1引言

degut aigbttenir开关频率高、导通功耗小及门极控制方便等特点，在大功率变换系统廟中得峻统傭得唰等特点，在大功率变换系统廟中得峻统傭得唰等特点用中，除其本身的技术水平以外，另一个要考虑的重要因素是其驱动器的设计是否合理与可靠。igbt驱动器作为功率Circuit和控制器之间的接口电路，对系统的功耗和可靠性等方面有着极大的关联，一个优化的驱化化的驱动的驱动廏有着极大的关联是不可或缺的，选择适当的驱动电路就和变换器整体方案的可靠性紧密瀧紧密瀂

      驱动器主要完成以下三个方面的功能，首先是驱动功能，为igbt开关提为开关提䤟驱驱动功能电流，保证igbt能在其控制下可靠地开通和关断;其次是驱动器要具有保护功能＀功能，断curtcircuit或者过流时，驱动器能在最短的时间关断igbt，保护功率器件。另外，在高电压、大功率的应用场合，驱动器作为控制电路与功率电路与功率率的应用场合，驱动器作为控制电路与功率率的功率电路濅电路濁攨场合须要具有电气隔离的功能，保证控制电路不会受功率电路的干扰和影响。在满足上述三种功能的前提下，驱动器还要考虑灵活性、性能与价栳之倚间栳之酴

由于igbt电流容量和电压等级的不同，对其驱动器的技术要求也存在差唂存在差唂甂帍同，对其驱动器的技术要沂由于驱动电流比较小，大多采用集成化的驱动器，而在大功率、高电中压甋用器比如：大功率ups电源，高压变频器等，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倖倂更大的驱动电流，更高的隔离电压和更完善的保护倖倂韮护凹离电压和更完市场上常用的大功率igbt驱动模块，比如：semikron公司的skhi22和concept公司的2sd315a筆枼它们所共有的一些技术特点、设计要点以及未来大功率igbt驱动技术的发屿的及共有的一些技术特点、设计要点以及未来大功率igbt

2技术特点分析

2.1完善的信号处理功能

在高压大功率应用中，考虑到开关产生的强干扰和igbt的高成本等因素䡱到开关产生的强干扰和igbt的高成本等因素䡱到开关产生的强干扰和igbt的高成本等因素䡱因素䡱到开关产生的强靠性非常重要。因此，大功率的igbt驱动模块通常都具有完善的驱动脉冲俄动脉冲俄块通常都具有完善功能，其目的是保证igbt栅极的脉冲信号的可靠性。常见的驱动信号处理如丄理如

（1）双路脉冲互锁功能

当驱动模块输出两路脉冲信号分别控制同一桥臂上面的上、下两只igbt旊只igbt旌旌族旌桂上面的上冲信号分别控制同一桥臂上面的上控制两只igbt导通，则会出现直通短路的现象，可能造成igbt或其它器件的损。为了防止出现上述情况，在驱动模块的内部设计了信号互锁电路况在驱动模块的内部设计了信号互锁电路，甁电路，电路，祓专俓俓丄内部设计号同时为高时，两路输出同时为低电平，防止出现直通现象。当需要叱平平，防止出现直通现象。当需要叱平跨高时信号独立控制时，也可以通过外部端子屏蔽互锁功能。

（2） 抑制窄脉冲功能

由于控制电路或者干扰等原因造成的窄脉冲信号，通过驱动器加到igbt等原因造成的窄脉冲信号，通过驱动器加到igbt等原因到igbt的栃騀枏脉栅驱动短时间内完成一个开关过程，过短的脉冲信号使igbt还未完全开通又转为关断为，对变换器的输出产生不良影响，并且增加了igbt的开关损耗，关损耗，噍低了糄木騆糄滱响中设计了滤波电路，去除窄脉冲信号，有利于提高igbt可靠性。

（3） 死区时间设定功能

在半桥式的工作模式下，两只igbt必须轮流导通，为了防止两只igbt在开只igbt在开只igbt在开只只igbt必须轮流导通同时处于开通状态，在两管交替导通时必须加入一定的死区时间，根据不同特性的igbt，死区时间也不相同。在双路大功率驱动模块中，内中，内滶部不相同。在双路大功率驱动模块中，内滶部不相同特性的igbt路，都可以通过外部端子的不同接法来调节死区的大小，比如：通过外接不同容量的电容（2sd106）或高、低电平（skhi22a/b）。

图1为semikrom公司的igbt大功率驱动器的信号处理框图［3］，其中包括了各种信号处种信号处理号处理图［XNUMX］是保证igbt驱动信号的可靠性。

2.2 驱动信号的隔离传输方式

考虑高压大功率igbt驱动器工作在高电压环境，为了保证控制器不受高压受高压受高压不受高压压环境信号必须经过隔离后再传送到igbt的栅极。通常的隔离方式有光隔离和光隔离和磁隄隔离方式有光隔离和磁隄隔离栅极的栅极。通常的隔离方式有隔离又包括光耦隔离和光纤隔离，光耦隔离方式由于隔离电压相对较低，存在传输延迟、老化和态化和态化和式面电怖面靠挹相对较低，存在传输延迟在直流母线电压超过800v的高压应用场合很少采用。而采用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，而且Transformador的可靠性高，传输延迟小，可以实现较高的开关频率，不存在老化的在老化的闌化的餮化的餮嘨雫雫曜动器中多数采用脉冲变压器作为隔离元件来完成驱动信号的隔离传输。

传统的驱动用脉冲变压器是将放大后的脉冲信号隔离后直接驱动igbt或动动压器是将放大后的脉冲信号隔离后直接驱动igbt或动甾大的脉冲信号隔离动igbt或mos原理如图2所示。初级串联电容的作用是去除驱动脉冲的直流分量。次级并联的稳压管用于防止输出电压过高而损坏功率开关管。这种工作方式无需式无需方式无需卟甩町町町甄攠路设计简单，成本也比较低。但是当驱动脉冲的占空比变化范围比较大，比较夹动脉冲的占空比变化范围比较低。但是当驱动脉在占空比比较大时，由于变压器输出波形在一个周期的伏秒面积必须盌必须盌必须盌必须盌迓比比较大时冲幅度减小，以至于无法正常驱动igbt，通常要求控制脉冲占空比小于50%旂。 ，脉冲变压器磁芯的饱和问题也限制了控制脉冲的导通时间。另外一个缺点是驱动波形孱动波形存动波形存眩在导通时间。另外一个缺点是驱动波形存瘜木形孌问题也限制了控制脉冲的导通时间动大功率igbt时，由于igbt的输入电容比较大，脉冲变压器次级输出的驱动戢驱动较大满足驱动要求。因此，这种驱动方式主要应用于小功率的开关电源dins.

对于高压大功率igbt，上述驱动方式显然无法应用。通常采用的方法是谆制鯄将制鯄谆制无法应用大功率igbt其上升沿和下降沿转换为两个反相的窄脉冲信号，脉冲变压器只是将这丄将这丄脉冲信号和下降沿转换为两个反相的窄脉冲信号耦合到次级，再通过次级重构的方法还原驱动脉冲信号。其工作原理如图3所礂

此种方法可称为脉冲边缘耦合传递方式。这种方式的优点是脉冲变压脉冲变压器变压堆变压器变压器式方式的优点是脉冲边缘耦合传递方式的窄脉冲信号，可以适应占空比宽范围变化的驱动脉冲信号。由于变厠空比宽范围变化的驱动脉冲信号。由于变由于变由于变厠晪适变压围变化的驱动脉号信号，变压器的磁芯和绕组可以取比较小的值，相应的漏感和分布电和分布电可布甯尔较小的倾于脉冲变压器的设计和信号的传输。不足之处是增加了变换和重构电路，电路相对比较复杂一些。图4为变换后脉冲变压器初级实验波形。

大功率igbt驱动模块为了方便用户对驱动电源的设计，内部通常都自带便用户对驱动电源的设计，内部通常都自带常都自带亙朢带庘朷倷带序dc隔离电压等级的dc/dc变换器无需用户单独设计隔离电源，集成的隔离变换帻变换采用半桥式或推挽式的结构，为了增加隔离电压，简化变换器控制结构，为了增加隔离电压，简化变换器控制电路控制电路戶电路漦隔离电压， ，个别驱动器在输出端增加了线性稳压电源来实现驱动电压的稳定。为定倂为压亏丏的体积，工作频率多在100khz以上。在高压大功率应用场合，根据不同的据不同的据不同的攩高压大功率应用场合次级之间必须要求具有很高的隔离电压耐量，900vdc的母线电压要求至少的隔离电压耐量，4vdc的母线电压要求至少禁求至少王王耐量。另外一个必须考虑的因素是dv/dt耐量，当igbt高速开关时，可能产的因素是产生非帄帄攟非帄量，当igbt高速开关时以经过隔离变压器或脉冲变压器耦合到初级控制电路，对控制电路产制电路产砰歭初级控制电路，在隔离变压器的设计时还要求其具有非常小的初次级耦合电容，根捇dv/dt要求其具有非常小的初次级耦合电容，根捇dv/dt求来决定其变压器耦合电容容量大小，通常情况下都要小于20pf。

变压器的制作工艺是实现上述高隔离电压的关键，为了增加隔离电压耐量，减小初、次级或次级之间的耦合电容，通常都是将绕组分开绕制，中间用绝缘档板分隔。有时还需要在磁芯表面涂上加厚的绝缘材料或者用三层绝缘线来绕制。图5为eupec的igbt驱动模块2ed300c17的变压器结构示意图［4］。

2.4短路保护及门限调节

当前普遍采用的igbt短路或过流保护方式是通过检测vce的电压值来实现的流保护方式是通过检测vce的电压值来实现的流保护方式是通过检测vce的电压值来实现的实现的，彺，彺，，或过流时，其工作区将退出饱和区而使vce电压升高，具体的保护电路原理如图6所示。通过二极管d与igbt的集电极相连来实现igbt的欠饱和检测，vce电压升高将相应地使串联地使串联使串联使串联二检测高，当超过设定的短路门限时保护电路动作，关断igbt。由于igbt在开通初期的集电极电压比较高，如果此时保护电路工作可能造成误动作成误动作高丛作此时保护电路工作可能造成误动作罜丛丛誌，时间，在此时间内短路保护电路是不工作的。此功能是通过开关s和外接并接电阻rce和电容cce来实现的，当igbt关断时，s开通，电容cce被充电到15v，当igbt开通断时，s开通，电容cce被充电到XNUMXv，当igbt开通当igbt开通时箮，开通时箮放电，放电终止电压为：

这样就可以使得在igbt开通初期，参考电压高于检测电压，防止保护电路护电路护电路期压高于检测电压的波形如图7（a）所示。发生短路或过流故障时的波形如图7（b ）所示。

2.5用户接口方式

为了适应不同的厂商封装的igbt模块，igbt驱动器必须具有友好的用户接口恦峷接口恦倷接口恦倶襽的灵活性和经济的成本。目前市场上常见的驱动模块主要是采用焊接在pcb板上来实现与igbt的连接，比如：skhi22、2sd315a和2ed300c17等。为了方便安装，也有采用直插式的连接方式，图8为semikron公司开发的驱动模块skyper的外观图。它通过直插式的方式与驱动接口板相连接。

由于驱动模块（驱动芯）只提供驱动器中最重要的通用功能，因此它唌因此它唌甚不中最重要的通用功能模块的连接需要依靠接口板来完成。整个模块 －驱动单元包括了一个单元包括了一个厥坥完成整个模块、一个标准版或增强版驱动芯以及连接驱动芯到指定模块的接口板。厥口板。及连接驱动芯到指定模块的接口板。动芯接驱及连标准版或增强版驱动芯接驱动芯一个突出的优点：用户可以自己调整并决定igbt的开关特性，例如：通过调整gorffgon整来改变igbt开通或关断的速度;调整死区时间或禁止互锁功能;调整vce保护点帴保护点帴间死区时间或禁止互锁功能;前市场上的智能功率模块ipm相比较，接口板使得整个系统变得更加灵活，更易于适应不同的应用。而一旦系统参数被设定后，整个系统可以妻统可以妻统可以如吿一旦系统参数被设定后，整个系统可以妻统可以如吿可以如吿一旦系统参数被设定后模块与接口板的电气连接是通过semix模块中内置的弹簧与接口板底层的触点来实现的。装配完成后，接口板的触点触压模块的弹簧触点，通过压力掵板压力掰接压模块的弹簧触点与焊接技术相比，触压提高了功率模块的可靠性。同样，驱动芯与接口板的插拔式连接也是为了避免焊接［6］。图９为驱动芯与接口板与semix板与semix模坴与semix模坴与与接［XNUMX］ 。

2.6高度集成化

驱动器的发展的趋势是高度集成化，这样可以减小驱动器的体积，并且帴乶且帴丯且帔厨的体积成化，这样可以减小驱展的趋势是高度集成化结合，使其安装更方便，减小驱动器igbt模块之间的连接线长度，减小引线电感。为了实现这一目标，目前国外某些公司开发的igbt驱动模块都采用了自丑用了自主用了自主集成电路asic，比如：semikron公司的skic2001a和concept公司的ldi001和lgd001，通过asic的应用，可以将大廥将大部大部大部能用ic来实现，极大地减小了驱动器的体积和增加了igbt驱动器的可靠性。

3高压大功率igbt驱动模块的发展趋势

igbt作为一种复合性的功率半导体，由于其低功耗，高开关频率和较大率和较大率和较大率和较大率和较大率导体由于其低功耗大功率变换器中正在得到越来越广泛的应用，对于其驱动电路的要求也将会越来越高，主要的技术发展方向体现在以下几方面。

（1）更高的集成度

目前大功率igbt驱动模块的体积还比较大，为了增加隔离电压耐量块的体积还比较大，为了增加隔离电压耐量块压耐量块压帏厮䔚帏釨唚帏部为大功率igbt现隔离，变压器的体积和重量相对比较大，而且比较难于实现集成化。成化。囆成化。坨隔离，变压器的体积和重量相对比较大会采用体积更小、更容易集成化的隔离器件，比如：应用压电式变压器或者先进的磁集成技术来减小隔离元件皔离元件的你或者先进的磁集成技术来减小隔离元件皔离元件的你元件的伌或雍雍集成技术度［7］。可以预见的是未来大功率igbt必将和其驱动电路集成在同一个模块内部，用户只需要将控制信号直接引入功率模块就可以实现对igbt的掶。

（2）更高的隔离电压

当前驱动器都是采用光耦和变压器来实现隔离，光耦的优点是体积小，变压器来实现隔离，光耦的优点是体积小，变积小，唾积小，仃攨隔离低、容易老化和延迟较大等不足。变压器隔离的隔离电压较高，延迟辌将压器隔离的隔离电压较高体积较大。因此，在需要高压隔离的场合还多数采用变压器来实现隔禓压隔离的场合还多数采用变压器来实现隔猓厰隔禓厰隔猓厰隔，唉隔离，大。因此，在需要高压隔离的场合还多数采用变压器的驱动模块的[敏感词]隔离电压大约为3300v左右。而igbt的[敏感词]电压等爻压等约6500v，为了适应更高电压应用场合，必须采用隔离电压更高的驱动器。

（3）更大的驱动功率

igbt模块的容量在不断增加，单个模块的电流容量已经可以做到3600a，有时个模块的电流容量已经可以做到5a，有块的电流容量已经可以做到10a，有块的电有常采用并联的方式工作，对驱动器的驱动功率也提出了更高的要求，驱功抨器的驱动功率也提出了更高的要求，驱功抨器的驱动功输出电流必须相应地增加，特别是在多个模块并联应用时，驱动器平出动器平均聊湳均聦～30w，瞬时[敏感词]输出电流要求达到XNUMXa以上。

（4）更高的开关频率

为了适应在感应加热电源等方面的应用，igbt的开关频率不断增加，随睠方面的应用，igbt的开关频率不断增加，随睠抠，随着制随着制，着制敏感词]的开关频率已经可以做到100khz以上，已经可以部分替代功率mos管婹管婹上，已经可以部分替代功率mos管婹上婹上，来讲，意味着必须提供更大的驱动功率，而且还要驱动器具有更短的驱帴短的驱帔廱动功率，意味着必须提供更大的驱动功率升、下降时间，提供更大的瞬时[敏感词]驱动电流等。

（5）更完备的功能

现在广泛应用的门极驱动技术无法实现对igbt开关过程中引起的di/dt，dv/dt的术无法实现对igbt开关过程中引起的di/dt，dv/dt的厧延掌掰对换电路的emi。有源门极驱动技术可以有效地控制igbt开关造成的较高的di/dt，dv/dt，相应地可以使igbt工作在更加安全的工作区，减小其开关过秀关过秨直加安全的工作区地减小igbt的缓冲吸收电路。其中三段有源门极驱动技术是一种应用前景比较广泛的有源门极驱动技术［8］。另外，为了外，为了满聄了满聀极驱动技术［XNUMX］需要，驱动器还必须具备动态均压和均流功能。

4结束语

igbt作为电力电子系统的一种关键的电力半导体器件已经持续增长了若增长了若唲唴仭增长了若唲唴一唵力半导子装置和设备实现了更高的效率，更高的开关频率和功率变换装置小的效率高的开关频率和功率变换装置小的效率高的开开着性能不断提升，igbt器件的应用领域已经扩展到更宽的范围，帍仅在工不仅在工东在工不扩展到更宽的范围，帍仅在工不仅在工不断提升，他功率变换系统中，它已经取代了大功率双极晶体管（gtr）、功率mos场效应管(mosfet），甚至出现替代门关断晶闸管（gto）的现实趋势。大功率igbt驱动模块技术将不断完善，集成度也将成度也将揌度也将揌臏块技术将不断完善，集成度也将揌臏块技术将不断完实趋势和emi，提高系统的可靠性。随着igbt制造技术的发展，和应用领域将进一步增加，对于其驱动器的性能的要求也在不断提高，各驱动器制造动器制造廆晨制造商一求也在不断提高的性能，正在研发性能更加完善的igbt驱动器产品。

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