IGBT厂家以及IGBT4种常见的驱动电路形式

时间:2019-6-19 分享到:
IGBT厂家以及IGBT4种常见的驱动电路形式
IGBT是什么?
   IGBT全称为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor),所以它是一个有MOS Gate的BJT晶体管,可以简单理解为IGBT是MOSFET和BJT的组合体。MOSFET主要是单一载流子(多子)导电,而BJT是两种载流子导电,所以BJT的驱 动电流会比MOSFET大,但是MOSFET的控制级栅极是靠场效应反型来控制的,没有额外的控制端功率损耗。所以IGBT就是利用了MOSFET和BJT的优点组合起来的,兼有MOSFET的栅极电压控制晶体管(高输入阻抗),又利用了BJT的双载流子达到大电流(低导通压降)的目的 (Voltage-Controlled Bipolar Device)。从而达到驱动功率小、饱和压降低的完美要求,广泛应用于600V以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
IGBT厂家以及IGBT4种常见的驱动电路形式
图1 IGBT实物图 左图IGBT模块,右图IGBT管
   IGBT有什么用?
   绝缘栅双极晶体管(IGBT)是高压开关家族中最为年轻的一位。由一个15V高阻抗电压源即可便利的控制电流流通器件从而可达到用较低的控制功率来控制高电流。IGBT就是一个开关,非通即断,如何控制他的通还是断,就是靠的是栅源极的电压,当栅源极加+12V(大于6V,一般取12V到15V)时IGBT导通,栅源极不加电压或者是加负压时,IGBT关断,加负压就是为了可靠关断。
 IGBT没有放大电压的功能,导通时可以看做导线,断开时当做开路。
 IGBT有三个端子,分别是G,D,S,在G和S两端加上电压后,内部的电子发生转移(半导体材料的特点,这也是为什么用半导体材料做电力电子开关的原因),本来是正离子和负离子一一对应,半导体材料呈中性,但是加上电压后,电子在电压的作用下,累积到一边,形成了一层导电沟道,因为电子是可以导电的,变成了导体。如果撤掉加在GS两端的电压,这层导电的沟道就消失了,就不可以导电了,变成了绝缘体。
   IGBT是电机控制和功率变换的首选器件,从传统的电力、机械、矿冶,到轨道交通、航空航天、新能源装备以及特种装备等战略性新兴产业,都有IGBT应用的身影。以高铁应用为例,IGBT装置可以说是列车运行的“心脏”。高铁运行中,要在短时间将时速从零提升到300公里以上,反之,也需要在极短的时间内将正在高速运行的列车平稳停下来。这看似简单的加速、减速过程,相关传动设备、牵引变流器以及其他电动设备,要在短暂的时间内完成一系列复杂的高难度动作,这需要确保各种设备所需的电流、电压极为精准、可靠,在目前技术条件下,只有大功率的IGBT才能满足这一苛刻要求。在减速过程中,通过IGBT的作用,还可 以将列车减速产生的能量转为电能,回馈给电网。
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图2  IGBT是汽车元器件中的核心器件之一
   IGBT行业现况
   IGBT芯片的制造,是一个物理作用与化学作用完美结合的过程。 前后共有200多道**小小的工艺步骤,每个工艺步骤必须精准到位,每项技术火候都必须拿捏得当。否则,“失之毫厘,谬以千 里”,一个细小环节的差异,就可能导致整批芯片的报废。
   IGBT作用大,应用广泛,但这一技术长期被极少数经济发达国家所垄断。早些年,我国所有机车车辆用的IGBT模块全部依赖国外进口。每年,高铁、城轨、风电等产业,需要从国外采购数十亿美元的 IGBT产品,采购周期长达数月甚至一年以上。“有些领域,国外根本就不卖”。早在2006年,国家相关部委就将IGBT器件技术作为重大专项课题,集中进行研发,但由于基础落后、人才匮乏,进展缓慢。IGBT技 术的落后,使得我国一些关键产业 发展一度受制于人。
   国产IGBT研发进度
   “十一五”初期,南车株洲所在国内率先启动“高压IGBT元件研制”项目。然而,想在短短几年内,完全依靠自身力量,独立自主 研发掌握核心技术并推动IGBT技术产业化难度极大。南车株洲所智慧 地选择了一条“捷径”——实施“收购-整合-创新”战略,通过全球性战略布局,吸纳国际优势研发资源,对IGBT技术进行自主攻关。2008年10月31日,南车株洲所下属株洲南车时代电气股份有限 公司成功收购英国丹尼克斯半导体公司75%的股权,为中国南车实现IGBT技术的突破打开了一扇窗。目前,4500伏、6500伏等更高电压等级的IGBT芯片相继在南车株洲所研发成功,满足了轨道交通、智能电网等高端应用领域的需 要,并且实现IGBT制造技术从6英寸到8英寸的跨越。
   IGBT知名生产厂家
   1、美国国际整流器公司(IR)
   美国国际整流器公司(IR)为全球功率半导体和管理方案领先厂商。IR的模拟及混合信号集成电路、先进电路器件、集成功率系统和器件广泛应用于驱动高性能计算机及降低电机的能耗,是众多国际知名厂商开发下一代计算机、节能电器、照明设备、汽车、卫星系统、宇航及国防系统的电源管理基准。
   2、意法半导体(STMicroelectronics)
   意法半导体(ST)公司成立于1987年,是意大利SGS半导体公司和法国汤姆逊半导体合并后的新企业,从成立之初至今,ST的增长速度超过了半导体工业的整体增长速度。自1999年起,ST始终是世界十大半导体公司之一。为世界第一大专用模拟芯片和电源转换芯片制造商,世界第一大工业半导体和机顶盒芯片供应商,在分立器件、手机相机模块和车用集成电路领域居世界前列。标准产品包括分立器件如晶体管、二极管与晶闸管;功率晶体管如MOSFET、IGBT等。
   3、飞兆(Fairchild)
   飞兆半导体公司(FairchildSemiconductor)俗称“仙童半导体”,是美国的一家半导体设计与制造公司,目前总部设在缅因州南波特兰。曾经开发了世界上第一款商用集成电路(略微领先于德州仪器公司)。当前半导体行业的重要公司英特尔、AMD等的创始人都来自此公司。飞兆半导体公司在硅谷的发展史上占有重要的位置。
  4、富士通(Fuji)
  富士通(Fuji)主要产品包括自动售货机、工厂自动化设备、电源设备、半导体、集成电路等信息电子零部件。主要生产和销售IGBT、MOS-FET等功率半导体,特别是在工业驱动用IGBT组件领域的市场份额排名世界第三位,市场占有率高达30%。
  5、英飞凌
  自从1996年在无锡建立第一家企业以来,英飞凌的业务取得非常迅速的增长,目前在中国已经拥有8家公司和1700多名员工。2004年英飞凌在中国的销售额增加了30%,高于中国半导体行业的平均增长速度,在国内的排名由2002年的第七位上升至前四位,成为英飞凌亚太乃至全球业务发展的一个重要推动力。

驱动电路又称为激励电路,它是主电路与控制电路之间的接口,它的主要作用体现在:
(1)使功率开关管工作在较理想的开关状态,缩短开关时间,减小开关损耗,对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。
(2)对功率开关管或整个装置的一些保护措施也往往设在驱动电路中,或通过驱动电路实现。
驱动电路根据驱动的功率开关管的不同,可以分为电流驱动型和电压驱动型,其中功率晶体管需要电流型驱动电路驱动,电压型驱动电路驱动功率MOSFET和IGBT.驱动电路根据电路的具体形式可以分为分立元件组成的驱动电路和专用集成驱动电路,目前的趋势是采用集成驱动电路。

  1. 分立元件的驱动电路 
分立插脚式元件组成的驱动电路在80年代的日本和台湾变频器上被广泛使用,主要包括日本(富士:G2,G5.三肯:SVS,SVF,MF.,春日,三菱Z系列K系列等)台湾(欧林,普传,台安.)等一系列变频器。随着大规模集成电路的发展及贴片工艺的出现,这类设计电路复杂,集成化程度低的驱动电路已逐渐被淘汰。

  2. 光电耦合器隔离驱动电路  
当IGBT构成的主电路输出较大的功率时,IGBT的集电极电压很高,发射极不一定直接与公共地连接。控制电路与驱动电路仍为低电压供电,此种情况驱动电路与主电路之间不应直接连接,而应通过隔离元件间接传送驱动信号。根据所用隔离元件的不同,把隔离驱动电路分为电磁隔离与光隔离:a. 用脉冲变压器作为隔离元件的隔离电路称为电磁隔离电路;b. 用光耦合器把控制信号与驱动电路加以隔离的栅极驱动电路称为光电隔离驱动电路。
由于光电耦合器构成的驱动电路具有线路简单、可靠性高、开关性能好等特点,在IGBT驱动电路设计中被广泛采用。由于驱动光电锅台器的型号很多,所以选用的余地也很大。用于IGBT的光电耦合器驱动电路的驱动光电耦合器选用较多的主要有东芝的TLP系列、夏普的比系列、惠普的HLPL系列等。以东芝TLP系列光电锅台器为例,驱动IGBT模块的光电耦合器主要采用的是TLP250和TLP251两个型号。对于小电流(15A左右)的模块,一般采用TLP251。外围再辅以驱动电源和限流电阻等就构成了最简单的驱动电路。而对于中等电流(50A左右)的模块,一般采用TLP250型号的光电耦合器。而对于更大电流的模块,在设计驱动电路时一般在光电锅合器驱动电路后面再增加一级放大电路,以达到安全驱动IGBT模块的目的。光电耪合器的优点是体积小巧,缺点是反应较慢,因而具有较大的延迟时间(高速型光电耦合器一般也大于500ns)。光电锅台器的输出级需要隔离的辅助电源供电。

  3.厚膜驱动电路   
厚膜驱动电路是在阻容元件和半导体技术的基础上发展起来的一种混合集成电路。它是利用厚膜技术在陶瓷基片上制作模式元件和连接导线,将驱动电路的各元件集成在一块陶瓷基片上,使之成为一个整体部件。使用厚膜驱动电路给设计布线带来了很大的方便,可提高整机的可靠性和批量生产的一致性,同时也加强了技术的保密性。现在的厚膜驱动电路集成了很多保护电路和检测电路。
例:M57959L/M57962L厚膜驱动电路
M57959L/M57962L厚膜驱动电路采用双电源(+15V,- 10V)供电,输出负偏压为-10V,输入输出电平与TTL电平兼容,配有短路/过载保护和 封闭性短路保护功能,同时具有延时保护特性。其分别适合于驱动1200V/100A、600V/200A和1200V/400A、600V/600A及其以下的 IGBT。M57959L/M57962L在驱动中小功率的IGBT时,驱动效果和各项性能表现优良,但当其工作在高频下时,其脉冲前后沿变的较差,即信号的最大传输宽度受到限制。且厚膜内部采用印刷电路板设计,散热不是很好,容易因过热造成内部器件的烧毁。
日本三菱公司的M57959L集成IGBT专用驱动芯片它可以作为600V/200A或者1200V/100A的IGBT驱动。其最高频率也达40KHz,采用双电源  供电(+15V和-15V)输出电流峰值为±2A,M57959L有以下特点:
(1)采用光耦实现电器隔离,光耦是快速型的,适合20KHz左右的高频开关运行,光耦的原边已串联限流电阻,可将5V电压直接加到输入 侧。
(2) 如果采用双电源驱动技术,输出负栅压比较高,电源电压的极限值为+18V/-15V,一般取+15V/-10V。
(3)信号传输延迟时间短,低电平-高电平的传输延时以及高电平-低电平的传输延时时间都在1.5µs以下。
(4)具有过流保护功能。M57962L通过检测IGBT的饱和压降来判断IGBT是否过流,一旦过流,M57962L就会将对IGBT实施软关断,并输出过流故障信号。
(5)M57959的内部原理框图如图1所示,这一电路的驱动部分与EXB系列相仿,但是过流保护方面有所不同。过流检测仍采用电压采样,电路特 点是采用栅压缓降,实现IGBT软关断。
避免了关断中过电压和大电流冲击,另外,在关断过程中,输入控制信号的状态失去作用,既保护关断是在封闭状态中完成的。当保护开始时,立即送出故障信号,目的是切断控制信号,包括电路中其它有源器件。

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图1 M57959L的内部原理框图

  4. 专用集成驱动电路  
目前已开发和应用的专用集成驱动电路主要有IR公司的IR2111、IR2112、IR2113等。
此外,现在的一些欧美厂商在IGBT驱动电路设计上采用了高频隔离变压器(如丹佛斯VLT系列变频电源)。通过高频变压器对驱动电路的电源及信号的隔离,增强了驱动电路的可靠性,同时也有效地防止了主电路出现故障时对控制电路的损坏。在实际应用中这种驱动电路的故障率很低,大功率模块也极少出现问题。

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