1、关于IGBT驱动的讨论,技术研究中心 李晓玲 2010.9,关于IGBT驱动的几种新电路的讨论,驱动电路的两个功能,提供合适的栅极驱动脉冲 （开关损耗小、di/dt和dv/dt小、震荡小 ）,实现控制电路和被驱动IGBT栅极的电隔离（脉冲变压器、光耦、集成电路 ）,关于IGBT驱动的几种新电路的讨论,IGBT驱动过程中的矛盾几种新的驱动电路驱动信号传输电路的几种方案,1 IGBT驱动过程中的矛盾,传统的IGBT驱动电路：,IGBT等效电路 开通过程 关断过程 带续流二极管的电感负载电路,1 IGBT驱动过程中的矛盾,开通过程：t0t1影响栅极电压Uge上升斜率的主要因素只有Rg和Cge，栅极电
2、压上升较快 t1时刻开始，两个原因导致Uge波形偏离原有的轨迹 ：1、发射极电路中的分布电感Le（t1t2）2、栅极集电极电容Cgc的密勒效应 （t2t3）,1 IGBT驱动过程中的矛盾,关断过程：t0t1时IGBT工作在饱和区 t1t2时刻开始，IGBT进入线性放大区，栅极集电极电容Cgc的密勒效应导致Uge电压不变。t2t3时刻为自然过程,1 IGBT驱动过程中的矛盾,驱动电阻值过小时会造成脉冲振荡，过大时脉冲波形的前后沿会发生延迟和变缓。开通越快，损耗越小 ，但IGBT承受的峰值电流越大，越容易导致IGBT损害。 关断越快，损耗越小，但过快会造成di/dt过大，产生较大的集电极电压尖峰。
3、,2 几种新的驱动电路,1、二段式驱动方式（仅对关断过程）：本方法的原则是使Vce的上升和Ic的下降其中一项摆脱串联电阻的控制，从而使关断过程可控因素增加，改善关断过程。,其中R1较小，此处取1.1ohm，R2较大，此处取15ohm。,2 几种新的驱动电路,在关断过程的开始，T1、T2都是开通的，Cge通过R1和R2的并联电路放电，所以放电速度很快，VCE开始上升的斜率也相应增大。直到VCE上升到使齐纳二极管D1导通，从而电流经由D1和C1电路使单稳态触发器触发，其输出使T1关断一个固定的时间。T1关断后，由于R2的阻值较大，所以，IC缓慢下降至零。一定时间后T1重新开通，以保证关断的低阻状态
4、，完成关断过程。线路简单，成本不高，效果较好，但对开通过程没有帮助。,2 几种新的驱动电路,图a 传统关断方式，Rg1.1ohm 图b传统关断方式，Rg15ohm,图c Double-stage Driver 图d过压与损耗关系曲线,其中测试IGBT的直流电压400VDC，负载电流2000A,2 几种新的驱动电路,2、开通：2-step Gate Control Voltage关断：3-step Gate Control Voltage本方法的原则是通过改变Vge的波形来在减小dv/dt,di/dt的基础上尽量减少损耗的增加，寻找EMI与损耗间的最优值。,开通过程工作原理框图和理想波形,两个参
5、量：Vge中间电平电压值VINT；Vge中间电平持续时间TINT。目标是尽量减小di/dt，从而减小过流和电磁干扰。di/dt主要依赖于VINT的大小，与负载电流和环境温度没有关系。实际工作中TINT设为一个常量，通过调节VINT来对电流斜率进行控制，这样只需要控制一个变量。,开通过程,2 几种新的驱动电路,关断过程工作原理框图和理想波形,To时间段内电压V1和V2初始化为零，IGBT保持开通，直到Vce开始上升，To状态结束。当Vce开始上升时，侦测电路侦测到其斜率变化，从而触发TINTO状态的开始，V1上升为15V，与V2的0V经电阻Rp组合成中间电平VINTO。VINTO就基本决定了dv
6、/dt的大小，他们之间是呈线性变化的。当Vce上升至顶点，第二个斜率变化被侦测到，从而触发TINTO状态的结束，V1回到0V，Vge归零，关断过程结束。,三个参量： 延时时间To； Vge中间电平VINTo； Vge中间电平持续时间TINTo,关断过程,2 几种新的驱动电路,开通波形对比,关断波形对比,线路复杂，且是针对小功率015V驱动电源的IGBT，成本高，应用面窄，实用性低。另外开通和关断电路不一致，需要整合。,2 几种新的驱动电路,3、反馈Vce控制开关过程的方法这种驱动方式以Vce电压为反馈参数，使其跟随设定好的参考电压，从而降低系统性能对硬件条件的依赖。,新型驱动方式原理框图与参考
7、波形图,2 几种新的驱动电路,运放将经过调整的实际集电极电压与参考电压进行比较，这个误差信号经过大电流缓冲器反馈到门极。寄生电容Cgc、Cce随着Vce和Ic的变化而变化，对于固定的门极电阻Rg，当IGBT导通，Cgc最大时带宽最小。在开通情况下比较低的带宽和IGBT的饱和状态引发了关断瞬间门极输入的延时响应，这个延时一般与门极输入电压的高电平稳态值有关。所以为了使关断瞬间IGBT工作在宽带宽区域，需要外加一个小的集电极偏移电压。这个偏移电压经由参考电压加在IGBT上，即参考波形的第一个波形。第二个波形则决定了开关过程中的dv/dt和电压峰值。这两个波形的叠加就是第三个波形，即真正的参考电压波
8、形。,2 几种新的驱动电路,关断过程的主要波形对比,开通过程的主要波形对比,这种方法对EMI的改善很大，但是损耗也有较大的增加，成本较高，结构复杂，总的来说实用性不大，仅做参考。,2 几种新的驱动电路,4、三段式驱动方式本方法是把开通和关断过程都分成三段进行控制从而对dv/dt，di/dt进行调整。,开关过程对应的三段控制时序示意图,2 几种新的驱动电路,三段控制方法的实现电路,第一段目的是通过加大门极电流给Cge充电，以减小开通延时时间，这个阶段持续到Vge达到门槛电压Vth时，即Ic电流开始上升瞬间结束。第二阶段目的是最小化续流二极管反相恢复电流对电路的影响，通过降低门极充电速度来控制di
9、/dt，直到复IGBT集电极电流Ic等于负载电流与续流二极管反相恢复电流最大值之和时结束。第三阶段则是重新增大门极充电电流，从而减小拖尾电压，降低损耗，缩短开通时间。,2 几种新的驱动电路,三段控制方法和传统控制方法开通过程对比,三段控制方法和传统控制方法关断过程对比,2 几种新的驱动电路,CGD和AGD开通损耗对比 CGD和AGD关断损耗对比线路比较复杂，成本较高，开发资料不完整，需要的工作量较大，可靠性不高。,2 几种新的驱动电路,5、三段式驱动方式本方法是通过调节门极电流来在减小dv/dt、di/dt的基础上尽量减少损耗的增加。,开通过程： T4、R2和一个带有与对应桥臂的FWD串联的次
10、级线圈的饱和电抗器。关断过程： T5、R4、C1和CP1,2 几种新的驱动电路,开通过程:主要是通过对应桥臂的续流二极管FWD串联的变压器次级电压来短时间加大门极电阻（导通T4），从而减小门极充电电流，来降低开通时的di/dt。由于只在二极管方向恢复时增大门极电阻，所以损耗的增加相对较小。,关断过程：通过对门极电流进行调节，在短时间内减小门极放电电流（导通T5），降低IGBT电流的下降斜率，以在降低EMI的基础上减少损耗的增加。,2 几种新的驱动电路,关断过程中传统驱动方式与新型驱动方式几个主要波形,开通过程中传统驱动方式与新型驱动方式几个主要波形,传 统 驱 动 方 式,新 型 驱 动 方
11、式,2 几种新的驱动电路,辐射实验波形,只有大功率模块才能引出Le，所以只能用于模块驱动。EMI改善明显，损耗增加不太多，但是线路复杂，实现困难，成本较高，可靠性不高。,2 几种新的驱动电路,比较几种驱动电路：,3 驱动信号传输电路的几种方案,目前驱动信号的传输主要有三种方式： 1、光耦隔离驱动：,公司用的最多，成本略高，需要光偶的传输速度够快，且作为大功率IGBT的驱动时，后级需要增加调理整形电路，保证驱动波形的方正。,3 驱动信号传输电路的几种方案,2、脉冲变压器隔离驱动：,结构简单，价格便宜。但是成果取决于脉冲变压器的性能。脉冲变压器的漏感需要尽量小，并要保证一致性。对于非常窄的脉冲易丢失。,3 驱动信号传输电路的几种方案,3、集成电路驱动：,集成度很高，使用简单，保护功能完善，但成本最高，抗干扰能力很差。,Thank you！,5 Q&A,Any question?,
