中國是電力電子出口的大國，我國的造紙工藝來源于古代。下面我介紹一下IGBT驅(qū)動技術(shù)在怎樣在造紙行業(yè)稱霸的!?
?? 電力電子技術(shù)在當(dāng)今急需節(jié)能降耗的工業(yè)領(lǐng)域里起到了不可替代的作用;而IGBT在諸如變頻器、大功率開關(guān)電源等電力電子技術(shù)的能量變換與管理應(yīng)用中，越來越成為各種主回路的首選功率開關(guān)器件，因此如何安全可靠地驅(qū)動IGBT工作，也成為越來越多的設(shè)計工程師面臨需要解決的課題。
在使用IGBT構(gòu)成的各種主回路之中，大功率IGBT驅(qū)動保護電路起到弱電控制強電的終端界面(接口)作用。因其重要性，所以可以將該電路看成是一個相對獨立的“子系統(tǒng)”來研究、開發(fā)及設(shè)計。
大功率IGBT驅(qū)動保護電路一直伴隨IGBT技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，現(xiàn)在市場上流行著很多種類非常成熟的大功率IGBT驅(qū)動保護電路專用產(chǎn)品，成為大多數(shù)設(shè)計工程師的首選;也有許多的工程師根據(jù)其電路的特殊要求，自行研制出各種專用的大功率IGBT驅(qū)動保護電路。本文對這些大功率IGBT驅(qū)動保護電路進行分類，并對該電路需要達到的一些功能進行闡述，最后展望此電路的發(fā)展。此外本文所述大功率IGBT驅(qū)動保護電路是指應(yīng)用于直流母線電壓在650V～1000V范圍、輸出電流的交流有效值在100A～600A范圍的場合。
2 大功率IGBT驅(qū)動保護電路的分類
按照大功率IGBT驅(qū)動保護電路能夠完成的功能來分類，可以將大功率IGBT驅(qū)動保護電路分為以下三種類型:單一功能型、多功能型、全功能型。
2.1 單一功能型
單一功能型的大功率IGBT驅(qū)動保護電路一般是由光耦和功率緩沖器構(gòu)成，如HCPL-3150等，如圖1所示。它將普通控制信號的TTL/CMOS輸入電平信號轉(zhuǎn)變?yōu)檎撌畮追腎GBT門極驅(qū)動輸出電平，正負電平的幅值取決于隔離電源。
圖1 HCPL-3150原理框圖及引腳示意圖
工程師進行設(shè)計時可將它配上隔離電源電路、死區(qū)控制電路、邏輯處理電路、門極驅(qū)動電阻等，就可直接驅(qū)動IGBT，形成最簡單的大功率IGBT驅(qū)動保護電路;也可以自己配上一些外圍電路形成多功能型驅(qū)動器。
單一功能型的大功率IGBT驅(qū)動保護電路的最大優(yōu)點是應(yīng)用靈活、成本較低。它既可以應(yīng)用于諸如斬波、BOOST等需要單只IGBT運行的主回路，也可以應(yīng)用于由多只IGBT組成的半橋、單相全橋、三相全橋等主回路。由于需要另配隔離電源電路、邏輯處理電路等，所以留給設(shè)計工程師的開發(fā)任務(wù)量大，這也是單一功能型的大功率IGBT驅(qū)動保護電路的最大缺點。這里的邏輯處理電路一般是指上電順序邏輯及各類保護處理等功能。
此外像HCPL-3150等驅(qū)動器的驅(qū)動能力有限，一般都在3A以下，如果驅(qū)動600A以上的IGBT就需要外接更大的功率緩沖電路或采取其它措施。
2.2 多功能型
多功能型的大功率IGBT驅(qū)動保護電路除了提供直接驅(qū)動IGBT的功能之外，還可以提供完善的保護功能，如HCPL-316J、M57962等，如圖2和圖3所示，它們一般采用混合厚膜封裝技術(shù)或者采用集成封裝技術(shù)，可以直接兼容CMOS/TTL電平。工程師進行設(shè)計時一般只需要配上隔離電源電路、死區(qū)控制電路、邏輯處理電路、門極驅(qū)動電阻等，就可以成為一個較為完整的大功率IGBT驅(qū)動保護電路。
M57962、HCPL-316J等驅(qū)動器本身具有較完整的保護功能，集成度高。其最大的優(yōu)點是使開發(fā)人員的工作得到簡化，而且可靠性高，非常適于多路驅(qū)動的場合。但是由于它們的驅(qū)動能力也有限，如果驅(qū)動更高功率的IGBT，也需要外接更大的功率緩沖電路。
M57962、HCPL-316J等驅(qū)動器一般提供軟關(guān)斷功能，在需要保護IGBT退出過流、短路狀態(tài)時，這個功能非常重要，它可以使IGBT的NPNP四層結(jié)構(gòu)免于進入“可控硅栓鎖”狀態(tài)。此外像HCPL-316J等驅(qū)動器還具備欠壓鎖定保護功能，這大大簡化了設(shè)計者的工作。
2.3 全功能型
全功能型的大功率IGBT驅(qū)動保護電路除了具有各類完善的保護功能之外，還都無一例外地配置了DC/DC隔離電源，如2SD315AI(Concept)、SKYPERTMPRO(Semikron)、2ED300C17-S(Eupec)等。都是目前國際上著名的全功能型驅(qū)動器。
3 大功率IGBT驅(qū)動保護電路的功能
根據(jù)不同的應(yīng)用需要，大功率IGBT驅(qū)動保護電路可以由多個功能組成一個相對完整的獨立子系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要任務(wù)是完成“接口”工作:
3.1 隔離功能
由于產(chǎn)生波形邏輯的控制電路與功率主回路之間存在電平差異，而且功率主回路存在非常高的電磁干擾，這就需要進行信號傳遞的隔離及電源供給的隔離。信號隔離有兩種方式:光耦隔離方式及脈沖變壓器隔離方式。
光耦隔離方式的優(yōu)點是轉(zhuǎn)換電路簡單，易于應(yīng)用。由于上升延時及下降延時在500ns左右的量級，所以適用在頻率較低的領(lǐng)域。如果需要故障回傳到主控系統(tǒng)，則需要另外一路光耦。為了方便使用，也有將這兩個光耦集成在一個封裝之內(nèi)的產(chǎn)品，如HCPL-316J等等。目前市場上光耦隔離方式的最大工作隔離電壓VIORM在3500V左右。
脈沖變壓器隔離方式的轉(zhuǎn)換電路相對復(fù)雜，一般需要使用專用集成電路，但是由于其運行速度高，適用在頻率較高的領(lǐng)域，而且故障回傳不需要其它繞組，隔離通道相對簡單。只要空間位置允許，變壓器隔離可以因為繞制工藝的改進做到非常高。此外一些對動態(tài)的隔離有要求的應(yīng)用場合，要求隔離電路的dv/dt耐量非常高，而使用脈沖變壓器隔離則可以達到75kV/μs以上的水平。
電源供給隔離一般采用不共地的DC/DC變換器，其變壓器隔離耐壓一般是母線電壓的3倍以上，變換器的二次側(cè)必須能夠提供正負電源。
3.2 死區(qū)隔離功能
驅(qū)動死區(qū)隔離的設(shè)置(見圖7陰影部分)對于半橋、全橋主回路來說是非常重要的。它一般是使用R、C電路來實現(xiàn)的。R、C電路的優(yōu)點是簡單，抗干擾能力強，缺點是容易受溫度影響，成本較高，需要占據(jù)寶貴的PCB板件的面積，死區(qū)時間的調(diào)整間隔偏大。
針對上述R、C電路的缺點，很多具有開發(fā)能力的用戶愿意使用“數(shù)字”的方式來獲得死區(qū)。其最大的優(yōu)點是溫度穩(wěn)定性好，由于調(diào)整步距僅僅與時鐘信號頻率有關(guān)，可以做到很精細，利于優(yōu)化算法及主回路系統(tǒng)。
3.3 驅(qū)動功率的緩沖功能
對于輸出額定電流在100A以上的IGBT來說，雖然屬于具有高阻輸入的場控器件，但是由于寄生電容的存在以及彌勒效應(yīng)，在短時內(nèi)(微秒或亞微秒)需要向IGBT的輸入端輸入或抽出較大的電流，從幾百毫安到十幾個安培不等，視IGBT及主回路的參數(shù)來確定。因此在功率容量上普通的邏輯電路及邏輯緩沖電路均無法勝任，需要專門設(shè)計的功率緩沖電路來解決。這一類功率緩沖電路基本都是采用圖騰柱輸出級。很多產(chǎn)品選用雙極型器件如M57962L等，也有選用單極型器件的如2SD315AI等，更有采用混合型器件，其上管選用雙極型器件，下管選用單極型器件如HCIPL-316J等等。為了滿足瞬間能夠源出、吸入十幾個安培，去耦電容的選擇及布局顯得極為重要。一般選用具有良好高頻特性的獨石電容，在PCB布局時要求盡量緊靠圖騰柱。
功率緩沖級的電源供給的容量也是非常重要的，視IGBT的門極電荷以或門極電容參數(shù)以及主回路工作頻率來確定。功率緩沖級電路如圖8所示，它的隔離耐壓水平與信號傳遞電路的耐壓水平要求等同。
3.4 檢測及保護功能
3.4.1 過流檢測及保護
一般采用間接電壓法。當(dāng)IGBT出現(xiàn)過流情況時，Vce飽和壓降增大，因此通過檢測IGBT導(dǎo)通時的Vce飽和壓降與設(shè)定的閾值進行比較就可以判斷是否出現(xiàn)過流。為了提高抗干擾能力，出現(xiàn)了很多的基準(zhǔn)設(shè)置及比較方法，避免功率主回路出現(xiàn)頻繁“打嗝”甚至停機的現(xiàn)象。此外如何安全地關(guān)斷一只甚至多只并聯(lián)處于過流之中的IGBT也需要仔細考慮，目前多數(shù)采用軟關(guān)斷方法避免IGBT進入“栓鎖”狀態(tài)。
3.4.2 欠壓檢測及保護
一般情況下，IGBT柵極電壓Vge需15V才能使IGBT進入深飽和;如果Vge低于13V，在大電流時，CE之間過高的導(dǎo)通壓降將使IGBT芯片溫度急劇上升;當(dāng)柵極電壓低于10V，IGBT將工作于線性區(qū)并且很快因過熱而燒毀;因此需要對Vge的電壓進行欠壓檢測。在2ED300C17-S、SKYPERTMPRO等全功能型驅(qū)動器的二次側(cè)上都集成了該功能。
3.4.3 溫度檢測及保護
在一些公司生產(chǎn)的IGBT模塊上，還集成了溫度傳感器，只需將該溫度傳感器的信號連接到驅(qū)動器的相應(yīng)檢測電路上，就能實現(xiàn)驅(qū)動器對IGBT溫度的檢測。由于傳感器安放在IGBT的芯片附近，可以更加真實地反映出IGBT芯片的實際溫度，所以可以更加可靠地保護IGBT模塊。
3.4.4 保護功能的邏輯處理
一旦IGBT模塊出現(xiàn)了上述的任何一個故障，都需要進入保護狀態(tài)，所以保護功能的邏輯處理是最關(guān)鍵的一環(huán)，也是最難于設(shè)計的一環(huán)，而且一般也是由設(shè)計工程師自己來開發(fā)完成的。它的處理原則是:當(dāng)某一只IGBT出現(xiàn)了故障，要求保護邏輯處理做到:
(1)盡可能不停機;
(2)要防止事故進一步擴大;
(3)要求對報警信號進行真假的甄別。
這需要采取軟件與硬件結(jié)合設(shè)計的方法來實現(xiàn)“智能保護邏輯處理”。系統(tǒng)不同，管理保護的邏輯處理設(shè)計也不同。一般采取的措施是:首先安全關(guān)斷“問題IGBT”，然后根據(jù)系統(tǒng)的要求判斷是否需要關(guān)斷更多的IGBT，直至停機。同時要求每一個步驟都設(shè)定一個合適的延時，以便濾除偽信號。
3.5 短脈沖抑制功能
在驅(qū)動信號的傳輸過程中，由于干擾、計算誤差等原因會造成在驅(qū)動信號上出現(xiàn)一些短脈沖，也叫“毛刺”;如果驅(qū)動器按照這些短脈沖進行相應(yīng)的IGBT開關(guān)，則會造成輸出波形變差，因此必須對此類短脈沖進行抑制。
4 技術(shù)展望
4.1 門極驅(qū)動電壓提升
目前IGBT的開通電壓一般采用 15V電壓源驅(qū)動，有人已經(jīng)提出發(fā)展恒流源驅(qū)動的方法，認為可以克服IGBT的“米勒”電容效應(yīng)，使IGBT的導(dǎo)通更加可靠。IGBT的關(guān)斷電壓從最初的0V，到后來的-7V左右，低頻下普遍使用-15V。
4.2 逐個脈沖軟關(guān)斷
現(xiàn)在大部分大功率IGBT驅(qū)動保護電路在正常運行時的關(guān)斷方式為硬關(guān)斷，只有在出現(xiàn)過流的情況下才會采用軟關(guān)斷的方式。而在感性負載情況之下，IGBT關(guān)斷之后為了保持電流的連續(xù)性，必然會有一只續(xù)流二極管導(dǎo)通，此時會在功率母線的寄生電感上產(chǎn)生一個尖峰電壓:Δv=L×di/dt，除了寄生電感L及關(guān)斷電流的大小影響之外，如果硬關(guān)斷越快，即dt越小，則尖峰電壓Δv越高。而對于應(yīng)用在較低頻狀況下的大功率IGBT，由于電流在幾百安培，所以逐個脈沖進行軟關(guān)斷將會大大降低尖峰電壓Δv，使尖峰電壓Δv產(chǎn)生的干擾會大幅減小，可以提高系統(tǒng)的可靠性。一些IGBT生產(chǎn)廠商也在著手開發(fā)具有軟關(guān)斷特性的IGBT芯片。
4.3 過流檢測保護閾值(參考基準(zhǔn))設(shè)置方法
當(dāng)前大部分大功率IGBT驅(qū)動保護電路對過流檢測的保護閾值只有一個，一般常規(guī)值設(shè)在7V～9V。為了防止誤報警，出現(xiàn)了一些不同的閾值設(shè)置方法。
變閾值設(shè)置方法:在IGBT從截止?fàn)顟B(tài)剛剛進入飽和狀態(tài)期間(約幾個微秒至十幾個微秒)，保護閾值可以從15V(或者更高)按照一定的曲線降至常規(guī)設(shè)置值，可以避免在此期間的擾動的偽信號造成誤報警;
多閾值設(shè)置方法:為了更為符合實際的工況應(yīng)用情況，降低停機率，可以采用多閾值保護。比如IGBT的飽和壓降達到第一閾值時，采用降低柵極電壓的處理方式;達到更高的第二閾值時，才徹底關(guān)斷IGBT。
4.4 更加貼近驅(qū)動對象
目前，針對各種工況下使用的IGBT，例如高壓變頻器、UPS、逆變焊機等應(yīng)用場合，均有不同的大功率IGBT驅(qū)動保護電路推出。這些驅(qū)動器的原理大致相同，但更加貼進各自的驅(qū)動對象。
4.5 與智能功率模塊(IPM)分別在不同的功率領(lǐng)域并行發(fā)展
IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動電路，只需提供控制信號即可工作，主要應(yīng)用中小功率場合;而大功率IGBT驅(qū)動保護電路一般用于大功率場合，對大功率的IGBT進行驅(qū)動。隨著IGBT生產(chǎn)工藝，硅片技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)的不斷進步和發(fā)展，大功率IGBT驅(qū)動保護電路與IPM均在各自的功率領(lǐng)域并行發(fā)展。
5 大功率IGBT驅(qū)動保護電路發(fā)展所受到的的限制
成本價格的限制，是對大功率IGBT驅(qū)動保護電路發(fā)展的最大限制。一個好的大功率IGBT驅(qū)動保護電路面對要解決的問題較廣泛、復(fù)雜，可靠性的要求卻非常之高。所以成本因素極大地限制了全功能型大功率IGBT驅(qū)動保護電路的發(fā)展，而價格適中的多功能型大功率IGBT驅(qū)動保護電路是大多數(shù)工程師們的首選產(chǎn)品。對于肯在主回路上進行電流直接取樣投資的工程師來說，單一功能的驅(qū)動電路則是他們的首選。
6 結(jié)束語
大功率IGBT驅(qū)動保護技術(shù)的發(fā)展完全是受到IGBT發(fā)展的影響而發(fā)展的，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進一步發(fā)展，新的器件乃至新型的IGBT的誕生，以及新的主回路拓撲的誕生，會出現(xiàn)新穎的驅(qū)動保護技術(shù)。