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情深不寿,强极则辱,谦谦君子,温润如玉
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历史上的今天
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blogTitle:'功率模块IGBT、IPM、PIM 区别及应用',
blogAbstract:'\r\n&\r\n区别：\r\n1，IGBT单管：分立IGBT，封装较模块小，电流通常在50A以下，常见有TO247 TO3P等封装。2，IGBT模块：即模块化封装的IGBT芯片，块化封装就是将多个IGBT集成封装在一起，常见的有1in1,2in1,6in1等。3，PIM模块：集成整流桥+制动单元（PFC）+三相逆变（IGBT桥）4，IPM模块：即智能功率模块，集成门级驱动及众多保护功能（过热保护，过压，过流，欠压保护等）的IGBT模块。\r\nAW控制柜报E0072&',
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摘要: 开关电源用的大功率开关器件IGBT以其独特的良特性，在各种电力电子装置中得到了广泛应用。而了解IGBT的可靠性能、检测及使用时的注意事项对实际中的应用是十分必要的。下面本文就对此进行了一一解析。
　　一、IGBT的简单介绍　　绝缘栅双极型晶体管（简称“IGBT”）是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET,输出极为PNP晶体管，它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，在现代技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。　　若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V,则MOS 截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件，在它的栅极-发射极间施加十几V的直流电压，只有在uA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。　　二、IGBT的可靠性要素　　IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定：　　1.IGBT栅极与发射极之间的电压；　　2.IGBT集电极与发射极之间的电压；　　3.流过IGBT集电极-发射极的电流；　　4.GBT的结温。　　如果IGBT栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低，则IGBT不能稳定正常地工作，如果过高超过栅极-发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏；同样，如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极-发射极之间的耐压，流过IGBT集电极-发射极的电流超过集电极-发射极允许的最大电流，IGBT的结温超过其结温的允许值，IGBT都可能会永久性损坏。　　三、IGBT的检测方法　　1.判断极性　　首先将拨在R×1KΩ挡，用万用表测量时，若某一极与其它两极阻值为无穷大，调换表笔后该极与其它两极的阻值仍为无穷大，则判断此极为栅极（G ）其余两极再用万用表测量，若测得阻值为无穷大，调换表笔后测量阻值较小。在测量阻值较小的一次中，则判断红表笔接的为集电极（C）；黑表笔接的为发射极（E）。　　2.判断好坏　　将万用表拨在R×10KΩ挡，用黑表笔接IGBT 的集电极（C），红表笔接IGBT 的发射极（E），此时万用表的指针在零位。用手指同时触及一下栅极（G）和集电极（C），这时IGBT 被触发导通，万用表的指针摆向阻值较小的方向，并能站住指示在某一位置。然后再用手指同时触及一下栅极（G）和发射极（E），这时IGBT 被阻断，万用表的指针回零。此时即可判断IGBT 是好的。　　总之，任何指针式万用表皆可用于检测IGBT.注意判断IGBT 好坏时，一定要将万用 表拨在R×10KΩ挡，因R×1KΩ挡以下各档万用表内部电池电压太低，检测好坏时不能使IGBT 导通，而无法判断IGBT 的好坏。此方法同样也可以用于检测功率场效应晶体管（P-MOSFET）的好坏。　　四、IGBT的使用注意事项　　由于IGBT模块为MOSFET结构，IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄，其击穿电压一般达到20~30V.因此因静电而导致栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。因此使用中要注意以下几点：　　1.在使用模块时，尽量不要用手触摸驱动端子部分，当必须要触摸模块端子时，要先将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后，再触摸；在用导电材料连接模块驱动端子时，在配线未接好之前请先不要接上模块； 尽量在底板良好接地的情况下操作。　　2.在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压，但栅极连线的寄生电感和栅极与集电极间的耦合，也会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此，通常采用双绞线来传送驱动信号，以减少寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。　　3.在栅极-发射极间开路时，若在集电极与发射极间加上电压，则随着集电极电位的变化，由于集电极有漏电流流过，栅极电位升高，集电极则有电流流过。这时，如果集电极与发射极间存在高电压，则有可能使IGBT发热及至损坏。　　总之，在使用IGBT的场合，当栅极回路不正常或栅极回路损坏时（栅极处于开路状态），若在主回路上加上电压，则IGBT就会损坏，为防止此类故障，应在栅极与发射极之间串接一只10KΩ左右的电阻。在安装或更换IGBT模块时，应十分重视IGBT模块与散热片的接触面状态和拧紧程度。为了减少接触热阻，最好在散热器与IGBT模块间涂抹导热硅脂。一般散热片底部安装有散热风扇，当散热风扇损坏中散热片散热不良时将导致IGBT模块发热，而发生故障。因此对散热风扇应定期进行检查，一般在散热片上靠近IGBT模块的地方安装有温度感应器，当温度过高时将报警或停止IGBT模块工作。
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IGBT模块的原理及保护事项
IGBT模块的原理及保护事项&IGBT原理及保护技术电压时，也具有低的通态电压。IGBT 的工作特性包括静态和动态两类：&&1 ．静态特性 IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。&&IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs的控制，Ugs越高，Id 越大。它与GTR 的输出特性相似．也可分为饱和区1、放大区2和击穿特性三部分。在截止状态下的IGBT ，正向电压由 J2 结承担，反向电压由J1 结承担。如果无N+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+ 缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT 的某些应用范围。IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压 Ugs(th) 时，IGBT 处于关断状态。在 IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内，Id与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V 左右。IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT处于导通态时，由于它的 PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其B值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过 MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on) 可用下式表示&&Uds(on) ＝ Uj1＋ Udr＋IdRoh式中 Uj1 —— JI 结的正向电压；&&&&&Udr ——扩展电阻Rdr上的压降；&&&&&&&&&Roh ——沟道电阻。通态电流 Ids 可用下式表示：&&&&&&&&Ids=(1+Bpnp)Imos式中 Imos ——流过 MOSFET 的电流。&&由于 N+ 区存在电导调制效应，所以 IGBT 的通态压降小，耐压1000V 的IGBT 通态压降为2 ～3V 。&&IGBT 处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。&&2 ．动态特性IGBT 在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET 来运行的，只是在漏源电压Uds下降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on) 为开通延迟时间，tri为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton 即为td (on)与tri之和。漏源电压的下降时间由tfe1和tfe2组成，在IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为 MOSFET 关断后，PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，td(off) 为关断延迟时间，trv为电压Uds(f)的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间Tf由t(f1)和t(f2)两段组成，而漏极电流的关断时间&&t(off)=td(off)+trv 十t(f)式中，td(off)与trv之和又称为存储时间。IGBT模块驱动及保护技术二、IGBT栅极特性何志伟 华南理工大学雅达电源实验室&&&&IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。IGBT是电压控制型器件，在它的栅极-发射极间施加十几V的直流电压，只有μA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。但IGBT的栅极-发射极间存在着较大的寄生电容（几千至上万pF），在驱动脉冲电压的上升及下降沿需要提供数A的充放电电流，才能满足开通和关断的动态要求，这使得它的驱动电路也必须输出一定的峰值电流。IGBT作为一种大功率的复合器件，存在着过流时可能发生锁定现象而造成损坏的问题。在过流时如采用一般的速度封锁栅极电压，过高的电流变化率会引起过电压，为此需要采用软关断技术，因而掌握好IGBT的驱动和保护特性是十分必要的。1.栅极特性&&&&IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄，其击穿电压一般只能达到20～30V，因此栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压，但栅极连线的寄生电感和栅极－集电极间的电容耦合，也会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此。通常采用绞线来传送驱动信号，以减小寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。&&&&由于IGBT的栅极－发射极和栅极－集电极间存在着分布电容Cge和Cgc，以及发射极驱动电路中存在有分布电感Le，这些分布参数的影响，使得IGBT的实际驱动波形与理想驱动波形不完全相同，并产生了不利于IGBT开通和关断的因素。这可以用带续流二极管的电感负载电路（见图1）得到验证。在t0时刻，栅极驱动电压开始上升，此时影响栅极电压uge上升斜率的主要因素只有Rg和Cge，栅极电压上升较快。在t1时刻达到IGBT的栅极门槛值，集电极电流开始上升。从此时开始有2个原因导致uge波形偏离原有的轨迹。首先，发射极电路中的分布电感Le上的感应电压随着集电极电流ic的增加而加大，从而削弱了栅极驱动电压，并且降低了栅极－发射极间的uge的上升率，减缓了集电极电流的增长。&&&&其次，另一个影响栅极驱动电路电压的因素是栅极－集电极电容Cgc的密勒效应。t2时刻，集电极电流达到最大值，进而栅极－集电极间电容Cgc开始放电，在驱动电路中增加了Cgc的容性电流，使得在驱动电路内阻抗上的压降增加，也削弱了栅极驱动电压。显然，栅极驱动电路的阻抗越低，这种效应越弱，此效应一直维持到t3时刻，uce降到零为止。它的影响同样减缓了IGBT的开通过程。在t3时刻后，ic达到稳态值，影响栅极电压uge的因素消失后，uge以较快的上升率达到最大值。&&&&由图1波形可看出，由于Le和Cgc的存在，在IGBT的实际运行中uge的上升速率减缓了许多，这种阻碍驱动电压上升的效应，表现为对集电极电流上升及开通过程的阻碍。为了减缓此效应，应使IGBT模块的Le和Cgc及栅极驱动电路的内阻尽量小，以获得较快的开通速度。&&&&IGBT关断时的波形如图2所示。t0时刻栅极驱动电压开始下降，在t1时刻达到刚能维持集电极正常工作电流的水平，IGBT进入线性工作区，uce开始上升，此时，栅极－集电极间电容Cgc的密勒效应支配着uce的上升，因Cgc耦合充电作用，uge在t1－t2期间基本不变，在t2时刻uge和ic开始以栅极－发射极间固有阻抗所决定的速度下降，在t3时，uge及ic均降为零，关断结束。&&&&由图2可看出，由于电容Cgc的存在，使得IGBT的关断过程也延长了许多。为了减小此影响，一方面应选择Cgc较小的IGBT器件；另一方面应减小驱动电路的内阻抗，使流入Cgc的充电电流增加，加快了uce的上升速度。&&&&在实际应用中，IGBT的uge幅值也影响着饱和导通压降：uge增加，饱和导通电压将减小。由于饱和导通电压是IGBT发热的主要原因之一，因此必须尽量减小。通常uge为15～18V，若过高，容易造成栅极击穿。一般取15V。IGBT关断时给其栅极－发射极加一定的负偏压有利于提高IGBT的抗骚扰能力，通常取5～10V。2.栅极串联电阻对栅极驱动波形的影响栅极驱动电压的上升、下降速率对IGBT开通关断过程有着较大的影响。IGBT的MOS沟道受栅极电压的直接控制，而MOSFET部分的漏极电流控制着双极部分的栅极电流，使得IGBT的开通特性主要决定于它的MOSFET部分，所以IGBT的开通受栅极驱动波形的影响较大。IGBT的关断特性主要取决于内部少子的复合速率，少子的复合受MOSFET的关断影响，所以栅极驱动对IGBT的关断也有影响。在高频应用时，驱动电压的上升、下降速率应快一些，以提高IGBT开关速率降低损耗。在正常状态下IGBT开通越快，损耗越小。但在开通过程中如有续流二极管的反向恢复电流和吸收电容的放电电流，则开通越快，IGBT承受的峰值电流越大，越容易导致IGBT损害。此时应降低栅极驱动电压的上升速率，即增加栅极串联电阻的阻值，抑制该电流的峰值。其代价是较大的开通损耗。利用此技术，开通过程的电流峰值可以控制在任意值。由以上分析可知，栅极串联电阻和驱动电路内阻抗对IGBT的开通过程影响较大，而对关断过程影响小一些，串联电阻小有利于加快关断速率，减小关断损耗，但过小会造成di/dt过大，产生较大的集电极电压尖峰。因此对串联电阻要根据具体设计要求进行全面综合的考虑。栅极电阻对驱动脉冲的波形也有影响。电阻值过小时会造成脉冲振荡，过大时脉冲波形的前后沿会发生延迟和变缓。IGBT的栅极输入电容Cge随着其额定电流容量的增加而增大。为了保持相同的驱动脉冲前后沿速率，对于电流容量大的IGBT器件，应提供较大的前后沿充电电流。为此，栅极串联电阻的电阻值应随着IGBT电流容量的增加而减小。三、IGBT的保护功能严智渊 无锡富乐电子有限公司1.IGBT的过流保护&&&&IGBT的过流保护电路可分为2类：一类是低倍数的（1.2～1.5倍）的过载保护；一类是高倍数（可达8～10倍）的短路保护。对于过载保护不必快速响应，可采用集中式保护，即检测输入端或直流环节的总电流，当此电流超过设定值后比较器翻转，封锁所有IGBT驱动器的输入脉冲，使输出电流降为零。这种过载电流保护，一旦动作后，要通过复位才能恢复正常工作。IGBT能承受很短时间的短路电流，能承受短路电流的时间与该IGBT的导通饱和压降有关，随着饱和导通压降的增加而延长。如饱和压降小于2V的IGBT允许承受的短路时间小于5μs，而饱和压降3V的IGBT允许承受的短路时间可达15μs，4～5V时可达30μs以上。存在以上关系是由于随着饱和导通压降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路电流同时增大，短路时的功耗随着电流的平方加大，造成承受短路的时间迅速减小。通常采取的保护措施有软关断和降栅压2种。软关断指在过流和短路时，直接关断IGBT。但是，软关断抗骚扰能力差，一旦检测到过流信号就关断，很容易发生误动作。为增加保护电路的抗骚扰能力，可在故障信号与启动保护电路之间加一延时，不过故障电流会在这个延时内急剧上升，大大增加了功率损耗，同时还会导致器件的di/dt增大。所以往往是保护电路启动了，器件仍然坏了。降栅压旨在检测到器件过流时，马上降低栅压，但器件仍维持导通。降栅压后设有固定延时，故障电流在这一延时期内被限制在一较小值，则降低了故障时器件的功耗，延长了器件抗短路的时间，而且能够降低器件关断时的di/dt，对器件保护十分有利。若延时后故障信号依然存在，则关断器件，若故障信号消失，驱动电路可自动恢复正常的工作状态，因而大大增强了抗骚扰能力。2． IGBT开关过程中的过电压关断IGBT时，它的集电极电流的下降率较高，尤其是在短路故障的情况下，如不采取软关断措施，它的临界电流下降率将达到数kA/μs。极高的电流下降率将会在主电路的分布电感上感应出较高的过电压，导致IGBT关断时将会使其电流电压的运行轨迹超出它的安全工作区而损坏。所以从关断的角度考虑，希望主电路的电感和电流下降率越小越好。但对于IGBT的开通来说，集电极电路的电感有利于抑制续流二极管的反向恢复电流和电容器充放电造成的峰值电流，能减小开通损耗，承受较高的开通电流上升率。一般情况下IGBT开关电路的集电极不需要串联电感，其开通损耗可以通过改善栅极驱动条件来加以控制。3． IGBT的关断缓冲吸收电路为了使IGBT关断过电压能得到有效的抑制并减小关断损耗，通常都需要给IGBT主电路设置关断缓冲吸收电路。IGBT的关断缓冲吸收电路分为充放电型和放电阻止型。充放电型有RC吸收和RCD吸收2种。RC吸收电路因电容C的充电电流在电阻R上产生压降，还会造成过冲电压。RCD电路因用二极管旁路了电阻上的充电电流，从而克服了过冲电压。图4是三种放电阻止型吸收电路。放电阻止型缓冲电路中吸收电容Cs的放电电压为电源电压，每次关断前，Cs仅将上次关断电压的过冲部分能量回馈到电源，减小了吸收电路的功耗。因电容电压在IGBT关断时从电源电压开始上升，它的过电压吸收能力不如RCD型充放电型。图4&&三种放电阻止型吸收电路从吸收过电压的能力来说，放电阻止型吸收效果稍差，但能量损耗较小。对缓冲吸收电路的要求是：①尽量减小主电路的布线电感La；②吸收电容应采用低感吸收电容，它的引线应尽量短，最好直接接在IGBT的端子上；③吸收二极管应选用快开通和快软恢复二极管，以免产生开通过电压和反向恢复引起较大的振荡过电压。
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浅析高压大功率IGBT驱动模块的技术特点
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1　引言　　由于igbt具有开关频率高、导通功耗小及门极控制方便等特点，在大功率变换系统中得到广泛的应用。在igbt应用中，除其本身的技术水平以外，另一个要考虑的重要因素是其驱动器的设计是否合理与可靠。igbt驱动器作为功率电路和控制器之间的接口电路，对系统的功耗和可靠性等方面有着极大的关联，一个优化的驱动器在功率变换系统中是不可或缺的，选择适当的驱动电路就和变换器整体方案的可靠性紧密相关［1-2］。　　驱动器主要完成以下三个方面的功能，首先是驱动功能，为igbt开关提供足够大的驱动电流，保证igbt能在其控制下可靠地开通和关断;其次是驱动器要具有保护功能，当igbt发生短路或者过流时，驱动器能在最短的时间关断igbt，保护功率器件。另外，在高电压、大功率的应用场合，驱动器作为控制电路与功率电路之间的连接桥梁，必须要具有电气隔离的功能，保证控制电路不会受功率电路的干扰和影响。在满足上述三种功能的前提下，驱动器还要考虑灵活性、性能与价格之间的关系。　　由于igbt电流容量和电压等级的不同，对其驱动器的技术要求也存在差异。在小功率应用中，由于驱动电流比较小，大多采用集成化的驱动器，而在大功率、高电压的应用中，比如：大功率ups电源，高压变频器等，要求驱动器提供更大的驱动电流，更高的隔离电压和更完善的保护功能。本文针对目前市场上常用的大功率igbt驱动模块，比如：semikron公司的skhi22和concept公司的2sd315a等，分析它们所共有的一些技术特点、设计要点以及未来大功率igbt驱动技术的发展趋势。2　技术特点分析　　2.1　完善的信号处理功能　　在高压大功率应用中，考虑到开关产生的强干扰和igbt的高成本等因素，确保igbt驱动信号的可靠性非常重要。因此，大功率的igbt驱动模块通常都具有完善的驱动脉冲信号预处理功能，其目的是保证igbt栅极的脉冲信号的可靠性。常见的驱动信号处理功能如下：　　（1）双路脉冲互锁功能　　当驱动模块输出两路脉冲信号分别控制同一桥臂上面的上、下两只igbt时，如果驱动信号同时控制两只igbt导通，则会出现直通短路的现象，可能造成igbt或其它器件的损坏。为了防止出现上述情况，在驱动模块的内部设计了信号互锁电路，确保当输入两路脉冲信号同时为高时，两路输出同时为低电平，防止出现直通现象。当需要双路驱动信号独立控制时，也可以通过外部端子屏蔽互锁功能。　　（2） 抑制窄脉冲功能　　由于控制电路或者干扰等原因造成的窄脉冲信号，通过驱动器加到igbt的栅极，可能造成igbt在短时间内完成一个开关过程，过短的脉冲信号使igbt还未完全开通又转为关断，对变换器的输出产生不良影响，并且增加了igbt的开关损耗，降低了系统的效率。在驱动器中设计了滤波电路，去除窄脉冲信号，有利于提高igbt可靠性。　　（3） 死区时间设定功能　　在半桥式的工作模式下，两只igbt必须轮流导通，为了防止两只igbt在开关交替过程中出现两管同时处于开通状态，在两管交替导通时必须加入一定的死区时间，根据不同特性的igbt，死区时间也不相同。在双路大功率驱动模块中，内部设计了死区控制电路，都可以通过外部端子的不同接法来调节死区的大小，比如：通过外接不同容量的电容（2sd106）或高、低电平（skhi22a/b）。2.2 驱动信号的隔离传输方式　　考虑高压大功率igbt驱动器工作在高电压环境，为了保证控制器不受高压侧的影响，驱动脉冲信号必须经过隔离后再传送到igbt的栅极。通常的隔离方式有光隔离和磁隔离，光隔离又包括光耦隔离和光纤隔离，光耦隔离方式由于隔离电压相对较低，存在传输延迟、老化和可靠性等方面的问题，在直流母线电压超过800v的高压应用场合很少采用。而采用脉冲变压器隔离方式（磁隔离）可以实现相对较高的隔离电压，而且变压器的可靠性高，传输延迟小，可以实现较高的开关频率，不存在老化的问题，因此在高压igbt驱动器中多数采用脉冲变压器作为隔离元件来完成驱动信号的隔离传输。　　传统的驱动用脉冲变压器是将放大后的脉冲信号隔离后直接驱动igbt或功率mos管，其基本的电路原理如图2所示。初级串联电容的作用是去除驱动脉冲的直流分量。次级并联的稳压管用于防止输出电压过高而损坏功率开关管。这种工作方式无需单独的驱动电源，电路设计简单，成本也比较低。但是当驱动脉冲的占空比变化范围比较大，特别是在占空比比较大时，由于变压器输出波形在一个周期的伏秒面积必须相等，可能使输出正脉冲幅度减小，以至于无法正常驱动igbt，通常要求控制脉冲占空比小于50%。同时，脉冲变压器磁芯的饱和问题也限制了控制脉冲的导通时间。另外一个缺点是驱动波形存在失真，特别是在驱动大功率igbt时，由于igbt的输入电容比较大，脉冲变压器次级输出的驱动脉冲波形很难满足驱动要求。因此，这种驱动方式主要应用于小功率的开关电源中。对于高压大功率igbt，上述驱动方式显然无法应用。通常采用的方法是调制驱动脉冲信号，将其上升沿和下降沿转换为两个反相的窄脉冲信号，脉冲变压器只是将这两个脉冲信号耦合到次级，再通过次级重构的方法还原驱动脉冲信号。　此种方法可称为脉冲边缘耦合传递方式。这种方式的优点是脉冲变压器只传递脉冲宽度固定的窄脉冲信号，可以适应占空比宽范围变化的驱动脉冲信号。由于变压器传递的是窄脉冲信号，变压器的磁芯和绕组可以取比较小的值，相应的漏感和分布电容也比较小，这都有利于脉冲变压器的设计和信号的传输。不足之处是增加了变换和重构电路，电路相对比较复杂一些。图4为变换后脉冲变压器初级实验波形。　　2.3　内置dc/dc隔离变换器　　大功率igbt驱动模块为了方便用户对驱动电源的设计，内部通常都自带了dc/dc变换器。具有高隔离电压等级的dc/dc变换器无需用户单独设计隔离电源，集成的隔离变换器通常采用半桥式或推挽式的结构，为了增加隔离电压，简化变换器控制电路，一般不带闭环控制，个别驱动器在输出端增加了线性稳压电源来实现驱动电压的稳定。为了减小变压器的体积，工作频率多在100khz以上。在高压大功率应用场合，根据不同的母线电压，驱动器初次级之间必须要求具有很高的隔离电压耐量，900vdc的母线电压要求至少有4kv ac的隔离电压。另外一个必须考虑的因素是dv/dt耐量，当igbt高速开关时，可能产生非常高的dv/dt，此信号可以经过隔离变压器或脉冲变压器耦合到初级控制电路，对控制电路产生干扰。因此，在隔离变压器的设计时还要求其具有非常小的初次级耦合电容，根据对dv/dt耐量具体的要求来决定其变压器耦合电容容量大小，通常情况下都要小于20pf。　　变压器的制作工艺是实现上述高隔离电压的关键，为了增加隔离电压耐量，减小初、次级或次级之间的耦合电容，通常都是将绕组分开绕制，中间用绝缘档板分隔。有时还需要在磁芯表面涂上加厚的绝缘材料或者用三层绝缘线来绕制。　2.4　短路保护及门限调节　　当前普遍采用的igbt短路或过流保护方式是通过检测vce的电压值来实现的［5］，当igbt出现短路或过流时，其工作区将退出饱和区而使vce电压升高，具体的保护电路原理如图6所示。通过二极管d与igbt的集电极相连来实现igbt的欠饱和检测，vce电压升高将相应地使串联二极管的阳极电位升高，当超过设定的短路门限时保护电路动作，关断igbt。由于igbt在开通初期的集电极电压比较高，如果此时保护电路工作可能造成误动作，必须设置一个盲区时间，在此时间内短路保护电路是不工作的。此功能是通过开关s和外接并联电阻rce和电容cce来实现的，当igbt关断时，s开通，电容cce被充电到15v，当igbt开通时，s关断，cce电容经rce放电，　2.5　用户接口方式　　为了适应不同的厂商封装的igbt模块，igbt驱动器必须具有友好的用户接口。同时还要具有广泛的灵活性和经济的成本。目前市场上常见的驱动模块主要是采用焊接在pcb板上来实现与igbt的连接，比如：skhi22、2sd315a和2ed300c17等。为了方便安装，也有采用直插式的连接方式，由于驱动模块（驱动芯）只提供驱动器中最重要的通用功能，因此它在不同的应用中与不同模块的连接需要依靠接口板来完成。整个模块－驱动单元包括了一个具有弹簧接口的功率模块、一个标准版或增强版驱动芯以及连接驱动芯到指定模块的接口板。可以用户化的接口板有一个突出的优点：用户可以自己调整并决定igbt的开关特性，例如：通过调整rgon或rgoff来改变igbt开通或关断的速度;调整死区时间或禁止互锁功能;调整vce保护点和窗口时间等。与目前市场上的智能功率模块ipm相比较，接口板使得整个系统变得更加灵活，更易于适应不同的应用。而一旦系统参数被设定后，整个系统可以如同ipm一样使用方便。semix模块与接口板的电气连接是通过semix模块中内置的弹簧与接口板底层的触点来实现的。装配完成后，接口板的触点触压模块的弹簧触点，通过压力接触完成电气连接。与焊接技术相比，触压提高了功率模块的可靠性。2.6　高度集成化　　驱动器的发展的趋势是高度集成化，这样可以减小驱动器的体积，并且可以与igbt更为紧密地结合，使其安装更方便，减小驱动器与igbt模块之间的连接线长度，减小引线电感。为了实现这一目标，目前国外某些公司开发的igbt驱动模块都采用了自主研发的专用集成电路asic，比如：semikron公司的skic2001a和concept公司的ldi001和lgd001，通过asic的应用，可以将大部分的控制和保护功能用ic来实现，极大地减小了驱动器的体积和增加了igbt驱动器的可靠性。3　高压大功率igbt驱动模块的发展趋势　　igbt作为一种复合性的功率半导体，由于其低功耗，高开关频率和较大的电流容量，特别是在大功率变换器中正在得到越来越广泛的应用，对于其驱动电路的要求也将会越来越高，主要的技术发展方向体现在以下几方面。　　（1）　更高的集成度　　目前大功率igbt驱动模块的体积还比较大，为了增加隔离电压耐量，通常都会采用变压器来实现隔离，变压器的体积和重量相对比较大，而且比较难于实现集成化。因此，未来的驱动器会采用体积更小、更容易集成化的隔离器件，比如：应用压电式变压器或者先进的磁集成技术来减小隔离元件的体积和重量，增加集成度［7］。可以预见的是未来大功率igbt必将和其驱动电路集成在同一个模块内部，用户只需要将控制信号直接引入功率模块就可以实现对igbt的控制。　　（2）　更高的隔离电压　　当前驱动器都是采用光耦和变压器来实现隔离，光耦的优点是体积小，但存在隔离电压比较低、容易老化和延迟较大等不足。变压器隔离的隔离电压较高，延迟较小，但体积较大。因此，在需要高压隔离的场合还多数采用变压器来实现隔离，当前，变压器隔离的驱动模块的最高隔离电压大约为3300v左右。而igbt的最高电压等级已经达到6500v，为了适应更高电压应用场合，必须采用隔离电压更高的驱动器。　　（3）　更大的驱动功率　　igbt模块的容量在不断增加，单个模块的电流容量已经可以做到3600a，有时为了增加容量，通常采用并联的方式工作，对驱动器的驱动功率也提出了更高的要求，驱动器的最大输出电流必须相应地增加，特别是在多个模块并联应用时，驱动器平均输出功率要求达到5w～10w，瞬时最大输出电流要求达到30a以上。　　（4）　更高的开关频率　　为了适应在感应加热电源等方面的应用，igbt的开关频率不断增加，随着制造技术的发展，igbt最高的开关频率已经可以做到100khz以上，已经可以部分替代功率mos管，对于驱动器来讲，意味着必须提供更大的驱动功率，而且还要驱动器具有更短的驱动脉冲延迟时间和上升、下降时间，提供更大的瞬时最大驱动电流等。　　（5）　更完备的功能　　现在广泛应用的门极驱动技术无法实现对igbt开关过程中引起的di/dt，dv/dt的控制，从而控制变换电路的emi。有源门极驱动技术可以有效地控制igbt开关造成的较高的di/dt，dv/dt，相应地可以使igbt工作在更加安全的工作区，减小其开关过程中产生的emi，相应地减小igbt的缓冲吸收电路。其中三段有源门极驱动技术是一种应用前景比较广泛的有源门极驱动技术［8］。另外，为了满足串、并联igbt应用的需要，驱动器还必须具备动态均压和均流功能。4　结束语　　igbt作为电力电子系统的一种关键的电力半导体器件已经持续增长了若干年，由于它使电力电子装置和设备实现了更高的效率，更高的开关频率和功率变换装置小型化的设计，随着性能不断提升，igbt器件的应用领域已经扩展到更宽的范围，不仅在工业中，而且在许多其他功率变换系统中，它已经取代了大功率双极晶体管（gtr）、功率mos场效应管（mosfet），甚至出现替代门关断晶闸管（gto）的现实趋势。大功率igbt驱动模块技术将不断完善，集成度也将提高，进而减小igbt功耗和emi，提高系统的可靠性。随着igbt制造技术的发展，和应用领域将进一步增加，对于其驱动器的性能的要求也在不断提高，各驱动器制造商为了适应新一代igbt的性能，正在研发性能更加完善的igbt驱动器产品。
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