大功率igbt即大功率绝缘栅双极性晶体管，具有控制方便、开关速度快、工作频率高、安全工作区大等特点，用于开关电源、变频调速和有源滤波器等装置的理想功率开关器件，在电力电子装置中得到非常广泛的应用。其驱动保护电路起到弱电控制强电的终端界面(接口)作用，可以将该电路看成是一个相对独立的"子系统"。
按照大功率igbt驱动保护电路能够完成的功能来分类,可以将大功率igbt驱动保护电路分为以下三种类型:单一功能型,多功能型,全功能型.
1单一功能型
单一功能型的大功率igbt驱动保护电路一般是由光耦和功率缓冲器构成,hcpl-3150如等,如图1所示.它将普通控制信号的ttl/cmos输入电平信号转变为正负十几伏的igbt门极驱动输出电平,正负电平的幅值取决于隔离电源.
工程师进行设计时可将它配上隔离电源电路,死区控制电路,逻辑处理电路,门极驱动电阻等,就可直接驱动igbt,形成最简单的大功率igbt驱动保护电路;也可以自己配上一些外围电路形成多功能型驱动器.单一功能型的大功率igbt驱动保护电路的优点是应用灵活,成本较低.它既可以应用于诸如斩波,boost等需要单只igbt运行的主回路,也可以应用于由多只igbt组成的半桥,单相全桥,三相全桥等主回路.由于需要另配隔离电源电路,逻辑处理电路等,所以留给设计工程师的开发任务量大,这也是单一功能型的大功率igbt驱动保护电路的缺点.这里的逻辑处理电路一般是指上电顺序逻辑及各类保护处理等功能.
此外像hcpl-3150等驱动器的驱动能力有限,一般都在3a以下,如果驱动600a以上的igbt就需要外接更大的功率缓冲电路或采取其它措施.
2多功能型
多功能型的大功率igbt驱动保护电路除了提供直接驱动igbt的功能之外,还可以提供完善的保护功能,如hcpl-316j,m57962等,如图2和图3所示,它们一般采用混合厚膜封装技术或者采用集成封装技术,可以直接兼容cmos/ttl电平.工程师进行设计时一般只需要配上隔离电源电路,死区控制电路,逻辑处理电路,门极驱动电阻等,就可以成为一个较为完整的大功率igbt驱动保护电路.
m57962,hcpl-316j等驱动器本身具有较完整的保护功能,集成度高.其的优点是使开发人员的工作得到简化,而且可靠性高,非常适于多路驱动的场合.但是由于它们的驱动能力也有限,如果驱动更高功率的igbt,也需要外接更大的功率缓冲电路.m57962,hcpl-316j等驱动器一般提供软关断功能,在需要保护igbt退出过流,短路状态时,这个功能非常重要,它可以使igbt的npnp四层结构免于进入"可控硅栓锁"状态.此外像hcpl-316j等驱动器还具备欠压锁定保护功能,这大大简化了设计者的工作.
3全功能型
全功能型的大功率igbt驱动保护电路除了具有各类完善的保护功能之外,还都无一例外地配置了dc/dc隔离电源,如2sd315ai(concept),skypertmpro(semikron),2ed300c17-s(eupec)等,如图4所示.都是目前国际上着名的全功能型驱动器.
1门极驱动电压提升
目前igbt的开通电压一般采用+15v电压源驱动,有人已经提出发展恒流源驱动的方法,认为可以克服igbt的"米勒"电容效应,使igbt的导通更加可靠.igbt的关断电压从最初的0v,到后来的-7v左右,低频下普遍使用-15v.
2逐个脉冲软关断
现在大部分大功率igbt驱动保护电路在正常运行时的关断方式为硬关断,只有在出现过流的情况下才会采用软关断的方式.而在感性负载情况之下,igbt关断之后为了保持电流的连续性,必然会有一只续流二极管导通,此时会在功率母线的寄生电感上产生一个尖峰电压:δv=l×di/dt,除了寄生电感l及关断电流的大小影响之外,如果硬关断越快,即dt越小,则尖峰电压δv越高.而对于应用在较低频状况下的大功率igbt,由于电流在几百安培,所以逐个脉冲进行软关断将会大大降低尖峰电压δv,使尖峰电压δv产生的干扰会大幅减小,可以提高系统的可靠性.一些igbt生产厂商也在着手开发具有软关断特性的igbt芯片.
3过流检测保护阈值(参考基准)设置方法
当前大部分大功率igbt驱动保护电路对过流检测的保护阈值只有一个,一般常规值设在7v～9v.为了防止误报警,出现了一些不同的阈值设置方法.
变阈值设置方法:在igbt从截止状态刚刚进入饱和状态期间(约几个微秒至十几个微秒),保护阈值可以从15v(或者更高)按照一定的曲线降至常规设置值,可以避免在此期间的扰动的伪信号造成误报警;多阈值设置方法:为了更为符合实际的工况应用情况,降低停机率,可以采用多阈值保护.比如igbt的饱和压降达到阈值时,采用降低栅极电压的处理方式;达到更高的第二阈值时,才彻底关断igbt.
4更加贴近驱动对象
目前,针对各种工况下使用的igbt,例如高压变频器,ups,逆变焊机等应用场合,均有不同的大功率igbt驱动保护电路推出.这些驱动器的原理大致相同,但更加贴进各自的驱动对象.
5与智能功率模块(ipm)分别在不同的功率领域并行发展
ipm内部集成了驱动电路,只需提供控制信号即可工作,主要应用中小功率场合;而大功率igbt驱动保护电路一般用于大功率场合,对大功率的igbt进行驱动.随着igbt生产工艺,硅片技术,驱动技术的不断进步和发展,大功率igbt驱动保护电路与ipm均在各自的功率领域并行发展.