1简介

因为IGBT它们在许多情况下都能提供类似的结果。开关由于其高频、低导通功耗和便捷的栅极控制等优点，IGBT已被广泛应用于大功率转换系统。在IGBT应用中，除了自身的技术水平外，另一个需要考虑的重要因素是其驱动器的设计是否合理可靠。IGBT驱动器作为功率转换器电路控制器和接口电路设计与系统的功耗和可靠性密切相关。优化的驱动器在功率转换系统中必不可少。选择合适的驱动电路直接关系到整个转换器方案的可靠性。

驱动程序主要完成以下三个功能。第一个是驱动功能，它为IGBT开关提供足够大的驱动力。当前首先，要确保IGBT在其控制下能够可靠地开启和关闭；其次，驱动程序必须具备保护功能。当IGBT发生故障时，短路或者，当出现过电流时，驱动程序可以在最短的时间内关闭 IGBT，以保护电源设备。此外，在高压大功率应用中，驱动器作为控制电路和功率电路之间的连接桥梁，必须具有电气隔离功能，以确保控制电路不会受到功率电路的干扰和影响。在满足上述三个功能的前提下，驾驶员还必须考虑灵活性、性能和价格之间的关系。

由于IGBT的电流容量和电压等级不同，其驱动器的技术要求也不同。在低功率应用中，由于驱动电流相对较小，通常使用集成驱动器。而在高功率和高压应用中，例如大功率UPS电源，则需要使用高压驱动器。频率转换器等等，这就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。本文重点介绍目前市场上常用的大功率IGBT驱动模块，例如赛米光（Semikron）的SKHI22和Concept的2SD315A等，并分析它们的一些共同技术特点、设计要点以及大功率IGBT驱动技术的未来发展趋势。

2 技术特性分析

2.1 完整的信号处理功能

在高压大功率应用中，考虑到开关产生的强干扰以及IGBT的高成本等因素，确保IGBT驱动信号的可靠性至关重要。因此，大功率IGBT驱动模块通常具有完整的驱动脉冲信号预处理功能，其目的是保证IGBT栅极脉冲信号的可靠性。常见的驱动信号处理功能如下：

（1）双通道脉冲互锁功能

当驱动模块输出两个脉冲信号分别控制同一桥臂上的上下IGBT时，如果驱动信号同时控制两个IGBT导通，则会发生直通短路，可能损坏IGBT或其他器件。为防止这种情况发生，驱动模块内部设计了信号互锁电路，确保当两个输入脉冲信号同时为高电平时，两个输出信号同时为低电平，从而防止直通。当需要独立控制双驱动信号时，也可以通过外部端子屏蔽互锁功能。

（2）窄脉冲抑制功能

由控制电路或干扰等引起的窄脉冲信号通过驱动器施加到IGBT的栅极，这可能导致IGBT在短时间内完成开关过程。过短的脉冲信号会导致IGBT在完全导通之前关断，从而对转换器的输出产生负面影响，增加IGBT的开关损耗，降低系统效率。驱动器中设计了一个滤波电路来滤除窄脉冲信号，这有利于提高IGBT的可靠性。

（3）死区时间设定功能

在半桥工作模式下，两个IGBT必须依次导通。为了防止两个IGBT在开关过程中同时导通，在两个IGBT交替导通时必须增加一定的死区时间。根据IGBT特性的不同，死区时间也不同。在双通道大功率驱动模块中，内部设计了死区控制电路，可以通过不同的外部端子连接方式（例如连接不同容量的外部端子）来调节死区的大小。电容（2sd106）或高低水平（skhi22a/b）。

图 1 显示了 semikROM公司IGBT大功率驱动器[3]的信号处理框图包括各种信号处理功能模块，其目的是确保IGBT驱动信号的可靠性。

2.2 驱动信号的隔离传输方式

考虑到高压大功率IGBT驱动器工作在高压环境下，为了确保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输到IGBT的栅极。常用的隔离方法包括光隔离和磁隔离。光隔离包括：光耦合器隔离和光纤光耦合器隔离方式由于隔离电压相对较低，存在传输延迟、老化和可靠性等问题，因此很少用于直流母线电压超过800V的高压应用中。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，并且变压器它具有高可靠性、低传输延迟、可实现更高开关频率且无老化问题等优点。因此，大多数高压IGBT驱动器都采用脉冲变压器作为隔离元件，以完成驱动信号的隔离传输。

传统的驱动脉冲变压器隔离放大后的脉冲信号，直接驱动IGBT或功率MOS管。其基本电路原理如图2所示。初级串联电容的作用是滤除驱动脉冲中的直流分量。次级并联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，成本相对较低。但是，当驱动脉冲的占空比变化较大时，特别是当占空比较大时，由于变压器输出波形在一个周期内的伏秒面积必须相等，输出正脉冲的幅度可能会减小，导致IGBT无法正常驱动。通常要求控制脉冲的占空比小于50%。同时，脉冲变压器磁芯饱和问题也限制了控制脉冲的导通时间。另一个缺点是驱动波形失真，尤其是在驱动大功率IGBT时。由于IGBT的输入电容相对较大，脉冲变压器次级输出的驱动脉冲波形难以满足驱动要求。因此，这种驱动方式主要用于小功率应用。开关电源中间。

对于高压大功率IGBT，上述驱动方法显然不适用。常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向的窄脉冲信号。脉冲变压器正是用于转换这两个脉冲信号。耦合将其还原到二级水平，然后通过二级重构方法恢复驱动脉冲信号。其工作原理如图3所示。

这种方法可以称为脉冲边沿耦合传输法。该方法的优点在于脉冲变压器仅传输脉冲宽度固定的窄脉冲信号，并且能够适应占空比变化范围较大的驱动脉冲信号。由于变压器传输的是窄脉冲信号，因此变压器的铁芯和绕组可以采用较小的尺寸，相应的漏感和分布电容也相对较小，这有利于脉冲变压器的设计和信号传输。缺点是需要增加转换和重构电路，电路相对复杂。图4显示了转换后脉冲变压器的原始实验波形。

为了方便用户设计驱动电源，大功率IGBT驱动模块通常内置DC/DC转换器。具有高隔离电压的DC/DC转换器无需用户单独设计隔离电源。集成隔离转换器通常采用半桥或推挽结构。为了提高隔离电压并简化转换器控制电路，它们通常不具备闭环控制。一些驱动器会在输出端增加线性稳压电源以稳定驱动电压。为了减小变压器的尺寸，其工作频率大多高于100kHz。在高压大功率应用中，根据母线电压的不同，驱动器的初级和次级之间必须具有较高的隔离电压容差。例如，900VDC的母线电压至少需要4kVAC的隔离电压。另一个需要考虑的因素是dv/dt容差。当IGBT高速开关时，可能会产生非常高的dv/dt。该信号可通过隔离变压器或脉冲变压器耦合到主控制电路，从而对控制电路造成干扰。因此，在设计隔离变压器时，还要求其具有非常小的初级和次级耦合电容。变压器耦合电容的大小根据 dv/dt 耐久性的具体要求确定，通常小于 20pF。

变压器的制造工艺是实现上述高隔离电压的关键。为了提高隔离电压容差并降低初级、次级或次级绕组之间的耦合电容，通常将绕组分开绕制，并用绝缘挡板隔开。有时需要在磁芯表面涂覆加厚的绝缘材料，或者用三层绝缘导线绕制。图5是EUPEC公司IGBT驱动模块2ED300C17[4]的变压器结构示意图。

2.4 短路保护和阈值调整

目前常用的IGBT短路或过流保护方法是通过检测VCE电压值来实现的[5]。当IGBT发生短路或过流时，其工作区将离开饱和区，VCE电压将升高。具体而言，保护电路该原理如图 6 所示。二极管d 连接至 IGBT 的集电极，用于实现 IGBT 的欠饱和检测。VCE 电压的升高会相应地提高串联二极管的阳极电位。当超过设定的短路阈值时，保护电路会动作并关断 IGBT。由于 IGBT 在导通初期集电极电压较高，如果此时保护电路动作，可能会导致故障。因此必须设置一个死区时间，在此期间短路保护电路不工作。该功能通过开关 s 和一个外部电路并联连接。抵抗性该电路通过RCE和电容CCE实现。当IGBT关断时，S导通，电容CCE充电至15V。当IGBT导通时，S关断，电容CCE通过RCE放电。放电截止电压为：

这样可以使IGBT导通初期参考电压高于检测电压，从而防止保护电路发生故障。正常工作时的波形如图7(a)所示。发生短路或过电流故障时的波形如图7(b)所示。

2.5 用户界面方法

为了适配不同厂商封装的IGBT模块，IGBT驱动程序必须具备用户友好的界面，同时还需要具备高度的灵活性和经济的成本。目前市面上常见的驱动模块主要采用……焊接在PCB板上实现与IGBT的连接，例如：SKHI22、2SD315A和2ED300C17等。为了便于安装，也采用了直接插入式连接方式。图8是赛迈公司开发的Skyper驱动模块的外观。它以插入式方式连接到驱动接口板。

由于驱动模块（驱动核心）仅提供驱动器中最基本的通用功能，因此它与不同应用中不同模块的连接需要依赖接口板。整个模块驱动单元包括一个带弹簧接口的功率模块、一个标准或增强型驱动核心，以及一个将驱动核心连接到指定模块的接口板。可定制的接口板具有显著优势：用户可以自行调整和确定IGBT的开关特性，例如：通过调整Rgon或Rgoff来改变IGBT的开闭速度；调整死区时间或禁用互锁功能；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，该接口板使整个系统更加灵活，更容易适应不同的应用。一旦系统参数设置完毕，整个系统即可像IPM一样轻松使用。半混合模块与接口板之间的电气连接是通过半混合模块内置的弹簧和接口板的底层实现的。联系我们实现方式如下：组装完成后，接口板的触点与模块的弹簧触点接触，通过压力接触完成电气连接。与焊接技术相比，压力接触提高了功率模块的可靠性。同样，驱动核心与接口板之间的插拔连接也是为了避免焊接[6]。图9是驱动核心、接口板和半模块之间连接的示例图。

2.6 高度集成

驱动器的发展趋势是高度集成，这可以减小驱动器的尺寸，并与IGBT更紧密地集成，从而简化安装，缩短驱动器与IGBT模块之间的连接线长度，并减少引线数量。电感为了实现这一目标，目前一些国外公司开发的IGBT驱动模块都采用了自主研发的专用芯片。集成电路ASIC例如：Semikron 的 skic2001a 和 Concept 的 ldi001 和 lgd001。通过应用 ASIC，大多数控制和保护功能都可以用 IC 实现，这大大减小了驱动器的尺寸，提高了 IGBT 驱动器的可靠性。

3. 高压大功率IGBT驱动模块的发展趋势

作为一种复合功率半导体，IGBT因其低功耗、高开关频率和大电流容量等优点，应用越来越广泛，尤其是在大功率变换器领域。对其驱动电路的要求也越来越高。其主要技术发展方向体现在以下几个方面。

（1）更高的一体化程度

目前，大功率IGBT驱动模块的尺寸仍然相对较大。为了提高隔离电压耐受能力，通常采用变压器来实现隔离。变压器的尺寸和重量都比较大，难以集成。因此，未来的驱动器将采用更小巧、更易于集成的器件。隔离诸如应用压电变压器或先进的磁集成技术等方法可以减小隔离元件的尺寸和重量，提高集成度[7]。可以预见，未来大功率IGBT及其驱动电路将被集成到同一模块中。用户只需将控制信号直接输入功率模块即可控制IGBT。

（2）更高的隔离电压

目前，驱动器通常采用光耦合器和变压器来实现隔离。光耦合器的优点是体积小，但缺点是隔离电压相对较低、易老化、延迟较大。变压器隔离具有更高的隔离电压和更小的延迟，但体积也较大。因此，当需要高压隔离时，通常采用变压器来实现隔离。目前，变压器隔离驱动模块的最高隔离电压约为3300V。而IGBT的最高工作电压已达到6500V。为了适应更高电压的应用，必须使用隔离电压更高的驱动器。

（3）更大的驱动力

IGBT模块的容量不断提升，目前单个模块的容量已可达3600A。为了进一步提升容量，通常采用并联方式，这也对驱动器的驱动功率提出了更高的要求。驱动器的最大输出电流必须相应提高，尤其是在多个模块并联的情况下，驱动器的平均输出功率需要达到5W~10W，瞬时最大输出电流则需要超过30A。

（4）更高的开关频率

为了适应感应加热电源的应用，IGBT的开关频率不断提高。随着制造技术的进步，IGBT的最高开关频率已经可以超过100kHz，可以部分替代功率MOSFET管。对于驱动器而言，这意味着它必须提供更大的驱动功率，更短的驱动脉冲延迟时间和上升/下降时间，以及更大的瞬时最大驱动电流等等。

（5）更完善的功能

目前广泛应用的栅极驱动技术无法控制IGBT开关过程中产生的di/dt和dv/dt，从而无法控制转换电路的电磁干扰（EMI）。有源栅极驱动技术可以有效控制IGBT开关过程中产生的较高di/dt和dv/dt，从而使IGBT在更安全的工作区域内工作，降低其开关过程中产生的EMI，并相应地减少IGBT缓冲吸收电路的功耗。其中，三级有源栅极驱动技术是一种具有广阔应用前景的有源栅极驱动技术[8]。此外，为了满足IGBT串联和并联应用的需求，驱动器还必须具备动态电压和电流均衡功能。

4结论

作为电力电子系统中的关键功率半导体器件，IGBT近年来持续发展。由于IGBT能够使电力电子器件和设备实现更高的效率、更高的开关频率以及功率转换器件的小型化设计，随着性能的不断提升，IGBT的应用领域也日益广泛。不仅在工业领域，而且在许多其他功率转换系统中，IGBT也逐渐取代了高功率双极型晶体管。晶体管（gtr），功率 mos场效应晶体管（MOSFET即使采取另一种关闭闸门的方式，也会出现这种情况。晶闸管（gto）实际趋势。大功率IGBT驱动模块技术将不断进步，集成度也将不断提高，从而降低IGBT的功耗和电磁干扰，并提高系统可靠性。随着IGBT制造技术的进步和应用领域的进一步拓展，对其驱动器性能的要求也在不断提高。为了适应新一代IGBT的性能要求，各驱动器厂商正在开发性能更加完善的IGBT驱动产品。

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