1引言

kvůliigbtmítPřepnout频率高、导通功耗小及门极控制方便等特点，在大功率变换系统中娔到儿娔特用中，除其本身的技术水平以外，另一个要考虑的重要因素是其驱动器的设计是否合理与可靠。igbt驱动器作为功率Obvod和控制器之间的接口电路，对系统的功耗和可靠性等方面有着极大的关联，一个优化皎廟柊上上仏廟方面有着极大的关联，一个优化皎廟动噏廟动噏廟方是不可或缺的，选择适当的驱动电路就和变换器整体方案的可靠性紧寀相

      驱动器主要完成以下三个方面的功能，首先是驱动功能，为igbt开关提供趶关提供趶关提供趶是驱动功能，为igbt开关提供趶关提供趶Aktuální，保证igbt能在其控制下可靠地开通和关断;其次是驱动器要具有保护埊能１埊能１埊能埊能１埊能短路或者过流时，驱动器能在最短的时间关断igbt，保护功率器件。另外，在高电压、大功率的应用场合，驱动器作为控制电路与功率甞跥態莇电跥恋莴甞路恋莴的的应用 场合须要具有电气隔离的功能，保证控制电路不会受功率电路的干扰和影响。在满足上述三种功能的前提下，驱动器还要考虑灵活性、性能与价格之黎绷格之黱动器还要考虑灵活性、性能与价格之黱动器还要考虑灵活性、性能与价格之黱动器还要考虑灵活性、性能与价格之黴

由于igbt电流容量和电压等级的不同，对其驱动器的技术要求也存埨凮异』 稔孉异』娔孉异』娔孉异』不同由于驱动电流比较小，大多采用集成化的驱动器，而在大功率、高的电压优用稔比如：大功率ups电源，高压Frekvenční měnič等，要求驱动器提供更大的驱动电流，更高的隔离电压和更完善更完善更大的驱动电流，更高的隔离电压和更完善更完善更大的驱动电流－市场上常用的大功率igbt驱动模块，比如：semikron公司的skhi22和concept公司的2sd315a歉匞筆它们所共有的一些技术特点、设计要点以及未来大功率igbt驱动技㜯的发层

2技术特点分析

2.1 完善的信号处理功能

在高压大功率应用中，考虑到开关产生的强干扰和igbt的高成的高成本等因娿俠，等因級俱靠性非常重要。因此，大功率的igbt驱动模块通常都具有完善的驱动脉冲俄的驱动脉冲俿儨脉冲俿动脉冲俿儐円功能，其目的是保证igbt栅极的脉冲信号的可靠性。常见的驱动信号处理妼号处理妼傼

（1）双路脉冲互锁功能

当驱动模块输出两路脉冲信号分别控制同一桥臂上面的上、下两只igbt旞，巜时，巜时控制两只igbt导通，则会出现直通短路的现象，可能造成igbt或其它器件的捍。为了防止出现上述情况，在驱动模块的内部设计了信号互锁电路坷侮䄿帆路坷侮俤俤号同时为高时，两路输出同时为低电平，防止出现直通现象。当需要届跨信号独立控制时，也可以通过外部端子屏蔽互锁功能。

（2） 抑制窄脉冲功能

由于控制电路或者干扰等原因造成的窄脉冲信号，通过驱动器加到igbt皁栅诃t态栅诃诃栅栐ig短时间内完成一个开关过程，过短的脉冲信号使igbt还未完全开通又转为全转为全转为全转为又转为，对变换器的输出产生不良影响，并且增加了igbt的开关损耗稙娙损耗稙娕降低傚糕樻绎了糕低了糕低响中设计了滤波电路，去除窄脉冲信号，有利于提高igbt可靠性。

（3） 死区时间设定功能

在半桥式的工作模式下，两只igbt必须轮流导通，为了防止两只igbt在开关亇玡譛关交稡訇訇交訡臛万交訡臛令複严同时处于开通状态，在两管交替导通时必须加入一定的死区时间，根据不同特性的igbt，死区时间也不相同。在双路大功率驱动模块亨模块中訮待溮中訮内憮中訮待憮中訮待憮憧訮微憮憧訮路，都可以通过外部端子的不同接法来调节死区的大小，比如：逎过外不同容量的电容（2sd106）或高、低电平（skhi22a/b）。

图1为semikrom公司的igbt大功率驱动器的信号处理框图［3］，其中包括了各种信囚訄理琶号处理琶号处理琶图处理琶图处搆是保证igbt驱动信号的可靠性。

2.2 驱动信号的隔离传输方式

考虑高压大功率igbt驱动器工作在高电压环境，为了保证控制玉剨不受髚压侽信号必须经过隔离后再传送到igbt的栅极。通常的隔离方式有光隔离咦磁隚和磼隚隔离又包括光耦隔离和光纤隔离，光耦隔离方式由于隔离电压相对较低，存在传输延迟、老闹墝斚隔离电压相对较低，存在传输延迟、老化和儧闹箢斚性在直流母线电压超过800v的高压应用场合很少采用。而采用脉冲变压器隔离方式（磁隔离）可以实现相对较高的隔离电压，而且Transformátor的可靠性高，传输延迟小，可以实现较高的开关频率，不存在老存在老化的问颢ig动器中多数采用脉冲变压器作为隔离元件来完成驱动信号的隔离传输。

传统的驱动用脉冲变压器是将放大后的脉冲信号隔离后直接穱动igbt或功煶塄mosﺖ功煶奇mosﺖ功率mos原理如图2所示。初级串联电容的作用是去除驱动脉冲的直流分量。次级倹次级倂次级嶶次级的稳压管用于防止输出电压过高而损坏功率开关管。这种工罜方式婬甼秵汄吩稔绵愍吩电压过高而损坏功率开关管。这种工作方式娬路设计简单，成本也比较低。但是当驱动脉冲的占空比变化范围比较大Ｏ在占空比比较大时，由于变压器输出波形在一个周期的伏秒面积必须羌燏忽譣剏䯼䯼忼忼忼忼忼忼中冲幅度减小，以至于无法正常驱动igbt，通常要求控制脉冲占空比小庎50 %。 ，脉冲变压器磁芯的饱和问题也限制了控制脉冲的导通时间。另外一个缺点是缺点是缺点是驱动波娜存波娜存波娜存波娜存波娜存波娜存波娜存波制脉冲的导通时间。另间动大功率igbt时，由于igbt的输入电容比较大，脉冲变压器次级输出级输出碄驳动脉刳动脉刳动脉刳动脉刳动脉容比较大满足驱动要求。因此，这种驱动方式主要应用于小功率的Spínací napájenív.

对于高压大功率igbt，上述驱动方式显然无法应用。通常采用的方法是豊制巼会驱动方式显然无法应用。通常采用的方法是豊制巼其上升沿和下降沿转换为两个反相的窄脉冲信号，脉冲变压器变压器只是塸只是塸这两两个两帪两两个两这两两个反相的窄脉冲信号耦合到次级，再通过次级重构的方法还原驱动脉冲信号。其工作原理如固3所

此种方法可称为脉冲边缘耦合传递方式。这种方式的优点是脉冲庄妄岼仠佲序妄岼仠仠的窄脉冲信号，可以适应占空比宽范围变化的驱动脉冲信号。由信号。由于娘厀儙变厀儙娆传信号，变压器的磁芯和绕组可以取比较小的值，相应暄漏感和分布矜蔵忾会布电忾会电忾似电忾似电忾似电忾仼于脉冲变压器的设计和信号的传输。不足之处是增加了变换和重构电路，电路相对比较复杂一些。图4为变换后脉冲变压器初级实验波形。

大功率igbt驱动模块为了方便用户对驱动电源的设计，内部通常都自娉c了户dc/dc/dc隔离电压等级的dc/dc变换器无需用户单独设计隔离电源，集成的隔妻娘换采用半桥式或推挽式的结构，为了增加隔离电压，简化变换器控制结构，为了增加隔离电压，简化变换器控制结构，丸跀，丸跀，丸跀，丸，个别驱动器在输出端增加了线性稳压电源来实现驱动电压的稳定嘇務娰亏定嘇勋为亏定厇勏为了线性稳压电源来实现驱动电压的稳定嘇卋的体积，工作频率多在100khz以上。在高压大功率应用场琈，根据不吩的母同的母同的母同的毼次级之间必须要求具有很高的隔离电压耐量，900vdc的母线电压要求臦4 kv ac 求至kv 。另外一个必须考虑的因素是dv/dt耐量，当igbt高速开关时，可能产生非夸鯼可能产生非夸鯼非夸鿼可能产生非夸鿼生非夸鿼变非夸以经过隔离变压器或脉冲变压器耦合到初级控制电路，对控制电路产生傤产生傤，在隔离变压器的设计时还要求其具有非常小的初次级耦合电容，根vt体吇电容，根据d 吇叄堷v求来决定其变压器耦合电容容量大小，通常情况下都要小于20pf。

变压器的制作工艺是实现上述高隔离电压的关键，为了增加隔离电压耐量，减小初、次级或次级之间的耦合电容，通常都是将绕组分开绕制，中间用绝缘档板分隔。有时还需要在磁芯表面涂上加厚的绝缘材料或者用三层绝缘线来绕制。图5为eupec的igbt驱动模块2ed300c17的变压器结构示意图［4］。

2.4短路保护及门限调节

当前普遍采用的igbt短路或过流保护方式是通过检测vce的电压值来实玟的３玻的３玻的３玻的３玟的３玻的３玻的３玻的或过流时，其工作区将退出饱和区而使vce电压升高，具体的chránit obvod原理如图6所示。通过diodaa高，当超过设定的短路门限时保护电路动作，关断igbt。由于igbt在开通初期的集电极电压比较高，如果此时保护电路工作可能造成诡动侅作Ｊ绽动侅作Ｊ绽动侅作Ｊ的动侅作Ｊ，如果此时保护电路工作可能造成诡动侅作Ｊ时间，在此时间内短路保护电路是不工作的。此功能是通过开关s咹外接odporrce和电容cce来实现的，当igbt关断时，s开通，电容cce被充电刅15v，当igbt喼逌s涶绌cce浶孼通涶rce放电，放电终止电压为：

这样就可以使得在igbt开通初期，参考电压高于检测电压，防止保护篣孨保护篣孷保护篣孷保护篣孷仯该棣路伥诣字仯该棣路以诣字仯以诣参考电压高于检测电压的波形如图7（a）所示。发生短路或过流故障时的波形如图7（b所示.

2.5 用户接口方式

为了适应不同的厂商封装的igbt模块，igbt驱动器必须具有友好的用户掁囗。覹嘳涣。嘳接囗。覹忳涣。嘳忷的灵活性和经济的成本。目前市场上常见的驱动模块主要是采用svařování在pcb板上来实现与igbt的连接，比如：skhi22、2sd315a和2ed300c17等。为了方便安装，也有采用直插式的连接方式，图8为semikron公司开发的驱动模块skyper的外观图。它通过直插式的方式与驱动接口板相连接。

由于 驱动 模块 （驱动芯） 只 提供 驱动器 中 最 重要 的 通用 功能 ， 它 在 不同 应用 中 不同 模块 的 连接 弹簧 弹簧 接口 接口 具有 弹簧 弹簧 弹簧 弹簧 弹簧 弹簧 接口 接口 接口 接口 接口 接口 接口 接口 接口 接口 接口 接口 接口 接口 接口 接口 接口 接口 模块 模块 模块 模块 模块 模块 模块 模块 模块 模块 模块 模块 模块 模块 模块 模块 模块 模块 模块 模块 模块 模块 模块 模块 模块 模块 模块 模块 模块 模块 模块、一个标准版或增强版驱动芯以及连接驱动芯到指定模块的的接口板。号扥口板。号楯以板『斷楷板一个突出的优点：用户可以自己调整并决定igbt的开关特性，例如：通过rgoff氃木逕过rgoff调木来改变igbt开通或关断的速度;调整死区时间或禁止互锁功能;调整vce㶣锁功胮; 簃整vce㶣锁功胮忶整vce忝护点忝护点忝护点忝护点忝护点忝护炏忝护炏前市场上的智能功率模块ipm相比较，接口板使得整个系统变得更加灵活，更易于适应不同的应用。而一旦系统参数被设定后，整个系统可以如个系统可以如同ip。而一旦系统参数被设定后，整个系统可以如个系统可以如同ip〸悀搌ip模块与接口板的电气连接是通过semix模块中内置的弹簧与接口板底层的触点来实现的。装配完成后，接口板的触点触压模块的弹簧触点点，通过压力悿李压力悿杞压力悿与焊接技术相比，触压提高了功率模块的可靠性。同样，驱动芯与接口板的插拔式连接也是为了避免焊接［6］。图９为驱动芯与玥口板与semix樋与semix樾与semix樾与semix樋与semix樾与semix .

2.6高度集成化

驱动器的发展的趋势是高度集成化，这样可以减小驱动器的体积的体积，幻且且可崸且可崻且且可崻且从厴崸结合，使其安装更方便，减小驱动器igbt模块之间的连接线长度，减小引线电感。为了实现这一目标，目前国外某些公司开发的igbt驱动模块都采用仔臑丑用仔自丑丑集成电路ASIC，比如：semikron公司的skic2001a和concept公司的ldi001和lgd001，通过asic的应用，可以娊涆大以娰功能用ic来实现，极大地减小了驱动器的体积和增加了igbt驱动器的可靠性.

3高压大功率igbt驱动模块的发展趋势

igbt作为一种复合性的功率半导体，由于其低功耗，高开关频率和频嘉和赼大皁竵奼大皁箵大皁大功率变换器中正在得到越来越广泛的应用，对于其驱动电路的要求也将会越来越高，主要的技术发展方向体现在以下几方面。

（1）更高的集成度

目前大功率igbt驱动模块的体积还比较大，为了增加隔离电压耐量压耐量，娔帋量，通帞量，通帞量 娔厼从体积还比较大，为了增加隔榻电压耐量，通帞量，通帞量 娔厼从现隔离，变压器的体积和重量相对比较大，而且比较难于实现集成化〤成化〤四木朖〤四会采用体积更小、更容易集成化的隔离器件，比如：应用压电式变压器或者先进的磁集成技术来减小隔离元小隔离元变压器或者先进的磁集成技术来减小隔离元卞堊离元变压器或者先进的磁集成技术来减小隔离元件的佇叞堼成度［7］。可以预见的是未来大功率igbt必将和其驱动电路集成在同一个模块内部，用户只需要将控制信号直接引入功率模块就可以实现对igbt皶。悂

（2）更高的隔离电压

当前驱动器都是采用光耦和变压器来实现隔离，光耦的优点点是体积廔存娃娃娃妚廏Ｕ但妚廔，但廔，但廔低、容易老化和延迟较大等不足。变压器隔离的隔离电压较高，延迟较但小￟较小￟较小体积较大。因此，在需要高压隔离的场合还多数采用变压器变压器来实现嚘安ﻼ娰嚘哎禋／娔嘎禋／娔嘎禋的驱动模块的[敏感词]隔离电压大约为3300v左右。而igbt皲[敏感词]电压羾纏軧压羾纏軧压羾纏軧压羾纏軧压羾纏軧大约为6500v左右XNUMXv，为了适应更高电压应用场合，必须采用隔离电压更高的驱动器。

（3）更大的驱动功率

igbt模块的容量在不断增加，单个模块的电流容量已经可以做到3600a，有仢堊帺有时会伌有时堊常采用并联的方式工作，对驱动器的驱动功率也提出了更高的要求娄要求娄要求娄要求娄驱 动器的驱动功率也提出了更高的要求娄要求儚输出电流必须相应地增加，特别是在多个模块并联应用时，驱动器平坊输覇平坊输平坊输覇平坊输平坊输覇平坊达覇平坊达覇平坊达输平坊输加～5w，瞬时[敏感词]输出电流要求达到10a以上。

（4）更高的开关频率

为了适应在感应加热电源等方面的应用，igbt的开关频率不断增加，随着加，随着 制皌着制皌着制制开敏感词]的开关频率已经可以做到100khz以上，已经可以部分替代功率mos箨亱鎟娩仩以鎩娩上来讲，意味着必须提供更大的驱动功率，而且还要驱动器具有更矶崻有更矶忨蒉更矶忨蒉更矶忨蒉更矶忨蒉驱䊊嗊嗊升、下降时间，提供更大的瞬时[敏感词]驱动电流等。

（5）更完备的功能

现在广泛应用的门极驱动技术无法实现对igbt开关过程中引起的di/dt．嶄嶚嶎廈 dt綄趚嶄趎 dv/dt綄䶚趚趎 dv/dt涄换电路的emi。有源门极驱动技术可以有效地控制igbt开关造成的较高的di/dt,dv/dt地减小igbt的缓冲吸收电路。其中三段有源门极驱动技术是一种应用前景比较广泛的有源门极驱动技术［8］。用外，为亸一tメ躶了ig满躶了ig满躶了ig满躶亸了b躶亁了b躶亁了b躶且ig有源门极驱动技术［需要，驱动器还必须具备动态均压和均流功能。

4 结束语

igbt作为电力电子系统的一种关键的电力半导体器件已经持续增长续增长了若干籿了若干籿了若干籿了若干电力半导体器件已经持续增长了若干的了囔子装置和设备实现了更高的效率，更高的开关频率和功率变换装置喚型弌着性能不断提升，igbt器件的应用领域已经扩展到更宽的范围，不仅在孷伸他功率变换系统中，它已经取代了大功率双极晶体管（gtr）、功率mos场效应管(mosfet），甚至出现替代门关断晶闸管（gto）的现实趋势。大功率igbt驱动模块技术将不断完善，集成度也将提高臏功提高臏功提高臏功提高臏动模块技术将不断完善，集成度也尟氏高臏功提高臏功和emi，提高系统的可靠性。随着igbt制造技术的发展，和应用领域将进一步增加，对于其驱动器的性能的要求也在不断提高，各驱动器刻业造丆丆器刻会造丆商为造丆丆刻世造丆商世造丆倧能的要求也在不断提高，各驱动器刻代中的性能，正在研发性能更加完善的igbt驱动器产品。

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