IGBT串联设计电路 工作原理
IGBT属于场控功率管,具有开关速度快、管压降小等特点,在各领域的电子电器中得到越来越广泛的应用,在运用中，针对IGBT单管耐压值不高的情况，技术人员常常需要将多只IGBT管串联以增加IGBT管的耐压值，拓展其运用范围。采用多个多个IGBT管串联能合理的控制耐压值和成本，但在IGBT管串联运用中其触发电路设计以及单只IGBT有限的电压和电流能力一直是设计的难点。为避免IGBT管电路军压问题，IGBT管串联尽量使用同品牌同规格型号的IGBT管。今天我们介绍一种以IGD515EI驱动器为主要器件构成的驱动电路,适用于大功率、高耐压IGBT模块串、并联电路的驱动和保护。通过光纤传输驱动及状态识别信号,进行高压隔离传输,具有良好的抗电磁干扰性能和高于15A的驱动电流。因此,该电路适用于高压大功率场合。
IGBT串联电路设计
1. 驱动电路设计
在隔离的高电位端,
IGD515EI内部的DC-DC电源模块只需一路驱动电源就能够产生栅极驱动所需的&15V电源。器件内还包括功率管的过流和短路保护电路,以及信号反馈检测功能。该电路是一种性能优异、成熟的驱动电路。本方案采用IGD515EI,加入相应的外围电路,构成了IGBT驱动电路,通过IGD515EI的34脚(SDSOA)多管联用特性端实现两管串联应用,解决了IGBT单管耐压不高的问题。IGBT驱动电路如图1所示。驱动信号通过光纤接收器HFBR-2521送给驱动模块,驱动模块报故障时通过光纤发射器HFBR-1521送出故障信号给控制电路,由控制电路切断所有IGBT驱动电路的驱动信号,各个IGD515EI同时输出-15V的负偏压,各个IGBT同时关断,避免个别器件提前关断,造成过压击穿。
图1：IGBT串联驱动电路
2.IGBT驱动器电源设计
由于IGD515EI只需要单路电源供电,在输入端的10脚(VCC)和9脚(GND)接入+15V电源,由模块内部通过DC/DC变换产生&15V和+5V输出,为光纤发射器、接收器以及输出电路提供电源。因而对每个处于高电位的驱动电路来说,只需提供一个15V电源即可,便于做到电位隔离。
3.IGBT栅极触发电路设计
驱动器的25脚(G)输出的驱动电压为&12V~&15V,这取决于电源电压;也可不产生负的栅极电压,这要由具体的应用和所使用的功率管决定。最大栅极充电电流是&15A,充电电流由外接的栅极电阻限定。如果将25脚G通过电阻直接与IGBT:G相连,
IGBT的驱动波形上升沿较大,但IGBT导通后上升较快,如图2所示;
图2：IGD515EI输出端不加MOS管时IGBT的驱动波形(-14V~+12V, 5V/div, 5&s/div)
如果在25脚与IGBT:G中间串入一只MOS管,进行电流放大,可有效地减小IGBT驱动波形的上升沿,缩短IGBT的导通过程,减小IGBT离散性造成的导通不一致性,减小动态均压电路的压力,但IGBT导通后上升较慢,其波形如图3所示。
图3：IGD515EI输出端加MOS管时IGBT的驱动波形(-14V~+12V, 5V/div, 5&s/div)
IGBT串联参数和电容选择
(1)响应时间电容和中断时间电容选择
功率管,特别是IGBT的导通需要几个微秒,因此功率管导通后要延迟一段时间才能对其管压降进行监测,以确定IGBT是否过流,这个延迟即为&响应时间&。响应时间电容CME的作用是和内部1.
5k&O上拉电阻构成数微秒级的延时ta,CME的计算方法如下:
在IGBT导通以后,通过IGD515EI内部的检测电路对19脚的检测电压(IGBT的导通压降)进行检测。若导通压降高于设定的门限,则认为IGBT处于过流工作状态,由IGD515EI的35脚送出IGBT过流故障信号,经光纤送给控制电路,将驱动信号封锁一小段时间。这段时间为截止时间tb,大小由20脚(Cb)与24脚(COM)之间外接的电容Cb确定。对于给定的截止时间,则Cb由下式确定:
设计中,我们选择Cbmax=470nF,此时截止时间为33. 65ms。需要说明的是,通过调整19脚的外接电阻的阻值,可以调整检测的门限电平。
IGBT的串联问题解决
(1)串联IGBT电压均衡
串联IGBT工作的一个重要方面是对由于器件的离散特性与驱动电路的不匹配在器件两端引起的静态和动态不均衡。
静态均衡可以在IGBT的C、E两端并联阻值较大的电阻R4来实现,如图4所示。通过并联电阻的分压,保证在IGBT关断期间每只IGBT两端的电压相等。该电阻必须参考IGBT的漏电流,在此基础上进行合适的选择,要使流过分压电阻的电流比IGBT的最大漏电流大若干倍,同时要注意均压电阻的阻值不能过分小,以免增加功率损耗。
动态均压电路由图4中的D1、R1、C1组成。在IGBT开始关断或开始导通时,由于IGBT导通的离散性,必然有个别IGBT提前导通或提前关断,在迟后导通和提前关断的IGBT两端,必然会产生尖峰电压,在IGBT的两端通过D1并联电容C1,使尖峰电压必须先对C1充电,这样IGBT两端的尖峰电压的上升速度受到C1的限制,并可由并联在每个IGBT两端的C1分压,由C1实现对动态尖峰电压的均衡。在IGBT导通期间,由于D1的单向导电特性,
C1通过R1、IGBT将储存的电荷放掉,以便吸收IGBT下次关断时产生的浪涌电压。选择R1时要考虑C1的放电时间常数,确定合适的阻值。
图4：IGBT均压等效电路
对于串联IGBT来说,其动态不均压最为严重的情况是由于IGBT导通延迟时间的差异引起的,在动态均压效果良好的情况下,
IGBT上的电压变化将受到C1的限制。设每个IGBT能够承担的额外的电压能力为△UIGBT,在串联IGBT未完全导通时刻回路中的电流(可用IGBT完全导通时刻回路中的放电电流代替)是I,设该IGBT相对于其它IGBT的导通迟后的时间是△t,则均压电容C1应满足下式要求:
C1=I△t/△UIGBT
△UIGBT=VIGBT-UN/n
VIGBT是IGBT的额定工作电压,UN是串联IGBT的工作电压,n是IGBT的串联数量。根据上式可求出均压电容C1,对R1的取值既要保证3R1C1&脉冲宽度&,以便在脉内使电容C1上的电荷通过R1放完,同时还要使其起到限流作用,即尽量取得大一些。
(2)串联IGBT的保护
在多只IGBT串联时,将IGD515EI的34脚(SD-SOA)应接入+5V。这样,即使某个IGBT发生故障,故障的IGBT也不会提前关断,而是将故障信号通过光纤送给控制电路,由控制电路关断所有IGBT的驱动信号,所有的IGBT同时关断,即使在出现故障的情况下也要保证串联IGBT关断的一致性。
为了防止IGBT栅极过压,采用如图1中D1、D2背对背15V稳压管。为了防止IGBT过热,在IGBT的散热器上加温度继电器。同时,采用互感器检测通过IGBT的电流,检测的信号送至比较器与设定的电平值相比较。电流超过设定值时就输出过流信号,由控制电路关断IGBT的驱动信号。
两只IGBT串联工作结果
最初我们使用2只IGBT模块串联作为刚管调制器的放电开关,工作电压为2kV,前沿&0.
2&s,波形如图6所示。该调制器连续工作数十小时,输出波形稳定可靠,证明驱动电路参数选择合理。将取得经验和试验数据应用于10只IGBT串联,工作于8kV的刚管调制器中也取得了良好的效果,其波形与图5类似。
图5 调制器输出电压波形(500V/div, 5&s/div)
两只串联IGBT管具有良好的驱动特性,输出的正向栅极电压和反向栅极电压均能满足要求。该电路只需一个驱动电源,克服了以往模块驱动中外接电源较多的缺点，在实际应用中相当稳定。region-detail-title
NGTB15N120IHRWG ON安森美 IGBT 1200V 15A TO247
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电子元器件产品索引： &B&&&&F&&&&J&&&&N&&&&R&&&&V&&&&Z&&&&3&&&&7&&一文读懂IGBT产业链及重要厂商TOP25
IGBT是功率半导体器件第三次技术革命的代表性产品，具有高频率、高电压、大电流，易于开关等优良性能，被业界誉为功率变流装置的“CPU”，广泛应用于轨道交通、航空航天、船舶驱动、智能电网、新能源、交流变频、风力发电、电机传动、汽车等强电控制等产业领域。随着以轨道交通为代表的新兴市场兴起，中国已经成为全球IGBT最大需求市场。
国外IGBT产业链主要厂商
纵观全球市场，IGBT主要供应厂商基本是欧美及日本几家公司，它们代表着目前IGBT技术的最高水平，包括德国英飞凌、瑞士ABB、美国IR、飞兆以及日本三菱、东芝、富士等公司。其IGBT技术基本发展到第六代技术产品，IGBT产品覆盖了600-0A全线产品。在高电压等级领域（3300V以上）更是完全由英飞凌、ABB、三菱三大公司所控制，在大功率沟槽技术方面，英飞凌与三菱公司处于国际领先水平。
国内IGBT产业链主要厂商（排名部分先后）
1、株洲中车时代电气
主要产品及服务：V高压模块，国内唯一自主掌握了高铁动力IGBT芯片及模块技术的企业
官网：http://www.timeselectric.cn/
2、深圳比亚迪
类型：IDM、模组
主要产品及服务：工业级IGBT模块、汽车级IGBT模块（新能源车用与上海先进合作）、600V IGBT单管、IGBT驱动芯片
官网：http://www.byd.cn/
3、杭州士兰微
主要产品及服务：300-600V穿通型IGBT工艺，1200V非穿通型槽栅IGBT工艺，面向电焊机、变频器、光伏逆变器、电机逆变器、UPS电源、家电、消费电子
官网：http://www.silan.com.cn/
4、吉林华微
主要产品及服务：3英寸、4英寸、5英寸与6英寸等多条功率半导体分立器件及IC芯片生产线，应用于逆变器、电磁炉、UPS电源
官网：http://www.hwdz.com.cn/
5、重庆中航微电子
主要产品及服务：A IGBT功率模块
官网：http://www.skysilicon.com/
6、天津中环股份
主要产品及服务：用于消费电子IGBT已经量产，高电压IGBT还在研发，节能型功率器件可用于充电桩
官网：http://www.tjsemi.com/
7、西安永电（中国北车子公司）
类型：模块
主要产品及服务：V/75A-2400A高压模块，主要面向轨道交通、智能电网等高压领域
官网：http://www.xayonge.com.cn/
8、西安爱帕克
类型：模块
主要产品及服务：600V-0A模块
官网：http://www.irperi.com/
9、威海新佳
类型：模块
主要产品及服务：0A模块，应用于AC和DC电机控制、变频器、UPS等领域
官网：http://www.singa.cn/
10、江苏宏微
类型：模块
主要产品及服务：600V-A单管、600-A模块，应用于特种电源、电焊机、UPS、逆变器、变频器等领域
官网：http://www.macmicst.com/
11、嘉兴斯达
类型：模块、设计
主要产品及服务：600V-A-3700A模块
官网：http://www.powersemi.cc/
12、南京银茂
类型：模块、设计
主要产品及服务：600V-0A模块，应用于工业变频、新能源、电源装备等
官网：http://www.njsme.com/
13、无锡中科君芯
类型：设计
主要产品及服务：国内唯一全面掌握650V-6500V全电压段IGBT芯片技术企业，面向电磁感应加热、变频家电、逆变焊机、工业变频器、新能源等领域
官网：http://www.cas-junshine.com/
14、西安芯派
类型：设计
主要产品及服务：650V-0A IGBT，应用于电源管理、电池管理、电机控制及充电桩等领域
官网：http://www.semipower.com.cn/
15、吉林华微斯帕克类型：设计
主要产品及服务：智能功率模块及大功率IGBT模块
16、宁波达新
类型：设计
主要产品及服务：单管、模块、面向逆变焊机、工业领域、白色家电、充电桩、UPS电源、光伏逆变器、空调、电磁感应加热
官网：http://www.daxin-semi.com/
17、无锡同方微
类型：设计
主要产品及服务：600V/V，用于交/直流驱动、不间断电源、电磁炉、通用逆变器、开关和共振模式电源供给等
官网：http://www.tsinghuaicwx.com/
18、无锡新洁能
类型：设计
主要产品及服务：Trench NPT/Trench FS工艺，V；适宜于电磁加热等各类软开关应用
官网：http://www.ncepower.com/
19、上海金芯微电子类型：设计
主要产品及服务：面向电磁炉领域
20、山东科达
类型：设计
主要产品及服务：600V、1200V单管、模块，应用于电磁炉、小功率逆变器、逆变焊机、无刷马达控制器、UPS、开关电源、液晶电视及显示器、太阳能应用等领域
官网：http://www.keda-group.com/
21、上海华虹宏力
类型：芯片制造
主要产品及服务：拥有600V-1200V Trench FS及1700V Trench NPT工艺；V高压芯片工艺正在研发
官网：http://www.huahonggrace.com/
22、上海先进
类型：芯片制造
主要产品及服务：为英飞凌代工
官网：http://www.asmcs.com/
23、深圳方正微
类型：芯片制造
主要产品及服务：提供功劳分立器件IGBT晶圆制造技术
官网：http://www.founderic.com/
24、上海中芯国际
类型：芯片制造
主要产品及服务：代工厂
官网：http://www.smics.com/
25、无锡华润上华
类型：芯片制造
主要产品及服务：1200V phanar NPT IGBT工艺
官网：http://www.csmc.com.cn/
IGBT按电压分布应用领域
在电压结构中，仍然以600-1200V IGBT产品所占比重最大，占整个市场绝大部分市场份额。600V以下的产品主要应用在消费电子领域中，1200V以上的IGBT产品应用在高铁、动车、汽车电子及电力设备中。
IGBT技术发展史
从上世纪80年代至今，IGBT经历了六代技术的发展演变，这个过程是很艰苦的，面对的是大量的结构设计调整和工艺上的难题。
回顾IGBT的发展历程，其主要从三方面发展演变：
（1）器件纵向结构：非穿通型（NPT）结构→拥有缓冲层的穿通型（PT）结构→场终止型（FS）、软穿通型（SPT）结构
（2）栅极结构：平面栅结构→垂直于芯片表面的沟槽型结构
（3）硅片的加工工艺：外延生长技术→区熔硅单晶
国内IGBT技术进展
近几年国内IGBT技术发展也比较快，国外厂商垄断状况逐渐被打破，已取得一定的突破。主要亮点有：
中车集团的株洲时代电气已建成全球第二条、国内首条8英寸IGBT芯片专业生产线，具备年产12万片芯片、并配套形成年产100万只IGBT模块的自动化封装测试能力，芯片与模块电压范围实现从650V到6500V的全覆盖。
中车集团的西安永电电气有限责任公司生产的A IGBT功率模块已成功下线，使其成为全球第四个、国内第一个能够封装6500V以上电压等级IGBT的厂家。
上海北车永电电子科技有限公司与上海先进半导体制造股份有限公司联合开发的国内首个具有完全知识产权的6500V高铁机车用IGBT芯片通过高铁系统上车试验，实现产品化应用，技术达到世界先进水平，标志着国内机车用高压、大电流6500V IGBT芯片设计、芯片工艺研发制造技术的重大突破，特别是攻克了6500V IGBT关断安全工作区，短路工作区等关键技术瓶颈。
华润上华和华虹宏力基于6英寸和8英寸的平面型和沟槽型1700V、2500V和3300V IGBT芯片已进入量产。
深圳比亚迪微电子有限公司、国家电网与上海先进半导体制造股份有限公司建立战略产业联盟，将具有自主知识产权的IGBT核心关键技术和半导体芯片制造技术进行“强强联合”，共同打造IGBT国产化产业链。2015年8月，上海先进半导体正式进入比亚迪新能源汽车用IGBT的供应链。
2015年底，中车株洲所旗下时代电气公司与北汽集团旗下的北汽新能源签署协议，全面启动汽车级IGBT、电机驱动系统等业务的合作，并宣布未来共同打造自主新能源汽车品牌。这被业界视为高铁技术与汽车行业的一次深度“联姻”，有望推动IGBT等汽车半导体产业的国产化进程。
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