1　引言
　　電力電子技術在當今急需節能降耗的工業領域里起到了不可替代的作用;而igbt在諸如變頻器、大功率開關電源等電力電子技術的能量變換與管理應用中，越來越成為各種主回路的首選功率開關器件，因此如何安全可靠地驅動igbt工作，也成為越來越多的設計工程師面臨需要解決的課題。
　　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”來研究、開發及設計。
　　大功率igbt驅動保護電路一直伴隨igbt技術的發展而發展，現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品，成為大多數設計工程師的首選;也有許多的工程師根據其電路的特殊要求，自行研制出各種專用的大功率igbt驅動保護電路。本文對這些大功率igbt驅動保護電路進行分類，并對該電路需要達到的一些功能進行闡述，最后展望此電路的發展。此外本文所述大功率igbt驅動保護電路是指應用于直流母線電壓在650v～1000v范圍、輸出電流的交流有效值在100a～600a范圍的場合。

2　大功率igbt驅動保護電路的分類
　　按照大功率igbt驅動保護電路能夠完成的功能來分類，可以將大功率igbt驅動保護電路分為以下三種類型:單一功能型、多功能型、全功能型。
2.1　單一功能型
　　單一功能型的大功率igbt驅動保護電路一般是由光耦和功率緩沖器構成，如hcpl-3150 等，如圖1所示。它將普通控制信號的ttl/cmos輸入電平信號轉變為正負十幾伏的igbt門極驅動輸出電平，正負電平的幅值取決于隔離電源。

圖1　hcpl-3150原理框圖及引腳示意圖

　　工程師進行設計時可將它配上隔離電源電路、死區控制電路、邏輯處理電路、門極驅動電阻等，就可直接驅動igbt，形成最簡單的大功率igbt驅動保護電路;也可以自己配上一些外圍電路形成多功能型驅動器。
　　單一功能型的大功率igbt驅動保護電路的最大優點是應用靈活、成本較低。它既可以應用于諸如斬波、boost等需要單只igbt運行的主回路，也可以應用于由多只igbt組成的半橋、單相全橋、三相全橋等主回路。由于需要另配隔離電源電路、邏輯處理電路等，所以留給設計工程師的開發任務量大，這也是單一功能型的大功率igbt驅動保護電路的最大缺點。這里的邏輯處理電路一般是指上電順序邏輯及各類保護處理等功能。
　　此外像hcpl-3150 等驅動器的驅動能力有限，一般都在3a以下，如果驅動600a以上的igbt就需要外接更大的功率緩沖電路或采取其它措施。
2.2　多功能型
　　多功能型的大功率igbt驅動保護電路除了提供直接驅動igbt的功能之外，還可以提供完善的保護功能，如hcpl-316j、 m57962等，如圖2和圖3所示，它們一般采用混合厚膜封裝技術或者采用集成封裝技術，可以直接兼容cmos/ttl電平。工程師進行設計時一般只需要配上隔離電源電路、死區控制電路、邏輯處理電路、門極驅動電阻等，就可以成為一個較為完整的大功率igbt驅動保護電路。
　　m57962、hcpl-316j等驅動器本身具有較完整的保護功能，集成度高。其最大的優點是使開發人員的工作得到簡化，而且可靠性高，非常適于多路驅動的場合。但是由于它們的驅動能力也有限，如果驅動更高功率的igbt，也需要外接更大的功率緩沖電路。
m57962、hcpl-316j等驅動器一般提供軟關斷功能，在需要保護igbt退出過流、短路狀態時，這個功能非常重要，它可以使igbt的npnp四層結構免于進入“可控硅栓鎖”狀態。此外像hcpl-316j等驅動器還具備欠壓鎖定保護功能，這大大簡化了設計者的工作。
2.3　全功能型
　　全功能型的大功率igbt驅動保護電路除了具有各類完善的保護功能之外，還都無一例外地配置了dc/dc隔離電源，如2sd315ai(concept)、skypertmpro(semikron)、2ed300c17-s(eupec)等，如圖4、圖5和圖6所示。都是目前國際上著名的全功能型驅動器。

圖2　hcpl-316j原理框圖及引腳示意圖

圖3　m57962原理框圖及引腳示意圖

圖4　2sd315ai原理框圖

圖5　skyperpro原理框圖

圖6　2ed300c17-s原理框圖

3　大功率igbt驅動保護電路的功能
　　根據不同的應用需要，大功率igbt驅動保護電路可以由多個功能組成一個相對完整的獨立子系統。該系統的主要任務是完成“接口”工作:
3.1　隔離功能
　　由于產生波形邏輯的控制電路與功率主回路之間存在電平差異，而且功率主回路存在非常高的電磁干擾，這就需要進行信號傳遞的隔離及電源供給的隔離。信號隔離有兩種方式:光耦隔離方式及脈沖變壓器隔離方式。
　　光耦隔離方式的優點是轉換電路簡單，易于應用。由于上升延時及下降延時在500ns左右的量級，所以適用在頻率較低的領域。如果需要故障回傳到主控系統，則需要另外一路光耦。為了方便使用，也有將這兩個光耦集成在一個封裝之內的產品，如hcpl-316j等等。目前市場上光耦隔離方式的最大工作隔離電壓viorm在3500v左右。
　　脈沖變壓器隔離方式的轉換電路相對復雜，一般需要使用專用集成電路，但是由于其運行速度高，適用在頻率較高的領域，而且故障回傳不需要其它繞組，隔離通道相對簡單。只要空間位置允許，變壓器隔離可以因為繞制工藝的改進做到非常高。此外一些對動態的隔離有要求的應用場合，要求隔離電路的dv/dt耐量非常高，而使用脈沖變壓器隔離則可以達到75kv/μs以上的水平。
電源供給隔離一般采用不共地的dc/dc變換器，其變壓器隔離耐壓一般是母線電壓的3倍以上，變換器的二次側必須能夠提供正負電源。
3.2　死區隔離功能
　　驅動死區隔離的設置(見圖7陰影部分)對于半橋、全橋主回路來說是非常重要的。它一般是使用r、c電路來實現的。r、c電路的優點是簡單，抗干擾能力強，缺點是容易受溫度影響，成本較高，需要占據寶貴的pcb板件的面積，死區時間的調整間隔偏大。
　　針對上述r、c電路的缺點，很多具有開發能力的用戶愿意使用“數字”的方式來獲得死區。其最大的優點是溫度穩定性好，由于調整步距僅僅與時鐘信號頻率有關，可以做到很精細，利于優化算法及主回路系統。

圖7　上橋臂a與下橋臂b的死區示意

3.3　驅動功率的緩沖功能
　　對于輸出額定電流在100a以上的igbt來說，雖然屬于具有高阻輸入的場控器件，但是由于寄生電容的存在以及彌勒效應，在短時內（微秒或亞微秒）需要向igbt的輸入端輸入或抽出較大的電流，從幾百毫安到十幾個安培不等，視igbt及主回路的參數來確定。因此在功率容量上普通的邏輯電路及邏輯緩沖電路均無法勝任，需要專門設計的功率緩沖電路來解決。這一類功率緩沖電路基本都是采用圖騰柱輸出級。很多產品選用雙極型器件如m57962l等，也有選用單極型器件的如2sd315ai等，更有采用混合型器件，其上管選用雙極型器件，下管選用單極型器件如hcipl-316j等等。為了滿足瞬間能夠源出、吸入十幾個安培，去耦電容的選擇及布局顯得極為重要。一般選用具有良好高頻特性的獨石電容，在pcb布局時要求盡量緊靠圖騰柱。
　　功率緩沖級的電源供給的容量也是非常重要的，視igbt的門極電荷以或門極電容參數以及主回路工作頻率來確定。功率緩沖級電路如圖8所示，它的隔離耐壓水平與信號傳遞電路的耐壓水平要求等同。

圖8　功率緩沖級電路

3.4　檢測及保護功能
3.4.1　過流檢測及保護
　　一般采用間接電壓法。當igbt出現過流情況時，vce飽和壓降增大，因此通過檢測igbt導通時的vce飽和壓降與設定的閾值進行比較就可以判斷是否出現過流。為了提高抗干擾能力，出現了很多的基準設置及比較方法，避免功率主回路出現頻繁“打嗝”甚至停機的現象。此外如何安全地關斷一只甚至多只并聯處于過流之中的igbt也需要仔細考慮，目前多數采用軟關斷方法避免igbt進入“栓鎖”狀態。檢測電路如圖9所示。

圖9　過流檢測電路

3.4.2　欠壓檢測及保護
　　一般情況下，igbt柵極電壓vge需15v才能使igbt進入深飽和;如果vge低于13v，在大電流時，ce之間過高的導通壓降將使igbt芯片溫度急劇上升;當柵極電壓低于10v，igbt將工作于線性區并且很快因過熱而燒毀;因此需要對vge的電壓進行欠壓檢測。在2ed300c17-s、skypertmpro等全功能型驅動器的二次側上都集成了該功能。
3.4.3　溫度檢測及保護
　　在一些公司生產的igbt模塊上，還集成了溫度傳感器，只需將該溫度傳感器的信號連接到驅動器的相應檢測電路上，就能實現驅動器對igbt溫度的檢測。由于傳感器安放在igbt的芯片附近，可以更加真實地反映出igbt芯片的實際溫度，所以可以更加可靠地保護igbt模塊。
3.4.4　保護功能的邏輯處理
　　一旦igbt模塊出現了上述的任何一個故障，都需要進入保護狀態，所以保護功能的邏輯處理是最關鍵的一環，也是最難于設計的一環，而且一般也是由設計工程師自己來開發完成的。它的處理原則是:當某一只igbt出現了故障，要求保護邏輯處理做到:
(1)盡可能不停機;
(2)要防止事故進一步擴大;
(3)要求對報警信號進行真假的甄別。
這需要采取軟件與硬件結合設計的方法來實現“智能保護邏輯處理”。系統不同，管理保護的邏輯處理設計也不同。一般采取的措施是:首先安全關斷“問題igbt”，然后根據系統的要求判斷是否需要關斷更多的igbt，直至停機。同時要求每一個步驟都設定一個合適的延時，以便濾除偽信號。
3.5　短脈沖抑制功能
　　在驅動信號的傳輸過程中，由于干擾、計算誤差等原因會造成在驅動信號上出現一些短脈沖，也叫“毛刺”;如果驅動器按照這些短脈沖進行相應的igbt開關，則會造成輸出波形變差，因此必須對此類短脈沖進行抑制。

圖10　短脈沖抑制功能

4　技術展望
4.1　門極驅動電壓提升
　　目前igbt的開通電壓一般采用+15v電壓源驅動，有人已經提出發展恒流源驅動的方法，認為可以克服igbt的“米勒”電容效應，使igbt的導通更加可靠。igbt的關斷電壓從最初的0v，到后來的-7v左右，低頻下普遍使用-15v。
4.2　逐個脈沖軟關斷
　　現在大部分大功率igbt驅動保護電路在正常運行時的關斷方式為硬關斷，只有在出現過流的情況下才會采用軟關斷的方式。而在感性負載情況之下，igbt關斷之后為了保持電流的連續性，必然會有一只續流二極管導通，此時會在功率母線的寄生電感上產生一個尖峰電壓:δv=l×di/dt，除了寄生電感l及關斷電流的大小影響之外，如果硬關斷越快，即dt越小，則尖峰電壓δv越高。而對于應用在較低頻狀況下的大功率igbt，由于電流在幾百安培，所以逐個脈沖進行軟關斷將會大大降低尖峰電壓δv，使尖峰電壓δv產生的干擾會大幅減小，可以提高系統的可靠性。一些igbt生產廠商也在著手開發具有軟關斷特性的igbt芯片。
4.3　過流檢測保護閾值(參考基準)設置方法
　　當前大部分大功率igbt驅動保護電路對過流檢測的保護閾值只有一個，一般常規值設在7v～9v。為了防止誤報警，出現了一些不同的閾值設置方法。
　　變閾值設置方法:在igbt從截止狀態剛剛進入飽和狀態期間(約幾個微秒至十幾個微秒)，保護閾值可以從15v(或者更高)按照一定的曲線降至常規設置值，可以避免在此期間的擾動的偽信號造成誤報警;
　　多閾值設置方法:為了更為符合實際的工況應用情況，降低停機率，可以采用多閾值保護。比如igbt的飽和壓降達到第一閾值時，采用降低柵極電壓的處理方式;達到更高的第二閾值時，才徹底關斷igbt。
4.4　更加貼近驅動對象
　　目前，針對各種工況下使用的igbt，例如高壓變頻器、ups、逆變焊機等應用場合，均有不同的大功率igbt驅動保護電路推出。這些驅動器的原理大致相同，但更加貼進各自的驅動對象。
4.5　與智能功率模塊(ipm)分別在不同的功率領域并行發展
　　ipm內部集成了驅動電路，只需提供控制信號即可工作，主要應用中小功率場合;而大功率igbt驅動保護電路一般用于大功率場合，對大功率的igbt進行驅動。隨著igbt生產工藝，硅片技術、驅動技術的不斷進步和發展，大功率igbt驅動保護電路與ipm均在各自的功率領域并行發展。

5　大功率igbt驅動保護電路發展所受到的的限制
　　成本價格的限制，是對大功率igbt驅動保護電路發展的最大限制。一個好的大功率igbt驅動保護電路面對要解決的問題較廣泛、復雜，可靠性的要求卻非常之高。所以成本因素極大地限制了全功能型大功率igbt驅動保護電路的發展，而價格適中的多功能型大功率igbt驅動保護電路是大多數工程師們的首選產品。對于肯在主回路上進行電流直接取樣投資的工程師來說，單一功能的驅動電路則是他們的首選。

6　結束語
　　大功率igbt驅動保護技術的發展完全是受到igbt發展的影響而發展的，隨著半導體技術的進一步發展，新的器件乃至新型的igbt的誕生，以及新的主回路拓撲的誕生，會出現更加新穎的驅動保護技術。?

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