一脉冲进行软关断将会大大降低尖峰电压Δv, 使尖峰电压Δv产生干扰会大幅减小, 能够提升系统可靠性。部分IGBT生产厂商也在着手开发含有软关断特征IGBT芯片。
4.3　过流检测保护阈值(参考基准)设置方法
　　目前大部分大功率IGBT驱动保护电路对过流检测保护阈值只有一个, 通常常规值设在7V～9V。为了预防误报警, 出现了部分不一样阈值设置方法。
　　变阈值设置方法:在IGBT从截止状态刚刚进入饱和状态期间(约多个微秒至十多个微秒), 保护阈值能够从15V(或者更高)根据一定曲线降至常规设置值, 能够避免在此期间扰动伪信号造成误报警;
　　多阈值设置方法:为了更为符合实际工况应用情况, 降低停机率, 能够采取多阈值保护。比如IGBT饱和压降达成第一阈值时, 采取降低栅极电压处理方法;达成更高第二阈值时, 才根本关断IGBT。
4.4　愈加贴近驱动对象
　　现在, 针对多种工况下使用IGBT, 比如高压变频器、 UPS、 逆变焊机等应用场所, 都有不一样大功率IGBT驱动保护电路推出。这些驱动器原理大致相同, 但愈加贴进各自驱动对象。
4.5　与智能功率模块(IPM)分别在不一样功率领域并行发展
　　IPM内部集成了驱动电路, 只需提供控制信号即可工作, 关键应用中小功率场所;而大功率IGBT驱动保护电路通常见于大功率场所, 对大功率IGBT进行驱动。伴随IGBT生产工艺, 硅片技术、 驱动技术不停进步和发展, 大功率IGBT驱动保护电路与IPM均在各自功率领域并行发展。
5　大功率IGBT驱动保护电路发展所受到限制
　　成本价格限制, 是对大功率IGBT驱动保护电路发展最大限制。一个好大功率IGBT驱动保护电路面对要处理问题较广泛、 复杂, 可靠性要求却非常之高。所以成本原因极大地限制了全功效型大功率IGBT驱动保护电路发展, 而价格适中多功效型大功率IGBT驱动保护电路是大多数工程师们首选产品。对于肯在主回路上进行电流直接取样投资工程师来说, 单一功效驱动电路则是她们首选。
6　结束语
　　大功率IGBT驱动保护技术发展完全是受到IGBT发展影响而发展, 伴随半导体技术深入发展, 新器件乃至新型IGBT诞生, 以及新主回路拓扑诞生, 会出现新奇驱动保护技术

1. 文章提出问题是什么？
IGBT在变频器、 大功率开关电源等电力电子技术能量变换与管理应用中, 大功率IGBT驱动保护电路起到弱电控制强电接口作用, 怎样安全可靠地驱动IGBT工作, 怎样设计大功率IGBT驱动保护电路是本文提出关键问题。
2. 对这个问题处理方案是什么？
使用大功率IGBT驱动保护电路。
3. 处理这个方案用了什么方法？
设计大功率IGBT驱动保护电路能够完成功效来分类, 能够将大功率IGBT驱动保护电路分为以下三种类型:单一功效型、 多功效型、 全功效型
单一功效型: 单一功效型大功率IGBT驱动保护电路通常是由光耦和功率缓冲器组成。它将一般控制信号TTL/CMOS输入电平信号转变为正负十几伏IGBT门极驱动输出电平, 正负电平幅值取决于隔离电源。单一功效型大功率IGBT驱动保护电路最大优点是应用灵活、 成本较低。缺点是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开发任务量大。
多功效型: 多功效型大功率IGBT驱动保护电路除了提供直接驱动IGBT功效之外, 还能够提供完善保护功效。最大优点是使开发人职员作得到简化, 而且可靠性高, 非常适于多路驱动场所。不过因为它们驱动能力也有限, 假如驱动更高功率IGBT, 也需要外接更大功率缓冲电路。
全功效型: 含有各类完善保护功效, 都地配置了DC/DC隔离电源。
4. 效果怎样？
设计大功率IGBT驱动保护电路含有比较完善功效, 其关键功效有: 隔离功效, 死区隔离功效, 驱动功率缓冲功效, 过流检测及保护, 欠压检测及保护, 温度检测及保护, 保护功效逻辑处理, 短脉冲抑制功效。
5． 怎样改善？
需要改善大功率IGBT驱动保护电路功效参数, 如提升门极驱动电压, 采取多阈值保护, 愈加贴近驱动对象, 降低产品成本等方法