igbt驅(qū)動(dòng)器的隔離技術(shù)分析

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1、中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)電力電子學(xué)會(huì)第十一屆學(xué)術(shù)年會(huì)IGBT驅(qū)動(dòng)器的隔離技術(shù)分析張黎1尹向陽21)重慶通信學(xué)院電力工程系，重慶4000352)廣州金升陽科技有限公司，廣州5106601)Email：zlier1026@163.com2)Email：george@mornsun.cn摘要詳細(xì)說明了IGBT驅(qū)動(dòng)器中常用隔離技術(shù)的基本原理與特點(diǎn)，通過比較得出各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，指出了在驅(qū)動(dòng)器的隔離設(shè)計(jì)中需要注意的問題。分析了兩種新的驅(qū)動(dòng)隔離方式，并對(duì)驅(qū)動(dòng)器隔離技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了總結(jié)。關(guān)鍵詞IGBT驅(qū)動(dòng)器；隔離；電平移位；空芯變壓器；壓電變壓器1．引言便于集成化，在半橋式集成驅(qū)動(dòng)器（HVIC）中廣泛采絕

2、緣柵雙極性晶體管（IGBT）是MOS柵器件結(jié)用此種方式來實(shí)現(xiàn)高端開關(guān)器件的浮地驅(qū)動(dòng)[3]，比如：構(gòu)與雙極性晶體管相結(jié)合的復(fù)合型功率開關(guān)器件，兼IR2110。但該種方式輸入與輸出級(jí)在電氣上沒有完全具功率MOSFET的高速、高輸入阻抗與雙極性晶體管隔離，不適用于要求控制器與功率變換電路保證嚴(yán)格的低導(dǎo)通電阻性能，是高壓、大電流功率變換應(yīng)用中電氣隔離的應(yīng)用，比如：高電壓應(yīng)用場合以及對(duì)隔離的主要功率半導(dǎo)體器件。驅(qū)動(dòng)器作為IGBT與控制器電壓耐量要求較高的場合。而且，當(dāng)半橋直流母線電之間的接口電路，對(duì)系統(tǒng)的功耗和可靠性等方面有著壓增高時(shí)，由于源極浮地端電壓升高，上管驅(qū)動(dòng)器的極大的影響[1]。驅(qū)動(dòng)器的主

3、要功能是放大控制信號(hào)以N型MOS管開通時(shí)所承擔(dān)的電壓和電流都將增大，相及為IGBT提供保護(hù)；為了保證控制器安全可靠工作，應(yīng)的功耗也隨之增大，在集成電路內(nèi)部所要求的絕緣工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求在驅(qū)動(dòng)器中實(shí)現(xiàn)控制器與功率部分的安層的厚度必將增加，集成化難度加大，成本明顯上升，全可靠隔離[2]。另外，在常用的半橋式電路中，由于因此，此種隔離方式只適用于直流母線電壓低于600V上管源極為浮地，上、下管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)也要隔離才能的場合，比如：家用電器和車載逆變器等。保證電路正常工作。因此，隔離方式的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到IGBT驅(qū)動(dòng)器的可靠性。常用的隔離方式包括：電平移位、光耦隔離、光纖隔離和脈沖變壓器隔離等，各自不同的特

4、點(diǎn)決定了其適用于不同的應(yīng)用場合。本文對(duì)它們的基本原理、特點(diǎn)以及應(yīng)用技術(shù)等方面進(jìn)行全面的分析與比較，得出IGBT驅(qū)動(dòng)器中有關(guān)隔離技術(shù)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。圖1電平移位式隔離方式原理圖2．IGBT驅(qū)動(dòng)器常用的隔離方式2.1電平移位方式電平移位（Levelshifter）式隔離方式電路原理如圖1所示，圖2為采用電平移位的自舉式（bootstrap）驅(qū)動(dòng)半橋集成電路（HVIC）的外部連接圖，其工作原理為：當(dāng)圖1中的N型MOS管關(guān)斷時(shí)，通過圖2中的電阻R1、二極管D1給接在輸出電源與地之間的電容C1充電，此時(shí)輸入與輸出是共地的；而當(dāng)N型MOS管開通時(shí)，P型MOS管開通，電容C1通過P型MOS管加在負(fù)載端為其供

5、電，此時(shí)的高端IGBT或MOSFET圖2自舉式HVIC的外部連接圖的源極為浮地狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)輸出與輸入的隔離。由2.2光耦隔離方式此可見，電平移位式隔離方式不是嚴(yán)格意義上的隔離，通常的隔離方式有光隔離和磁隔離，光耦隔離方而是一種準(zhǔn)隔離的方式。此種方式的特點(diǎn)是電路元件式由于隔離電壓相對(duì)較低，存在傳輸延遲、老化和可少，無需單獨(dú)的隔離元件與隔離電源，成本相對(duì)較低，靠性等方面的問題。而采用脈沖變壓器隔離方式（磁隔離）可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)較高的隔離電壓，而且變壓器的重慶市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（資助號(hào)：2007BB2107）可靠性高，傳輸延遲小，可以實(shí)現(xiàn)較高的開關(guān)頻率，中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)電力電子學(xué)會(huì)第十一屆學(xué)術(shù)年會(huì)

6、不存在老化的問題，因此，在高壓IGBT驅(qū)動(dòng)器中多高的開關(guān)頻率，不存在老化的問題，因此在高壓IGBT數(shù)采用脈沖變壓器作為隔離元件來完成驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔驅(qū)動(dòng)器中多數(shù)采用脈沖變壓器作為隔離元件來完成驅(qū)離傳輸。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)用脈沖變壓器通常要求控制脈沖動(dòng)信號(hào)的隔離傳輸。常見的脈沖變壓器隔離傳輸脈沖占空比小于50%，脈沖變壓器磁芯的飽和問題也限制信號(hào)方式是將脈沖信號(hào)完整耦合到次級(jí)后驅(qū)動(dòng)IGBT，了控制脈沖的導(dǎo)通時(shí)間。還存在驅(qū)動(dòng)波形失真，特別此種方法要求脈沖占空比小于50%，導(dǎo)通時(shí)間也受到是在驅(qū)動(dòng)大功率IGBT時(shí)，由于IGBT的輸入電容比較磁芯飽和特性的限制，大功率驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中波形失真等大，脈沖變壓器次級(jí)輸出的

7、驅(qū)動(dòng)脈沖波形很難滿足驅(qū)問題。而在高壓大功率驅(qū)動(dòng)方面，通常采用的方法是動(dòng)要求。調(diào)制驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，將其上升沿和下降沿轉(zhuǎn)換為兩個(gè)同相或反相的窄脈沖信號(hào)，脈沖變壓器只是將這兩個(gè)4VCC故障檢測故障1脈沖信號(hào)耦合到次級(jí)，再通過次級(jí)解調(diào)重構(gòu)的方法還14電路檢測原驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)。其工作原理如圖5所示。定時(shí)及復(fù)位電路接口5輸出G門極關(guān)斷故障變換重構(gòu)813電路輸出6VEES圖5脈沖邊緣耦合傳遞方式圖3光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路這種方式的優(yōu)點(diǎn)是脈沖變壓