除了功率模塊以外，每個電力電子系統(tǒng)都還有另外一個關(guān)鍵部件就是IGBT驅(qū)動電路，它們是功率晶體管和控制器之間非常重要的接口電路。因此，選擇適當(dāng)?shù)尿?qū)動電路就和逆變器整體方案的可靠性緊密相關(guān)。與此同時，驅(qū)動電路還應(yīng)該具備最廣泛的系統(tǒng)適應(yīng)性和用戶接口友好性。
例如，在一個電力電子逆變器中，微控制器提供系統(tǒng)正確運(yùn)行所需要的數(shù)字信號。IGBT驅(qū)動電路的功能就是將來自于微控制器的信號轉(zhuǎn)換成具有足夠功率的驅(qū)動信號，來保證IGBT安全地關(guān)斷與開通。另一方面，IGBT驅(qū)動電路為微控制器和功率晶體管之間的電壓提供電氣隔離。為了在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時功率模塊得到正確和有效的保護(hù)，保護(hù)功能也被集成到驅(qū)動電路中。
因此用于IGBT功率模塊上的驅(qū)動電路必須能夠完成門極驅(qū)動和模塊保護(hù)功能。它們還必須能為控制部分和功率半導(dǎo)體之間提供電氣隔離，并滿足多種不同型號IGBT的驅(qū)動要求。為了滿足上述要求，必須對現(xiàn)有的門極驅(qū)動電路進(jìn)行優(yōu)化。具體地說，就是必須在諸多因素如功能，靈活性以及性價比之間尋求最優(yōu)平衡，所幸的是，在新的門極驅(qū)動電路SKYPER中我們做到了這一點。
結(jié)構(gòu)
圖1是SKYPER驅(qū)動電路的原理框圖。該電路是一個半橋電路，它具備基本驅(qū)動電路所有的功能，如電勢隔離，保護(hù)功能如VCE監(jiān)測，短脈沖抑制，欠壓監(jiān)測以及死區(qū)時間。通過使用ASIC芯片以及基于基本驅(qū)動器功能的驅(qū)動器設(shè)計，它需要的元器件比傳統(tǒng)的驅(qū)動電路要少得多。
電源隔離
電源隔離最重要的要求就是必須具有很高的隔離電壓和足夠高的dv/dt。通過從原邊到副邊使用pF級的小容量耦合電容就可以得到高的dv/dt。這也會減小在功率半導(dǎo)體開關(guān)轉(zhuǎn)換時由位移電流導(dǎo)致的信號發(fā)射干擾。就逆變器而言，IGBT的快速開關(guān)會導(dǎo)致比較大的電壓階躍(高dv/dt值)。因此有必要考慮噪聲信號可能會影響到控制信號。這些噪聲信號可以通過電氣隔離器件的耦合電容到達(dá)控制系統(tǒng)。
在圖1所示的驅(qū)動核心電路中，(副邊的)功率開關(guān)管與(原邊的)信號電路被磁性變壓器隔離，磁性變壓器還傳遞驅(qū)動信號，驅(qū)動電流能量以及故障信號。這意味著驅(qū)動核心電路適用于電壓達(dá)1700V的IGBT。
使用信號變壓器(脈沖變壓器)不僅可以提供高質(zhì)量的電氣隔離，它在原邊與副邊間還有很高的dv/dt(50kv/us)。與光耦構(gòu)成的驅(qū)動電路不一樣的是，信號變壓器可靠性好，號電路通道被互鎖，直到有復(fù)位脈沖對該電路進(jìn)行復(fù)位。在IGBT退飽和監(jiān)視中，必須考慮它的實時飽和電壓特征。在IGBT開通的最初幾個微秒，集電極－發(fā)射極電壓遠(yuǎn)高于穩(wěn)定后的VCEsat值。因此監(jiān)測電路的響應(yīng)特征在消隱時間內(nèi)(圖4)必須與VCEsat特征圖一致。
如果驅(qū)動電壓下降比較大，則門極驅(qū)動與保護(hù)功能都將失效。而且功率晶體管不再完全受控。因為門極電壓比較低，IGBT將工作在線性區(qū)間。如果IGBT工作在線性區(qū)間，它的損耗非常大，完全有可能發(fā)生熱過載。為了確保門極驅(qū)動電壓的降低能夠被檢測到，驅(qū)動電壓也受到實時監(jiān)測，一旦電壓異常，則集成的故障存儲器被置位。至于電路短路的監(jiān)測情況，一旦發(fā)生短路，則故障存儲器既封鎖輸出電路的輸入脈沖，也封鎖設(shè)置驅(qū)動電路故障信號的輸入脈沖。
為了避免橋臂發(fā)生短路，在電壓源電路中同一橋臂的IGBT一定不能同時開通。因為有驅(qū)動電路產(chǎn)生的死區(qū)時間，即使在輸入信號錯誤時，兩路輸出也會被互鎖。
在上述標(biāo)準(zhǔn)版本的驅(qū)動核心電路基礎(chǔ)上，我們還開發(fā)出一個增強(qiáng)版，它集成了其它一些功能如副邊故障輸入以及加強(qiáng)的故障管理功能，而且還加入了軟關(guān)斷技術(shù)以提高短路保護(hù)的能力。在發(fā)生短路時，該功能以比較低的速度關(guān)斷IGBT，從而降低了直流母線電壓過沖，使IGBT適應(yīng)更高的直流母線電壓。這也意味著可以提高最終的輸出功率。
連接情況
SKYPER驅(qū)動核心電路適合于通過焊接或接插件與PCB進(jìn)行組裝，能夠與多種IGBT模塊進(jìn)行匹配。通過盡可能地優(yōu)化開關(guān)特性，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出來的解決方案既具備標(biāo)準(zhǔn)智能功率模塊的通用功能，又不失傳統(tǒng)功率模塊的靈活性。靈活的裝配設(shè)計允許驅(qū)動電路直接安裝在IGBT模塊上，而且這種連接使得IGBT模塊和驅(qū)動電路之間的連接線很短。因此這種驅(qū)動電路為電路設(shè)計者提供了帶電勢隔離和保護(hù)功能的簡單的門極驅(qū)動電路。SKYPER可被應(yīng)用于如功率電子變換器等廣泛領(lǐng)域中。
參考文獻(xiàn)
1. http://www.semikron.com
2. Application Manual Power Modules, SEMIKRON International
