作者：海飞乐技术 时间：2018-05-23 12:06
绝缘栅双极性晶体管（IGBT）是MOS栅器件结构与双极性晶体管相结合的复合型功率开关器件，兼具功率MOSFET的高速、高输入阻抗与双极性晶体管的低导通电阻性能，是高压、大电流功率变换应用中的主要功率半导体器件。驱动器作为IGBT与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影响。驱动器的主要功能是放大控制信号以及为IGBT提供保护；为了保证控制器安全可靠工作，工业标准要求在驱动器中实现控制器与功率部分的安全可靠隔离。另外，在常用的半桥式电路中，由于上管源极为浮地，上、下管的驱动信号也要隔离才能保证电路正常工作。因此，隔离方式的设计直接关系到IGBT驱动器的可靠性。常用的隔离方式包括：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。
1. IGBT驱动器常用的隔离方式
1.1电平移位方式
电平移位（Level shifter）式隔离方式电路原理如图1所示，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R1、二极管D1给接在输出电源与地之间的电容 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C1通过P型MOS管加在负载端为其供电，此时的高端IGBT或MOSFET的源极为浮地状态，从而实现输出与输入的隔离。由此可见，电平移位式隔离方式不是严格意义上的隔离，而是一种准隔离的方式。此种方式的特点是电路元件少，无需单独的隔离元件与隔离电源，成本相对较低，便于集成化，在半桥式集成驱动器（HVIC）中广泛采用此种方式来实现高端开关器件的浮地驱动，比如：IR2110。但该种方式输入与输出级在电气上没有完全隔离，不适用于要求控制器与功率变换电路保证严格电气隔离的应用，比如：高电压应用场合以及对隔离电压耐量要求较高的场合。而且，当半桥直流母线电压增高时，由于源极浮地端电压升高，上管驱动器的N型MOS管开通时所承担的电压和电流都将增大，相应的功耗也随之增大，在集成电路内部所要求的绝缘层的厚度必将增加，集成化难度加大，成本明显上升，因此，此种隔离方式只适用于直流母线电压低于600V的场合，比如：家用电器和车载
逆变器等。
图1 电平移位式隔离方式原理图
图2 自举式HVIC的外部连接图
1.2光耦隔离方式
通常的隔离方式有光隔离和磁隔离，光耦隔离方式由于隔离电压相对较低，存在传输延迟、老化和可靠性等方面的问题。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，而且变压器的可靠性高，传输延迟小，可以实现较高的开关频率，不存在老化的问题，因此，在高压IGBT驱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通常要求控制脉冲占空比小于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。还存在驱动波形失真，特别是在驱动大功率IGBT时，由于IGBT的输入电容比较大，脉冲变压器次级输出的驱动脉冲波形很难满足驱动要求。
图3 光耦隔离驱动电路
1.3光纤隔离方式
光纤光缆的原材料是玻璃或塑料，内部通过光束来实现信号的传输，因此可以实现输入发射级与输出接收级之间完全的电气隔离。图4为光纤隔离示意框图。目前，大部分的光纤收发器均使用Agilent公司的系列产品，比如：HFBR-1522、HFBR-2522等。通常具有1MdB的信号传输率，45m的传输距离，适应于远距离信号隔离传输，在大功率电力变换设备中，光纤隔离通常应用于控制板与驱动板之间远距离的电压隔离与信号传输，隔离电压大于5000V，并且能有效抑制电磁干扰，传输延迟相对于普通光耦小，在高压变频器等高电压、大功率应用中得到了广泛应用，比如：CONCEPT公司生产的高压隔离驱动板1SD418F2就是采用光纤隔离方式来实现的。除了隔离耐压比较高之外，光纤仍然存在传输延迟，容易老化和需要提供高压隔离电源等问题。
高压mos管
图4 光纤隔离示意图
1.4 脉冲变压器隔离方式
考虑到高压应用与成本，光耦隔离与光纤隔离都存在一定的局限性。而采用脉冲变压器隔离可以提高隔离电压耐量，同时成本方面又相对较低、可靠性高，传输延迟小，对共模信号的抑制能力强，可以实现较高的开关频率，不存在老化的问题，因此在高压IGBT驱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。常见的脉冲变压器隔离传输脉冲信号方式是将脉冲信号完整耦合到次级后驱动IGBT，此种方法要求脉冲占空比小于 50%，导通时间也受到磁芯饱和特性的限制，大功率驱动应用中波形失真等问题。而在高压大功率驱动方面，通常采用的方法是调制驱动脉冲信号，将其上升沿和下降沿转换为两个同相或反相的窄脉冲信号，脉冲变压器只是将这两个脉冲信号耦合到次级，再通过次级解调重构的方法还原驱动脉冲信号。其工作原理如图5所示。
图5 脉冲边缘耦合传递方式
这种方式的优点是脉冲变压器只传递脉冲宽度固定的窄脉冲信号，因此，变压器可以适应占空比宽范围变化的驱动脉冲信号。由于变压器传递的是窄脉冲信号，变压器的磁芯体积和绕组数量相应减小，漏感和分布电容也比较小，这都有利于脉冲变压器的设计和信号的传输，减小初次级的耦合电容，通过特殊工艺可以达到50kV/us共模干扰抑制能力。在高压IGBT驱动模块中，比如：SKHI22、2SD315和2ED300C17等产品中得到广泛的应用。不足之处是增加了变换和重构电路，需要为重构电路提供隔离电源，通常这类驱动模块都内置了隔离电源，电路相对比较复杂，价格比较高。适用于高电压、大功率和高可靠性要求的应用。
2．隔离技术的发展
2.1空芯变压器隔离技术
空芯变压器是实现隔离驱动集成化的一种有效的方法，它的原理是将隔离变压器的两个线圈集成在同一片IC上，如图6所示，当集成在同一IC硅片上的两个线圈的放得足够近时，它们之间的耦合可以代替磁芯，从而省略在IC上集成磁芯，方便隔离变压器和驱动电路的集成化。为了确保工作电压在890V的应用中安全隔离，线圈之间的势垒必须要承受6kV的电压，二氧化硅作为一种常用的IC隔离技术，必须通过适当的生产工艺才能满足高隔离电压的要求。空芯变压器初次级之间的脉冲信号传输延迟小于10ns，具有高达50kV/us的共模干扰抑制能力，是一种理想的IGBT驱动隔离技术。EUPEC公司生产的集成驱动器2ED020I12-F 就是采用了空芯变压器技术来实现信号的隔离传输。
图6 空芯变压器工作原理图
2.2压电变压器隔离技术
压电变压器是一种固态电子元件，其具有体积小、重量轻、低成本、无电磁干扰、安全性高、高工作频率、高功率密度和效率高等特点。随着对电源设备小型化需求的增加，国外各大电气公司开始重视压电变压器材料和结构方面的研究。其基本工作原理是输入的交变电压通过压电体的横向逆压电效应转换为整个压电片的纵向振动，输出部分又将振动经由正压电效应转换为电压输出，从而实现电能到机械能再到电能的二次转换。由于压电变压器的特性决定了其受电磁干扰影响小，自身也不产生电磁干扰，材料的静态刚度达到几kV/mm，适用于高压隔离驱动。具体的驱动电路如图7所示，驱动脉冲信号经高频调制、缓冲后加到压电变压器的输入端，输出再经解调器还原脉冲信号，锁存和放大后驱动IGBT。压电变压器的结构特点更适合集成化和自动化生产，是驱动器中较理想的隔离方式。
图7 压电变压器隔离的驱动电路
3. 结论
在IGBT驱动器的设计中，隔离技术是非常重要的组成部分。本文对常用的IGBT驱动器的隔离技术的原理及特点进行了详细的分析，通过对比其特点，得出了它们各自不同的适用领域，特别是在高压、大功率的IGBT驱动器的应用中，各种隔离方式具有不同的隔离电压耐量与应用方案。同时，对于驱动器的集成化方面具有显著影响的最新隔离技术也作了较为详细的介绍，包括空芯变压器与压电变压器隔离技术。高隔离电压、低EMI、高速度、低成本、适合大批量生产和更容易集成化的隔离技术将是未来驱动器隔离技术的发展方向。
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