IGBT驱动器隔离技术分析.PDFVIP

中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会 IGBT 驱动器的隔离技术分析 张黎1 尹向阳2 1) 重庆通信学院电力工程系，重庆 400035 2) 广州金升阳科技有限公司，广州 510660 1) Email ：zlier 1026@163.com 2) Email ：george@ 摘要 详细说明了IGBT 驱动器中常用隔离技术的基本原理与特点，通过比较得出各自不同的应用领域，指出了在驱 动器的隔离设计中需要注意的问题。分析了两种新的驱动隔离方式，并对驱动器隔离技术的发展趋势进行了总结。 关键词 IGBT 驱动器；隔离；电平移位；空芯变压器；压电变压器 1．引言 便于集成化，在半桥式集成驱动器 （HVIC ）中广泛采 [3] 绝缘栅双极性晶体管（IGBT ）是MOS 栅器件结 用此种方式来实现高端开关器件的浮地驱动 ，比如： 构与双极性晶体管相结合的复合型功率开关器件，兼 IR2 110。但该种方式输入与输出级在电气上没有完全 具功率MOSFET 的高速、高输入阻抗与双极性晶体管 隔离，不适用于要求控制器与功率变换电路保证严格 的低导通电阻性能，是高压、大电流功率变换应用中 电气隔离的应用，比如：高电压应用场合以及对隔离 的主要功率半导体器件。驱动器作为IGBT 与控制器 电压耐量要求较高的场合。而且，当半桥直流母线电 之间的接口电路，对系统的功耗和可靠性等方面有着 压增高时，由于源极浮地端电压升高，上管驱动器的 [1] 极大的影响 。驱动器的主要功能是放大控制信号以 N 型MOS 管开通时所承担的电压和电流都将增大，相 及为IGBT 提供保护；为了保证控制器安全可靠工作， 应的功耗也随之增大，在集成电路内部所要求的绝缘 工业标准要求在驱动器中实现控制器与功率部分的安 层的厚度必将增加，集成化难度加大，成本明显上升， [2] 全可靠隔离 。另外，在常用的半桥式电路中，由于 因此，此种隔离方式只适用于直流母线电压低于600V 上管源极为浮地，上、下管的驱动信号也要隔离才能 的场合，比如：家用电器和车载逆 器等。 保证电路正常工作。因此，隔离方式的设计直接关系 到IGBT 驱动器的可靠性。常用的隔离方式包 ：电 平移位、光耦隔离、光纤隔离和脉冲变压器隔离等， 各自不同的特点决定了其适用于不同的应用场合。本 文对它们的基本原理、特点以及应用技术等方面进行 全面的分析与比较，得出IGBT 驱动器中有关隔离技 术的设计要点。 图1 电平移位式隔离方式原理图 2 ．IGBT 驱动器常用的隔离方式 2.1 电平移位方式 电平移位 （Level shifter ）式隔离方式电路原理如 图1 所 ，图2 为采用电平移位的自举式 （bootstrap ） 驱动半桥集成电路（HVIC ）的外部连接图，其工作原 理为：当图1 中的N 型MOS 管关断时，通过图2 中 的电阻R 、二极管D 给接在输出电源与地之间的电 1 1 容C1 充电，此时输入与输出是共地的；而当N 型MOS 管开通时，P 型MOS 管开通，电容C 通过P 型MOS 1 管加在负载端为其供电，此时的高端IGBT 或MOSFET 图2 自举式HVIC 的外部连接图 的源极为浮地状态，从而实现输出与输入的隔离。由 2.2 光耦隔离方式 此可见，电平移位式隔离方式不是严格意义上的隔离， 通常的隔离方式有光隔离和磁隔离，光耦隔离方 而是一种准隔离的方式。此种方式的特点是电路元件 式由于隔离电压相对较低，存在传输延迟、老化和可 少，无需单独的隔离元件与隔离电源，成本相对较低， 靠性等方面的问题。而采用脉冲变压器隔离方式 （磁