1簡介

因為絕緣柵雙極電晶體有開關由於其高頻、低導通功耗和便捷的閘極控制等優點，IGBT已被廣泛應用於高功率轉換系統。在IGBT應用中，除了自身的技術水平外，另一個需要考慮的重要因素是其驅動器的設計是否合理可靠。 IGBT驅動器作為功率轉換器電路控制器和接口電路設計與系統的功耗和可靠性密切相關。優化的驅動器在功率轉換系統中不可或缺。選擇合適的驅動電路直接關係到整個轉換器方案的可靠性。

驅動程式主要完成以下三個功能。第一個是驅動功能，它為IGBT開關提供足夠大的驅動力。當前首先，要確保IGBT在其控制下能夠可靠地開啟和關閉；其次，驅動程式必須具備保護功能。當IGBT發生故障時，短路或者，當出現過電流時，驅動程式可以在最短的時間內關閉 IGBT，以保護電源設備。此外，在高壓高功率應用中，驅動器作為控制電路和功率電路之間的連接橋樑，必須具有電氣隔離功能，以確保控制電路不會受到功率電路的干擾和影響。在滿足上述三個功能的前提下，駕駛者還必須考慮靈活性、性能和價格之間的關係。

由於IGBT的電流容量和電壓等級不同，其驅動器的技術要求也不同。在低功率應用中，由於驅動電流相對較小，因此通常使用整合式驅動器。而在高功率和高壓應用中，例如高功率UPS電源，則需要使用高壓驅動器。頻率轉換器等等，這就要求驅動器提供更大的驅動電流、更高的隔離電壓和更完善的保護功能。本文重點介紹目前市場上常用的高功率IGBT驅動模組，例如賽米光（Semikron）的SKHI22和Concept的2SD315A等，並分析它們的一些共同技術特點、設計要點以及高功率IGBT驅動技術的未來發展趨勢。

2 技術特性分析

2.1 完整的訊號處理功能

在高壓高功率應用中，考慮到開關產生的強烈幹擾以及IGBT的高成本等因素，確保IGBT驅動訊號的可靠性至關重要。因此，高功率IGBT驅動模組通常具有完整的驅動脈衝訊號預處理功能，其目的是確保IGBT閘極脈衝訊號的可靠性。常見的驅動訊號處理功能如下：

（1）雙通道脈衝互鎖功能

當驅動模組輸出兩個脈衝訊號分別控制同一橋臂上的上下IGBT時，如果驅動訊號同時控制兩個IGBT導通，則會發生直通短路，可能損壞IGBT或其他裝置。為防止這種情況發生，驅動模組內部設計了訊號互鎖電路，確保當兩個輸入脈衝訊號同時為高電平時，兩個輸出訊號同時為低電平，從而防止直通。當需要獨立控制雙驅動訊號時，也可以透過外部端子屏蔽互鎖功能。

（2）窄脈衝抑制功能

由控制電路或乾擾等引起的窄脈衝訊號透過驅動器施加到IGBT的閘極，這可能導致IGBT在短時間內完成開關過程。過短的脈衝訊號會導致IGBT在完全導通之前關斷，進而對轉換器的輸出產生負面影響，增加IGBT的開關損耗，降低系統效率。在驅動器中設計了一個濾波電路來濾除窄脈衝訊號，這有利於提高IGBT的可靠性。

（3）死區時間設定功能

在半橋工作模式下，兩個IGBT必須依序導通。為了防止兩個IGBT在開關過程中同時導通，在兩個IGBT交替導通時必須增加一定的死區時間。根據IGBT特性的不同，死區時間也不同。在雙通道高功率驅動模組中，內部設計了死區控制電路，可以透過不同的外部端子連接方式（例如連接不同容量的外部端子）來調節死區的大小。電容（2sd106）或高低水準（skhi22a/b）。

圖 1 顯示了 semik只讀存儲器本公司IGBT高功率驅動器[3]的訊號處理框圖包括各種訊號處理功能模組，其目的是確保IGBT驅動訊號的可靠性。

2.2 驅動訊號的隔離傳輸方式

考慮到高壓高功率IGBT驅動器工作在高壓環境下，為了確保控制器不受高壓側的影響，驅動脈衝訊號必須經過隔離後再傳輸到IGBT的閘極。常用的隔離方法包括光隔離和磁隔離。光隔離包括：光耦合器隔離和光纖光耦合器隔離方式由於隔離電壓相對較低，因此有傳輸延遲、老化和可靠性等問題，因此很少用於直流母線電壓超過800V的高壓應用。脈衝變壓器隔離方式（磁隔離）可以實現相對較高的隔離電壓，並且變壓器它具有高可靠性、低傳輸延遲、可實現更高開關頻率且無老化問題等優點。因此，大多數高壓IGBT驅動器都採用脈衝變壓器作為隔離元件，以完成驅動訊號的隔離傳輸。

傳統的驅動脈衝變壓器隔離放大後的脈衝訊號，直接驅動IGBT或功率MOS管。其基本電路原理如圖2所示。初級串聯電容的作用是濾除驅動脈衝中的直流分量。次級並聯穩壓管用於防止輸出電壓過高而損壞功率開關管。這種工作方式無需單獨的驅動電源，電路設計簡單，成本相對較低。但是，當驅動脈衝的佔空比變化較大時，特別是當佔空比較大時，由於變壓器輸出波形在一個週期內的伏秒面積必須相等，輸出正脈衝的振幅可能會減小，導致IGBT無法正常驅動。通常要求控制脈衝的佔空比小於50%。同時，脈衝變壓器磁芯飽和問題也限制了控制脈衝的導通時間。另一個缺點是驅動波形失真，尤其是在驅動高功率IGBT時。由於IGBT的輸入電容相對較大，脈衝變壓器次級輸出的驅動脈衝波形難以滿足驅動需求。因此，這種驅動方式主要用於小功率應用。開關電源中間。

對於高壓大功率IGBT，上述驅動方法顯然不適用。常用的方法是調製驅動脈衝訊號，將其上升沿和下降沿轉換為兩個反向的窄脈衝訊號。脈衝變壓器正是用來轉換這兩個脈衝訊號。耦合將其還原到二級水平，然後透過二級重構方法恢復驅動脈衝訊號。其工作原理如圖3所示。

這種方法可以稱為脈衝邊緣耦合傳輸法。此方法的優點在於脈衝變壓器僅傳輸脈衝寬度固定的窄脈衝訊號，並且能夠適應佔空比變化範圍較大的驅動脈衝訊號。由於變壓器傳輸的是窄脈衝訊號，因此變壓器的鐵芯和繞組可以採用較小的尺寸，相應的漏感和分佈電容也相對較小，這有利於脈衝變壓器的設計和訊號傳輸。缺點是需要增加轉換和重構電路，電路相對複雜。圖4顯示了脈衝變壓器轉換後的原始實驗波形。

為了方便使用者設計驅動電源，高功率IGBT驅動模組通常內建DC/DC轉換器。具有高隔離電壓的DC/DC轉換器無需使用者單獨設計隔離電源。整合隔離轉換器通常採用半橋或推挽結構。為了提高隔離電壓並簡化轉換器控制電路，它們通常不具備閉環控制。有些驅動器會在輸出端增加線性穩壓電源以穩定驅動電壓。為了減小變壓器的尺寸，其工作頻率大多高於100kHz。在高壓高功率應用中，根據母線電壓的不同，驅動器的初級和次級之間必須具有較高的隔離電壓容差。例如，900VDC的母線電壓至少需要4kVAC的隔離電壓。另一個需要考慮的因素是dv/dt容差。當IGBT高速開關時，可能會產生非常高的dv/dt。此訊號可透過隔離變壓器或脈衝變壓器耦合到主控制電路，進而對控制電路造成乾擾。因此，在設計隔離變壓器時，也要求其具有非常小的初級和次級耦合電容。變壓器耦合電容的大小根據 dv/dt 耐久性的特定要求確定，通常小於 20pF。

變壓器的製造流程是實現上述高隔離電壓的關鍵。為了提高隔離電壓容差並降低初級、次級或次級繞組之間的耦合電容，通常將繞組分開繞製，並用絕緣擋板隔開。有時需要在磁芯表面塗覆加厚的絕緣材料，或是用三層絕緣導線繞製。圖5是EUPEC公司IGBT驅動模組2ED300C17[4]的變壓器結構示意圖。

2.4 短路保護和閾值調整

目前常用的IGBT短路或過流保護方法是透過檢測VCE電壓值來實現的[5]。當IGBT發生短路或過流時，其工作區將離開飽和區，VCE電壓將會升高。具體而言，保護電路原理如圖 6 所示。二極管d 連接至 IGBT 的集電極，用於實現 IGBT 的欠飽和檢測。 VCE 電壓的升高會相應地提高串聯二極體的陽極電位。當超過設定的短路閾值時，保護電路會動作並關閉 IGBT。由於 IGBT 在導通初期集極電壓較高，如果此時保護電路動作，可能會導致故障。因此必須設定一個死區時間，在此期間短路保護電路不工作。此功能透過開關 s 和一個外部電路並聯連接。電阻該電路透過RCE和電容CCE實現。當IGBT關閉時，S導通，電容CCE充電至15V。當IGBT導通時，S關斷，電容CCE透過RCE放電。放電截止電壓為：

這樣可以使IGBT導通初期參考電壓高於偵測電壓，以防止保護電路故障。正常工作時的波形如圖7(a)所示。發生短路或過電流故障時的波形如圖7(b)所示。

2.5 使用者介面方法

為了適應不同廠商封裝的IGBT模組，IGBT驅動程式必須具備使用者友善的介面，同時還需要具備高度的靈活性和經濟的成本。目前市面上常見的驅動模組主要採用…焊接在PCB板上實現與IGBT的連接，例如：SKHI22、2SD315A和2ED300C17等。為了方便安裝，也採用了直接插入式連接方式。圖8是賽邁公司開發的Skyper驅動模組的外觀。它以插入式方式連接到驅動介面板。

由於驅動模組（驅動核心）僅提供驅動器中最基本的通用功能，因此它與不同應用中不同模組的連接需要依賴介面板。整個模組驅動單元包括一個帶有彈簧介面的功率模組、一個標準或增強型驅動核心，以及一個將驅動核心連接到指定模組的介面板。可自訂的介面板具有顯著優勢：使用者可以自行調整和確定IGBT的開關特性，例如：透過調整Rgon或Rgoff來改變IGBT的開閉速度；調整死區時間或停用互鎖功能；調整VCE保護點和視窗時間等。與目前市場上的智慧功率模組IPM相比，此介面板使整個系統更加靈活，更容易適應不同的應用。一旦系統參數設定完畢，整個系統即可像IPM一樣輕鬆使用。半混合模組與介面板之間的電氣連接是透過半混合模組內建的彈簧和介面板的底層實現的。聯繫我們實現方式如下：組裝完成後，介面板的接點與模組的彈簧接點接觸，透過壓力接觸完成電氣連接。與焊接技術相比，壓力接觸提高了功率模組的可靠性。同樣，驅動核心與接口板之間的插拔連接也是為了避免焊接[6]。圖9是驅動核心、介面板和半模組之間連接的範例圖。

2.6 高度集成

驅動器的發展趨勢是高度集成，這可以減小驅動器的尺寸，並與IGBT更緊密地集成，從而簡化安裝，縮短驅動器與IGBT模組之間的連接線長度，並減少引線數量。電感為了實現這一目標，目前一些國外公司開發的IGBT驅動模組都採用了自主研發的專用晶片。集成電路ASIC例如：Semikron 的 skic2001a 和 Concept 的 ldi001 和 lgd001。透過應用 ASIC，大多數控制和保護功能都可以用 IC 實現，這大大減小了驅動器的尺寸，提高了 IGBT 驅動器的可靠性。

3. 高壓高功率IGBT驅動模組的發展趨勢

作為一種複合功率半導體，IGBT因其低功耗、高開關頻率和大電流容量等優點，應用越來越廣泛，尤其是在高功率變換器領域。對其驅動電路的要求也越來越高。其主要技術發展方向體現在以下幾個方面。

（1）更高的一體化程度

目前，高功率IGBT驅動模組的尺寸仍然相對較大。為了提高隔離電壓耐受能力，通常會採用變壓器來實現隔離。變壓器的尺寸和重量都比較大，難以整合。因此，未來的驅動器將採用更小巧、更易於整合的裝置。隔離諸如應用壓電變壓器或先進的磁性整合技術等方法可以減小隔離元件的尺寸和重量，提高整合度[7]。可以預見，未來大功率IGBT及其驅動電路將被整合到同一模組中。使用者只需將控制訊號直接輸入功率模組即可控制IGBT。

（2）更高的隔離電壓

目前，驅動器通常採用光耦合器和變壓器來實現隔離。光耦合器的優點是體積小，但缺點是隔離電壓相對較低、容易老化、延遲較大。變壓器隔離具有更高的隔離電壓和更小的延遲，但體積也較大。因此，當需要高壓隔離時，通常會採用變壓器來實現隔離。目前，變壓器隔離驅動模組的最高隔離電壓約為3300V。而IGBT的最高工作電壓已達6500V。為了適應更高電壓的應用，必須使用隔離電壓較高的驅動器。

（3）更大的驅動力

IGBT模組的容量不斷提升，目前單一模組的容量已可達3600A。為了進一步提升容量，通常採用並聯方式，這也對驅動器的驅動功率提出了更高的要求。驅動器的最大輸出電流必須相應提高，尤其是在多個模組並聯的情況下，驅動器的平均輸出功率需要達到5W~10W，瞬時最大輸出電流則需要超過30A。

（4）更高的開關頻率

為了適應感應加熱電源的應用，IGBT的開關頻率不斷提高。隨著製造技術的進步，IGBT的最高開關頻率已經可以超過100kHz，部分取代了功率MOS管。對於驅動器而言，這意味著它必須提供更大的驅動功率，更短的驅動脈衝延遲時間和上升/下降時間，以及更大的瞬時最大驅動電流等等。

（5）更完善的功能

目前廣泛應用的閘極驅動技術無法控制IGBT開關過程中產生的di/dt和dv/dt，因此無法控制轉換電路的電磁幹擾（EMI）。主動式閘極驅動技術可以有效控制IGBT開關過程中產生的較高di/dt和dv/dt，從而使IGBT在更安全的工作區域內工作，降低其開關過程中產生的EMI，並相應地減少IGBT緩衝吸收電路的功耗。其中，三級有源閘極驅動技術是一種具有廣泛應用前景的主動閘極驅動技術[8]。此外，為了滿足IGBT串聯和並聯應用的需求，驅動器還必須具備動態電壓和電流均分功能。

4結論

作為電力電子系統中的關鍵功率半導體裝置，IGBT近年來持續發展。由於IGBT能夠使電力電子裝置和設備實現更高的效率、更高的開關頻率以及功率轉換器件的小型化設計，隨著性能的不斷提升，IGBT的應用領域也日益廣泛。不僅在工業領域，而且在許多其他功率轉換系統中，IGBT也逐漸取代了高功率雙極型電晶體。晶體管（gtr），功率 mos場效應晶體管（場效應管即使採取另一種關閉閘門的方式，也會發生這種情況。晶閘管（gto）實際趨勢。高功率IGBT驅動模組技術將持續進步，整合度也將持續提高，進而降低IGBT的功耗和電磁幹擾，並提高系統可靠性。隨著IGBT製造技術的進步和應用領域的進一步拓展，對其驅動器性能的要求也在不斷提高。為了適應新一代IGBT的性能要求，各驅動器廠商正在開發性能更加完善的IGBT驅動產品。

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