智能功率模块中的IGBT驱动电路的隔离方案作者：海飞乐技术 时间：2017-04-24 14:10
IGBT具有高功率容量且驱动电路简单的特点，因而被广泛应用于电力电子功率装置中。同时随着对功率装置系统集成度越来越高的要求，集成有IGBT功率芯片和驱动保护电路的智能功率模块(IPM)应运而生。具有高可靠性和高集成度特点的IGBT智能功率模块能够提高电力电子功率装置的功率密度，并消化系统开发的步骤。 
图1 IR2110典型应用电路图
自举电路的隔离方式结构简单，成本较低，能够有效的隔离600V以内的高压侧电压，但其同样存在缺点，即高压侧的MOS管或IGBT管不能被负压关断。当高压侧的开关管或驱动芯片的工作环境所受电磁千扰较大时，开关管在关断后容易被误导通，引起短路等故障，不利于整个电路的可靠工作。2. 光耦隔离 光耦开关内部是通过电-光-电的信号转换方式来进行信号的传输，同样可以用到IGBT驱动方案中，可靠性也得到大大提高。光耦开关的输出不能输出大电流，所以一般需要接推挽放大电路来驱动IGBT模块，或者直接使用集成的光耦驱动保护芯片。市面上的IGBT光耦驱动芯片以驱动保护集成芯片为主，主要供应商有安华高、夏普、东芝等等，其中以安华高的产品最多，现在最常用的如ACPL-331J、HCPL-316J驱动保护集成芯片等。下图2为光耦驱动集成芯片的内部结构等效电路图，由光耦开关和输出驱动功率放大部分构成。相比于自挙电路，光耦隔离方案的缺点在于每一个开关管对应的高压侧都需要一个单独的高压隔离电源供电，增加了电路的体积，但光耦隔离方案能够应用在1200V的高压侧电压条件下，应用更加的广泛。 
图2 光耦驱动芯片等效结构
3. 脉冲变压器隔离 脉冲变压器隔离方式是通过变压器的方式进行的信号传输，其等效电路结构如下图3所示。图4为该等效电路结构在某种信号调制方式下的低压侧驱动信号、通过变压器的高频调制信号以及最终输出到IGBT门极端的驱动信号。在IGBT驱动板工作过程中，控制板驱动信号输入到驱动电路原边，经低压侧信号调制电路转换为高频开关信号并通过变压器传输给高压侧的信号解调电路，解调后的信号经过驱动放大电路来驱动IGBT模块。此处需要将低压侧的驱动信号调制为高频脉冲来通过信号变压器的原因在于，IGBT的驱动信号一般为kHz的数量级，是相对低频的开关信号，若直接通过变压器传输即易引起变压器的饱和，导致短路等故障情况。 
图3 脉冲变压器隔离等效驱动及电源电路
图4 变压器隔离驱动电路各点波形
相比于光耦开关，脉冲变压器能够传递信号及功率，适合用于高压隔离电源以及驱动隔离方案。一般变压器两侧的信号传输延时在20ns左右，而光耦开关两侧信号的传输延时至少有100ns，相比于光耦隔离，脉冲变压器隔高方式下的信号传播速度更快，适用于在更高频的开关频率下工作。同时，理论上来说，在设计好电气间隙和爬电距离的前提下，变压器隔离方式能够适用于所有电压等级的IGBT模块，现在市面上IGBT驱动方案最大的供应商CONCEPT公司的脉冲变压器IGBT驱动方案有1.7kV、3.3kV、6.5kV等电压等级的产品，其不同的产品能够覆盖市面上所有不同电压等级的IGBT模块。如CONCEPT公司的IGBT驱动方案2SC0108T，用于半桥驱动。半桥上下开关管的信号变压器以及电源变压器全部集成在一起，体积得到了大大的减小，提高了功率装置的功率密度。国内的变压器隔离驱动保护方案方面也有了一些成熟的产品，比如Power-sem公司的PSH10421等系列产品，但在集成度方面和国外的产品依然有差距。 另外，除了上面介绍的几种产品之外，英飞凌公司推出了无核隔离变压器的驱动保护方案，将单路或多路信号变压器及低压侧和高压侧的电路集成于单个芯片内部，如1ED020112-F2为单路驱动集成芯片，其大小与最常用的光耦隔离集成芯片HCPL-316J一致，大大缩减了驱动电路的体积，但同样有所欠缺的就是由于没有高压隔离电源方案的集成，所以在使用中需要另外配套多路高压隔离电源电路。 4. 光纤隔离 光纤隔离的驱动保护方案一般用于功率较大的电力电子装置方案中，用于可靠传输驱动及故障信号。由于在光纤中传输的是光信号，抗电磁干扰的能力得到大大的增强，同时其也能用应用于所有电压等级的IGBT模块中。相对于光耦隔离和脉冲变压器隔离驱动方案，由于光纤传输中的低压侧和高压侧没有杂散电容的存在，因此消除了共模电流的干扰，提高了IGBT驱动保护方案工作的可靠性，但光纤接收发送装置在成本上高于其它驱动保护方案，增加了功率装置的成本。目前市场上最常用的光纤方案是安华高公司所提供的方案，其光纤隔离方案主要包括光纤发送头HFBR-1521Z、光纤接收头HFBR-2521Z、光纤线等。 上一篇：三电平逆变器中IGBT驱动电路的保护方案 下一篇：大功率IGBT的对称栅极控制驱动电路设计方法
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