【文章內容簡介】 T 市場隨著節(jié)能減排的推進將得到快速發(fā)展， 增速將達到 20％ ~30％ ，遠超整個功率器件市場。由于關鍵技術的缺失，中國功率器件市場絕大部分份額被國外廠商占領，在國家政策扶持下，目前中國 IGBT 行業(yè)中高端技術已有突破，部分廠商已具備量產(chǎn)能力。 IGBT 模塊發(fā)展趨向是 高耐壓、大電流、高速度、低壓降、高可靠、低成本 為目標的，更多相關文檔資源請訪問 文檔包含完整 CAD 設計文件，電子設計相關包含源代碼及設計 CAD 文件，材料完整，歡迎聯(lián)系 68661508 索要 特別是發(fā)展高壓變頻器的應用，簡化其主電路，減少使用器件，提高可靠性，降低制造成本，簡化調試工作等，都與 IGBT 有密切的內在聯(lián)系 。 隨著大功率 IGBT 在生產(chǎn)中的應用越來越加廣泛，那么 IGBT 的驅動電路也得到了成熟的發(fā)展。 在使用 IGBT 構成的各種主回路之中，大功率 IGBT 驅動保護電路起到弱電控制強電的終端界面 (接口 )作用 。 因其重要性，所以可以將該電路看成是一個相對獨立的 “ 子系統(tǒng) ” 來研究、開發(fā)及設計。 大功率 IGBT 驅動保護電路一直伴隨 IGBT 技術的發(fā)展而發(fā)展，現(xiàn)在市場上流行著很多種類非常成熟的大功率 IGBT 驅動保護電路專用產(chǎn)品，成為大多數(shù)設計工程師的首選 ；也有許多的工程師根據(jù)其電路的特殊要求，自行研制出各種專用的大功率 IGBT。 驅動保護電路 而 IGBT 行業(yè)中的高端技術重點在于怎樣驅動以及保護 IGBT 正常工作。 研究現(xiàn)狀 產(chǎn)品現(xiàn)狀 當前市場上的成品驅動器 ,按驅動信號與被驅動的絕緣柵器件的電氣關系來分 ， 可分為直接驅動和隔離驅動兩種 ， 其中隔離驅動的隔離元件有光電耦合器和脈沖變壓器兩種。 不隔離的直接驅動器 ： 在 Boost、全波、正激或反激等電路中，功率開關管的源極位于輸入電源的下軌， PWM IC 輸出的驅動信號一般不必與開關管隔離，可以直接驅動。如果需要較大的驅動能力 ， 可以加接一級放大器或是串上一個成品驅動器。直接驅動的成品驅動器一般都采用薄 膜工藝制成 IC 電路，調節(jié)電阻和較大的電容由外引腳接入。目前的成品驅動器種類不少，如 TI 公司的 UCC37XXX 系列， TOSIBA 公司的 TPS28XX 系列，0nsemi 公司的 MC3315X 系列， SHARP 公司的 PC9XX 系列， IR 公司的 IR21XX 系列，等等，種類繁多 。 光電耦合器的隔離驅動器 ： 隔離驅動產(chǎn)品絕大部分是使用光電耦合器來隔離輸入的驅動信號和被驅動的絕緣柵器件，采用厚膜工藝制成 HIC 電路，部分阻容元件也由引腳接入。目前市售的光電耦合型驅動器產(chǎn)品，主要有 FUJI 公司的 EXB8XX 系列、 MITSUBISHI 公司的 M579XX 系列、英達公司的 HR065 和西安愛帕克電力電子有限公司的 HL402B 等，以及北京落木源電子技術有限公司的 TXKA 系列。 TXKA 系列驅動器保護功能完善、工作頻率高、價格便宜，并能與多種其它類型的驅動器兼容。此類產(chǎn)品，由于光電耦合器的速度限制，一般工作頻率都在 50KHz 以下 (TXKA101 可達 80K)。它們的優(yōu)點是大部分具有過流保護功能，其過電流信號是從 IGBT 的管壓降中取得的；共同的缺點是需要一個或兩個獨立的輔助電源，因而使用較為麻煩。 由于成本問題，該類產(chǎn)品價格稍高，因此只適用于在 大功率電源中驅動 IGBT 模塊，在中小功率領域難以推廣使用。 變壓器隔離、一路電源輸入，自帶 DC/DC 輔助電源的驅動器 ： 目前有 CONCEPT 公司的 2SD315A 和 SEMIKRON 公司的 SKHI22 等，使用兩個脈沖變壓器傳遞半橋驅動信號，需要一路電源輸入，自帶一個 DC/DC 電源提供驅動所需的兩個輔助電源 。 輸出的驅動信更多相關文檔資源請訪問 文檔包含完整 CAD 設計文件，電子設計相關包含源代碼及設計 CAD 文件，材料完整，歡迎聯(lián)系 68661508 索要 號質量不錯，驅動能力也很強，但由于結構復雜，因而體積較大，價格不菲，只適用于特大功率電源中。上述兩種驅動板的信號傳遞采用的是調制技術。 北京落木源公司也開發(fā)了一款變壓器隔離的驅動器，型號為 KB101，可以工作在較高的頻率上，但是需要用戶提供輔助電源。 變壓器隔離、調制式自給電源驅動器 ： 調制式自給電源驅動器，采用變壓器進行電氣隔離，通過載頻傳遞驅動所需要的能量，通過調制信號傳遞 PWM 信息，因此可以通過0~100％占空比的 PWM 信號。目前的許多驅動板產(chǎn)品都采用這種技術，如西門康的 SKHI27等。單片式的調制驅動器，目前國外還未見有產(chǎn)品出售。但有一種 2 片組合式的，如UNITRODE 公司的 UC3724/25 集成電路對，其中 3724 與驅動源相連， 3725 與被驅動的絕緣柵器件相連， 3724 與 3725 之間由用戶接 入一個脈沖變壓器，在 UC3724 中將 PWM 信號調制到約１ MHz 的載波上，送到隔離脈沖變壓器的初級，次級輸出信號在 UC3725 中通過直接整流得到自給電源，通過解調取得原 PWM 信號。 國內的單片式調制驅動器，有北京落木源的 TXKE 系列驅動器。調制驅動器，除無需用戶提供輔助電源外，還具有隔離電壓高的特點，但是價格較高。 變壓器隔離、分時式自給電源驅動器 ： 分時式自給電源驅動器產(chǎn)品的優(yōu)點是：價格便宜，大中小功率的電源都可應用；驅動器自身不需要單獨的供電電源，簡化了電路；輸出驅動脈沖的延遲很少，上升和下降沿也相當 陡峭；工作頻率較高 ， 并且可在占空比 5~95%的范圍內工作。 分時式自給電源驅動器的缺點是當工作頻率較低時變壓器的體積較大，厚膜化困難，由于自給電源提供的能量有限、難以驅動 300A/1200V 以上的 IGBT。 技術現(xiàn)狀 開關電源中大功率器件驅動電路的設計一向是電源領域的關鍵技術之一。普通大功率三極管和絕緣柵功率器件 (包括 VMOS 場效應管和 IGBT 絕緣柵雙極性大功率管等 )， 由于器件結構的不同 ， 具體的驅動要求和技術也大不相同。前者屬于電流控制器件 ， 要求合適的電流波形來驅動 ； 后者屬于電場控制器件 ， 要求一 定的電壓來驅動。本文只介紹后者的情況。 VMOS 場效應管 (以及 IGBT 絕緣柵雙極性大功率管等器件 )的源極和柵極之間是絕緣的二氧化硅結構，直流電不能通過 ， 因而低頻的靜態(tài)驅動功率接近于零。但是柵極和源極之間構成了一個柵極電容 Cgs，因而在高頻率的交替開通和關斷時需要一定的動態(tài)驅動功率。小功率 VMOS 管的 Cgs 一般在 10100pF 之內 ， 對于大功率的絕緣柵功率器件 ， 由于柵極電容 Cgs 較大，在 1100nF， 甚至更大 ， 因而需要較大的動態(tài)驅動功率。更由于漏極到柵極的密勒電容 Cgs， 柵極驅動功率是不可忽視的。 為可 靠驅動絕緣柵器件，目前已有很多成熟電路。當驅動信號與功率器件不需要隔離時，驅動電路的設計是比較簡單的，目前也有了一些優(yōu)秀的驅動集成電路，如 IR2110。當需要驅動器的輸入端與輸出端電氣隔離時，一般有兩種途徑：采用光電耦合器，或是利用脈沖變壓器來提供電氣隔離。 更多相關文檔資源請訪問 文檔包含完整 CAD 設計文件，電子設計相關包含源代碼及設計 CAD 文件，材料完整，歡迎聯(lián)系 68661508 索要 光電耦合器的優(yōu)點是體積小巧 ， 缺點是 ： A、 反應較慢，因而具有較大的延遲時間 (高速型光耦一般也大于 500ns)； B、 光電耦合器的輸出級需要隔離的輔助電源供電。 用脈沖變壓器隔離驅動絕緣柵功率器件有三種方法 ： 無源、有源和自給電源驅動。 無源方法就是用變 壓器次級的輸出直接驅動絕緣柵器件，這種方法很簡單，也不需要單獨的驅動電源，但由于絕緣柵功率器件的柵源電容 Cgs 一般較大，因而柵源間的波形 Vgs將有明顯變形，除非將初級的輸入信號改為具有一定功率的大信號，相應脈沖變壓器也應取較大體積。 有源方法中的變壓器只提供隔離的信號，在次級另有整形放大電路來驅動絕緣柵功率器件，當然驅動波形好，但是需要另外提供隔離的輔助電源供給放大器。而輔助電源如果處理不當，可能會引進寄生的干擾。 自給電源方法的已有技術是對 PWM 驅動信號進行高頻 (1MHz 以上 )調制，該信號加在隔離脈沖 變壓器的初級，在次級通過直接整流得到自給電源，而原 PWM 調制信號則需經(jīng)過解調取得，顯然，這種方法并不簡單 , 價格當然也較高。調制的優(yōu)點是可以傳遞的占空比不受限制。 分時式自給電源是北京落木源公司的創(chuàng)新技術，其特點是變壓器在輸入 PWM 信號的上升和下降沿只傳遞 PWM 信息，在輸入信號的平頂階段傳遞驅動所需要的能量，因而波形失真很小。這種技術的缺點是占空比一般只能達到 5~95％。 主要研究內容 本文旨在研究 IGBT 工作特性，以及驅動電路和保護電路的設計，本文的研究內容如下： 第二章主要針對絕緣柵雙擊晶體管 （ IGBT）的基本內部結構和元件特性進行簡要的介紹和了解。其中介紹了 IGBT 的基本工作原理及其基本特性。敘述了 IGBT 的導通條件及在其中詳細論述了 IGBT 的基本特性的靜態(tài)特性中的轉移特性和輸出特性 (伏安特性 )的內容，通過其中的波形圖可以具體的掌握其特性的知識。同時，還介紹了 IGBT 的動態(tài)特性，介紹了 IGBT 開關過程中的柵射電壓 Uge、集電極電流 Ic、集射電壓 Uce的波形及其中的工作特性。并在最后對現(xiàn)有品牌的大功率 IGBT 模塊進行簡單的初步介紹和選取。 第三章是針對 IGBT 的驅動電路的設計要求進行了討論并設計 IGBT 驅動電路。本章的前面針對包括了驅動電路的設計時的注意事項，同時也介紹了幾種常見的 IGBT 的驅動電路，包括：阻尼濾波門極驅動電路、光耦合門極驅動電路、脈沖變壓器直接驅動 IGBT的電路并同時舉例。本次 IGBT 的驅動電路的設計就是選擇了光耦合器門極驅動。其中還對 IGBT 驅動電路中的柵極電阻的選擇和其對于 IGBT 的影響和作用的討論。柵極電阻 Rg對于 IGBT的正常穩(wěn)定的運行有著至關重要的作用，并且 Rg的選取也有很多要考慮的因素。在本章節(jié)內容中還就參考的資料詳細的了解了 Rg和 IGBT 開關特性及柵極電阻的計算。 第四章 中分析了 IGBT 元件 的保護，就 IGBT 的柵極保護、過流保護及 IGBT 開關過程中的過電壓保護和過熱保護分別進行分析和學習。并同時羅列出各個模塊的舉例電路，更多相關文檔資源請訪問 文檔包含完整 CAD 設計文件，電子設計相關包含源代碼及設計 CAD 文件，材料完整，歡迎聯(lián)系 68661508 索要 根據(jù)所知的內容為自己的 IGBT 驅動電路的設計做好鋪墊，本章節(jié)的內容對于設計 IGBT驅動電路有很大的作用。最終設計出 IGBT 驅動電路并進行分析 第五 章是 對隔離型 IGBT 驅動電路的硬件設計部分進行設計，并對該電路的工作原理進行必要的講解，最后 使用 Multisim 軟件對該電路進行繪制。 更多相關文檔資源請訪問 文檔包含完整 CAD 設計文件，電子設計相關包含源代碼及設計 CAD 文件，材料完整，歡迎聯(lián)系 68661508 索要 2 IGBT 的基本結構 及 IGBT 模塊選型 IGBT 的結構 及 工作 原理 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由 BJT（ 雙極型三極管 ） 和 MOS（ 絕緣柵型場效應管 ） 組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件 ， 兼有MOSFET 的高輸入阻抗和 GTR 的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。 GTR 飽和壓降低，載流密度大 ， 但驅動電流較大 ； MOSFET 驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大 ， 載流密度小。IGBT 綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅動功率小而飽和壓降低 。 非常適合應用于直流電壓為 600V 及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關電源、照 明電路、牽引傳動等領域。 絕緣柵雙極晶體管（ IGBT） 本質上是一個場效應晶體管，只是在漏極和漏區(qū)之間多了一個 P 型層。根據(jù)國際電工委員會的文件建議，其各部分名稱基本沿用場效應晶體管的相應命名。 IGBT 的結構剖面圖如圖 1 所示， IGBT 在結構上類似于 MOSFET，其不同點在于 IGBT是在 N 溝道功率 MOSFET 的 N+基板（漏極）上增加了一個 P+基板（ IGBT 的集電極），形成 PN 結 j1，并由此引出漏極、柵極和源極則完全與 MOSFET 相似。 正是由于 IGBT 是在 N 溝道 MOSFET 的 N+基板上加一層 P+基板，形成了四層 結構，由 PNP－ NPN 晶體管構成 IGBT。但是， NPN 晶體管和發(fā)射極由于鋁電極短路，設計時盡可能使 NPN 不起作用。所以說， IGBT 的基本工作與 NPN 晶體管無關，可以認為是將 N溝道 MOSFET 作為輸入極， PNP 晶體管作為輸出極的單向達林頓管。 圖 1 IGBT 的結構剖面圖 由圖 1 可以看出， IGBT 相當于一個由 MOSFET 驅動的厚基區(qū) GTR，其簡化等效電路如圖 2 所。 更多相關文檔資源請訪問 文檔包含完整 CAD 設計文件，電子設計相關包含源代碼及設計 CAD 文件，材料完整，歡迎聯(lián)系 68661508 索要 圖 2 N 溝道 IGBT 的簡化等效電路和電氣圖形符號電路圖 圖中 Rff 是厚基區(qū) GTR 的擴展電阻。 IGBT 是以 GTR