Введение 1

потому чтоIGBTвстали на сторонупереключательБлагодаря высокой частоте, низкому энергопотреблению при проводимости и удобному управлению затвором, он широко используется в системах преобразования высокой мощности. В приложениях с IGBT, помимо собственного технического уровня, важным фактором является разумность и надежность конструкции драйвера. Управление IGBT как источник питаниясхемамежду контроллером иинтерфейсСхема драйвера тесно связана с энергопотреблением и надежностью системы. Оптимизированный драйвер незаменим в системе преобразования энергии. Выбор подходящей схемы драйвера тесно связан с надежностью всего преобразовательного решения.

Драйвер в основном выполняет следующие три функции. Первая — это функция управления, которая обеспечивает достаточную мощность для IGBT-переключателя.текущийВо-первых, чтобы обеспечить надежное включение и выключение IGBT под его управлением; во-вторых, драйвер должен иметь функцию защиты. Когда IGBT возникаеткороткое замыканиеOr when there is overcurrent, the driver can turn off the igbt in the shortest time to protect the power device.Кроме того, в высоковольтных и мощных системах драйвер, выступая в качестве связующего звена между цепью управления и цепью питания, должен обладать функцией электрической изоляции, чтобы гарантировать, что цепь управления не будет подвергаться помехам и влиянию цепи питания.Исходя из необходимости выполнения вышеуказанных трех функций, водитель также должен учитывать взаимосвязь между гибкостью, производительностью и ценой.

Из-за различий в токовых характеристиках и уровнях напряжения IGBT существуют также различия в технических требованиях к их драйверам. В маломощных приложениях, поскольку управляющий ток относительно невелик, чаще всего используются интегральные драйверы. В мощных и высоковольтных приложениях, таких как мощные источники бесперебойного питания (ИБП), используются высоковольтные драйверы.Преобразователь частотыи т. д., что требует от драйвера обеспечения большего тока управления, более высокого напряжения изоляции и более полных функций защиты. В данной статье рассматриваются широко используемые в настоящее время на рынке мощные модули управления на основе IGBT, такие как SKHI22 от Semikron и 2SD315A от Concept и др., и анализируются некоторые из их общих технических характеристик, конструктивных особенностей и будущих тенденций развития технологии мощных IGBT-управлений.

2 Analysis of technical characteristics

2.1 Полный набор функций обработки сигналов

В высоковольтных и мощных приложениях крайне важно обеспечить надежность управляющего сигнала IGBT, учитывая такие факторы, как сильные помехи, создаваемые переключателем, и высокую стоимость IGBT. Поэтому в мощных модулях управления IGBT обычно имеется функция полной предварительной обработки импульсного сигнала управления, цель которой — обеспечить надежность импульсного сигнала затвора IGBT. К распространенным функциям обработки управляющего сигнала относятся следующие:

(1) Функция двухканальной импульсной блокировки

Когда модуль управления выдает два импульсных сигнала для управления верхним и нижним IGBT-транзисторами на одном и том же плече моста, если управляющий сигнал одновременно управляет проводимостью двух IGBT-транзисторов, произойдет сквозное короткое замыкание, которое может привести к повреждению IGBT-транзисторов или других устройств. Для предотвращения такой ситуации внутри модуля управления предусмотрена схема блокировки сигналов, обеспечивающая одновременное понижение уровня обоих входных импульсных сигналов при одновременном высоком уровне обоих выходных сигналов, что предотвращает сквозное замыкание. При необходимости независимого управления двумя управляющими сигналами функция блокировки может быть экранирована через внешние клеммы.

(2) Функция подавления узкого импульса

Узкоимпульсный сигнал, вызванный управляющей схемой или помехами и т. д., подается на затвор IGBT через драйвер, что может привести к слишком короткому времени переключения IGBT. Слишком короткий импульсный сигнал приводит к выключению IGBT до полного включения, что негативно сказывается на выходном сигнале преобразователя, увеличивает потери при переключении IGBT и снижает эффективность системы. В драйвере предусмотрена фильтрующая схема для удаления узкоимпульсных сигналов, что способствует повышению надежности IGBT.

(3) Функция установки мертвого времени

В полумостовом режиме работы необходимо поочередно включать оба IGBT-транзистора. Чтобы предотвратить одновременное включение обоих IGBT-транзисторов в процессе переключения, необходимо добавить определенное мертвое время при попеременном включении обоих транзисторов. В зависимости от характеристик IGBT-транзисторов, мертвое время различно. В двухканальном модуле управления высокой мощностью предусмотрена внутренняя схема управления мертвой зоной, размер которой можно регулировать различными способами подключения внешних клемм, например, путем подключения внешних клемм различной мощности.емкость(2sd106) or high and low level (skhi22a/b).

На рисунке 1 показана семикаПЗУБлок-схема обработки сигнала мощного драйвера IGBT компании [3] включает в себя различные функциональные модули обработки сигнала, предназначенные для обеспечения надежности управляющего сигнала IGBT.

2.2 Изолированный способ передачи управляющих сигналов

Учитывая, что драйвер высоковольтного и мощного IGBT работает в высоковольтной среде, для обеспечения защиты контроллера от воздействия высокого напряжения необходимо изолировать импульсный сигнал управления и передать его на затвор IGBT. Распространенные методы изоляции включают оптическую и магнитную изоляцию. Оптическая изоляция включает в себяОптопараизоляция иоптоволокноМетод оптоизоляции имеет такие проблемы, как задержка передачи, старение и снижение надежности из-за относительно низкого напряжения изоляции. Он редко используется в высоковольтных приложениях, где напряжение шины постоянного тока превышает 800 В.импульсный трансформаторIsolation method (magnetic isolation) can achieve relatively high isolation voltage, andтрансформаторОн обладает высокой надежностью, малой задержкой передачи, позволяет достигать более высокой частоты переключения и не имеет проблем, связанных со старением. Поэтому в большинстве высоковольтных драйверов IGBT в качестве разделительных компонентов для обеспечения изолированной передачи управляющих сигналов используются импульсные трансформаторы.

The traditional driving pulse transformer isolates the amplified pulse signal and directly drives the IGBT or power MOS tube. Its basic circuit principle is shown in Figure 2. The function of the primary series capacitor is to remove the DC component of the drive pulse. The secondary parallel voltage regulator tube is used to prevent the output voltage from being too high and damaging the power switch tube. This working method does not require a separate driving power supply, the circuit design is simple, and the cost is relatively low. However, when the duty cycle of the driving pulse varies widely, especially when the duty cycle is relatively large, since the volt-second area of ​​the transformer output waveform in one cycle must be equal, the amplitude of the output positive pulse may be reduced, making it impossible to drive the igbt normally. The control pulse duty cycle is usually required to be less than 50%. At the same time, the pulse transformerмагнитный сердечникПроблема насыщения также ограничивает длительность управляющего импульса. Другим недостатком является искажение формы управляющего сигнала, особенно при работе с мощными IGBT-транзисторами. Из-за относительно большой входной емкости IGBT-транзисторов форма управляющего импульса на вторичном выходе импульсного трансформатора с трудом соответствует требованиям управления. Поэтому этот метод управления в основном используется в маломощных устройствах.импульсный источник питаниясередина.

For high-voltage and high-power IGBT, the above driving method obviously cannot be applied. The commonly used method is to modulate the driving pulse signal and convert its rising edge and falling edge into two inverted narrow pulse signals. The pulse transformer just converts these two pulse signals.связьна вторичном уровне, а затем восстановить управляющий импульсный сигнал с помощью метода вторичной реконструкции. Принцип его работы показан на рисунке 3.

Этот метод можно назвать методом передачи с использованием импульсной связи по фронту импульса. Преимущество этого метода заключается в том, что импульсный трансформатор передает только узкие импульсные сигналы с фиксированной шириной импульса и может адаптироваться к управляющим импульсным сигналам с широким диапазоном изменений коэффициента заполнения. Поскольку трансформатор передает узкие импульсные сигналы, сердечник и обмотки трансформатора могут иметь относительно малые значения, а соответствующая индуктивность рассеяния и распределенная емкость также относительно малы, что выгодно для проектирования импульсного трансформатора и передачи сигнала. Недостатком является добавление схемы преобразования и восстановления, что делает схему относительно сложной. На рисунке 4 показана первичная экспериментальная осциллограмма импульсного трансформатора после преобразования.

Для упрощения проектирования источников питания для драйверов, мощные модули управления IGBT обычно оснащаются встроенным DC/DC преобразователем. DC/DC преобразователи с высоким уровнем изолирующего напряжения не требуют отдельного проектирования изолированного источника питания. Интегрированные изолирующие преобразователи обычно используют полумостовую или двухтактную структуру. Для повышения изолирующего напряжения и упрощения схемы управления преобразователем они, как правило, не имеют замкнутого контура управления. Некоторые драйверы добавляют линейный стабилизированный источник питания на выходе для стабилизации управляющего напряжения. Для уменьшения размеров трансформатора рабочая частота, как правило, превышает 100 кГц. В высоковольтных и мощных приложениях, в зависимости от напряжения шины, драйвер должен иметь высокий допуск по изолирующему напряжению между первичной и вторичной обмотками. Для напряжения шины 900 В постоянного тока требуется как минимум изолирующее напряжение 4 кВ переменного тока. Еще один фактор, который необходимо учитывать, — это допуск dv/dt. При высокоскоростном переключении IGBT может генерироваться очень высокий dv/dt. Этот сигнал может передаваться в первичную цепь управления через разделительный трансформатор или импульсный трансформатор, вызывая помехи в цепи управления. Поэтому при проектировании разделительного трансформатора также требуется очень малая первичная и вторичная емкости связи. Величина емкости связи трансформатора определяется в соответствии с конкретными требованиями к устойчивости к dv/dt и обычно составляет менее 20 пФ.

Процесс изготовления трансформатора является ключом к достижению вышеупомянутого высокого напряжения изоляции. Для повышения допустимого напряжения изоляции и уменьшения емкости связи между первичной, вторичной или вторичной обмотками обычно наматываются отдельно и разделяются изоляционными перегородками. Иногда необходимо покрыть поверхность магнитного сердечника утолщенным изоляционным материалом или намотать его в три слоя изолированного провода. На рисунке 5 представлена ​​принципиальная схема конструкции трансформатора модуля драйвера IGBT 2ED300C17 компании EUPEC [4].

2.4 Защита от короткого замыкания и регулировка порогового значения

В настоящее время наиболее распространенный метод защиты IGBT от короткого замыкания или перегрузки по току реализуется путем обнаружения значения напряжения VCE [5]. При коротком замыкании или перегрузке IGBT его рабочая область выходит за пределы зоны насыщения, и напряжение VCE увеличивается. В частности,схема защитыПринцип показан на рисунке 6.диодДиод d подключен к коллектору IGBT для обнаружения перенапряжения IGBT. Увеличение напряжения VCE соответственно увеличит анодный потенциал последовательно включенного диода. При превышении установленного порога короткого замыкания сработает защитная схема и отключит IGBT. Поскольку напряжение коллектора IGBT относительно высокое на ранней стадии включения, срабатывание защитной схемы в это время может привести к неисправности. Необходимо установить мертвую зону, в течение которой схема защиты от короткого замыкания не будет работать. Эта функция подключена параллельно через переключатель s и внешнийсопротивлениеЭто реализуется с помощью RCE и конденсатора CCE. Когда IGBT выключен, S включается, и конденсатор CCE заряжается до 15 В. Когда IGBT включен, S выключается, и конденсатор CCE разряжается через RCE. Напряжение на выходе разряда составляет:

Это позволяет сделать опорное напряжение выше напряжения обнаружения на ранней стадии включения IGBT, предотвращая сбои в работе защитной цепи. Форма сигнала во время нормальной работы показана на рисунке 7(а). Форма сигнала при коротком замыкании или перегрузке по току показана на рисунке 7(б).

2.5 Метод пользовательского интерфейса

Для адаптации к IGBT-модулям, выпускаемым различными производителями, драйвер IGBT должен иметь удобный пользовательский интерфейс. Также необходимы высокая гибкость и экономичность. В настоящее время на рынке в основном используются следующие драйверы:сваркаДля реализации подключения IGBT-транзисторов на печатной плате используются такие микросхемы, как skhi22, 2sd315a и 2ed300c17 и др. Для упрощения установки также используется метод прямого штекерного подключения. На рисунке 8 показан внешний вид модуля драйвера skyper, разработанного компанией semikron. Он подключается к интерфейсной плате драйвера штекерным способом.

Поскольку приводной модуль (приводной сердечник) выполняет только наиболее важные общие функции привода, его соединение с различными модулями в разных областях применения должно осуществляться через интерфейсную плату. Вся модульно-приводная система включает в себя силовой модуль с пружинным интерфейсом, стандартный или улучшенный приводной сердечник и интерфейсную плату, соединяющую приводной сердечник с заданным модулем. Интерфейсная плата, которую можно настроить, обладает существенным преимуществом: пользователь может самостоятельно регулировать и определять характеристики переключения IGBT, например: изменять скорость открытия или закрытия IGBT путем регулировки RGON или RGOFF; регулировать мертвое время или отключать функцию блокировки; регулировать точку защиты VCE и время окна и т. д. По сравнению с интеллектуальными силовыми модулями IPM, представленными в настоящее время на рынке, интерфейсная плата делает всю систему более гибкой и упрощает адаптацию к различным областям применения. После настройки параметров системы, вся система может использоваться так же легко, как и IPM. Электрическое соединение между модулем Semix и интерфейсной платой осуществляется через пружину, встроенную в модуль Semix, и нижний слой интерфейсной платы.Контактыto achieve. After assembly, the contacts of the interface board touch the spring contacts of the module, completing the electrical connection through pressure contact. Contact pressure increases the reliability of the power module compared to soldering technology. Similarly, the plug-in connection between the drive core and the interface board is also to avoid welding [6]. Figure 9 is an example diagram of the connection between the driver core, interface board and semix module.

2.6 Высокоинтегрированный

Тенденция развития драйверов заключается в их высокой степени интеграции, что позволяет уменьшить габариты драйвера и обеспечить более тесную интеграцию с IGBT-транзистором, упрощая установку, сокращая длину соединительных линий между модулями драйвера и IGBT-транзистором, а также уменьшая количество выводов.индуктивностьДля достижения этой цели в разрабатываемых в настоящее время некоторыми зарубежными компаниями модулях драйверов IGBT используются собственные специальные разработки.интегральная схемаОсновныеоперацииНапример: skic2001a от Semikron и ldi001 и lgd001 от Concept. Благодаря применению ASIC, большинство функций управления и защиты могут быть реализованы с помощью микросхем, что значительно уменьшает габариты привода и повышает его надежность.

3 Development trends of high-voltage and high-power igbt drive modules

IGBT-транзисторы, как композитные силовые полупроводники, находят все более широкое применение, особенно в мощных преобразователях, благодаря низкому энергопотреблению, высокой частоте переключения и большой токовой емкости. Требования к их схемам управления также будут постоянно расти. Основные направления технического развития отражены в следующих аспектах.

(1) Более высокая интеграция

В настоящее время размеры модулей драйверов мощных IGBT-транзисторов всё ещё относительно велики. Для повышения выдерживаемого напряжения изоляции обычно используется трансформатор. Размеры и вес трансформатора довольно велики, и его сложно интегрировать. Поэтому в будущих драйверах будут использоваться более компактные и простые в интеграции устройства.изоляторкомпоненты, такие как применение пьезоэлектрических трансформаторов или передовых технологий магнитной интеграции, позволяют уменьшить размер и вес изолирующих компонентов и повысить интеграцию [7]. Предполагается, что в будущем мощные IGBT и их схемы управления будут интегрированы в один модуль. Пользователям нужно будет лишь напрямую подавать управляющий сигнал в силовой модуль для управления IGBT.

(2) Higher isolation voltage

В современных драйверах для обеспечения изоляции используются оптопары и трансформаторы. Преимуществом оптопар является их малый размер, но у них есть недостатки, такие как относительно низкое напряжение изоляции, быстрое старение и большая задержка. Трансформаторная изоляция имеет более высокое напряжение изоляции и меньшую задержку, но большие размеры. Поэтому, когда требуется высоковольтная изоляция, для ее обеспечения чаще всего используются трансформаторы. В настоящее время максимальное напряжение изоляции модуля управления с трансформаторной изоляцией составляет около 3300 В. Максимальное напряжение IGBT-транзисторов достигает 6500 В. Для адаптации к более высоким напряжениям необходимо использовать драйверы с более высоким напряжением изоляции.

(3) Большая движущая сила

The capacity of igbt modules is constantly increasing, and the current capacity of a single module can already reach 3600a. Sometimes in order to increase the capacity, it is usually operated in parallel, which also puts forward higher requirements for the driving power of the driver. The maximum output current of the driver must be increased accordingly, especially when multiple modules are used in parallel, the average output power of the driver is required to reach 5w~10w, and the instantaneous maximum output current is required to reach more than 30a.

(4) Более высокая частота переключения

Для адаптации к применению в источниках питания индукционных нагревательных элементов частота переключения IGBT-транзисторов постоянно увеличивается. С развитием технологий производства максимальная частота переключения IGBT-транзисторов уже может превышать 100 кГц, что позволяет частично заменить силовые MOSFET-транзисторы. Для драйвера это означает, что он должен обеспечивать большую мощность управления, а также иметь более короткое время задержки импульса управления, время нарастания и спада, обеспечивать больший мгновенный максимальный ток управления и т.д.

(5) Более полные функции

The currently widely used gate drive technology cannot control the di/dt and dv/dt caused by the igbt switching process, thereby controlling the emi of the conversion circuit. Active gate drive technology can effectively control the higher di/dt and dv/dt caused by igbt switching. Accordingly, it can make igbt work in a safer working area, reduce the emi generated during its switching process, and accordingly reduce the igbt buffer absorption circuit. Among them, the three-stage active gate drive technology is an active gate drive technology with wide application prospects [8]. In addition, in order to meet the needs of series and parallel IGBT applications, the driver must also have dynamic voltage and current sharing functions.

4Заключение

IGBT-транзисторы, являясь ключевым силовым полупроводниковым элементом в силовых электронных системах, на протяжении нескольких лет демонстрируют устойчивый рост. Благодаря возможности повышения эффективности, частоты переключения и миниатюризации преобразовательных устройств в силовой электронике, а также постоянному улучшению характеристик, области применения IGBT-транзисторов расширились. Они заменили мощные биполярные транзисторы не только в промышленности, но и во многих других системах преобразования энергии.транзистор(gtr), power mosполевой транзистор(MOSFET), даже если происходит альтернативное отключение вороттиристор(gto) реалистичные тенденции. Технология высокомощных модулей управления IGBT будет продолжать совершенствоваться, а уровень интеграции также будет повышаться, что приведет к снижению энергопотребления IGBT и электромагнитных помех, а также к повышению надежности системы. С развитием технологии производства IGBT и дальнейшим расширением областей применения постоянно растут и требования к характеристикам приводов на их основе. Чтобы адаптироваться к характеристикам нового поколения IGBT, различные производители приводов разрабатывают приводные устройства на основе IGBT с более полными функциональными возможностями.

Отказ от ответственности: Данная статья воспроизведена из издания "Semiconductor Online". Эта статья отражает только личное мнение автора и не представляет точку зрения компании Sacco Micro и отрасли в целом. Перепечатка и распространение предназначены исключительно для защиты прав интеллектуальной собственности. Пожалуйста, указывайте первоисточник и автора при перепечатке. В случае нарушения авторских прав, пожалуйста, свяжитесь с нами для удаления публикации.