igbt驱动器的隔离技术分析

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1、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21)重庆通信学院电力工程系，重庆4000352)广州金升阳科技有限公司，广州5106601)Email：zlier1026@163.com2)Email：george@mornsun.cn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）中广泛采绝

2、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[3]，比如：构与双极性晶体管相结合的复合型功率开关器件，兼IR2110。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，上管驱动器的极大的影响[1]。驱动器的主

3、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，全可靠隔离[2]。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：家用电器和车载逆变器等。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

4、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（Levelshifter）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

5、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（磁隔离）可以实现相对较高的隔离电压，而且变压器的重庆市自然科学基金项目（资助号：2007BB2107）可靠性高，传输延迟小，可以实现较高的开关频率，中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会

6、不存在老化的问题，因此，在高压IGBT驱动器中多高的开关频率，不存在老化的问题，因此在高压IGBT数采用脉冲变压器作为隔离元件来完成驱动信号的隔驱动器中多数采用脉冲变压器作为隔离元件来完成驱离传输。传统的驱动用脉冲变压器通常要求控制脉冲动信号的隔离传输。常见的脉冲变压器隔离传输脉冲占空比小于50%，脉冲变压器磁芯的饱和问题也限制信号方式是将脉冲信号完整耦合到次级后驱动IGBT，了控制脉冲的导通时间。还存在驱动波形失真，特别此种方法要求脉冲占空比小于50%，导通时间也受到是在驱动大功率IGBT时，由于IGBT的输入电容比较磁芯饱和特性的限制，大功率驱动应用中波形失真等大，脉冲变压器次级输出的

7、驱动脉冲波形很难满足驱问题。而在高压大功率驱动方面，通常采用的方法是动要求。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4VCC故障检测故障1脉冲信号耦合到次级，再通过次级解调重构的方法还14电路检测原驱动脉冲信号。其工作原理如图5所示。定时及复位电路接口5输出G门极关断故障变换重构813电路输出6VEES图5脉冲边缘耦合传递方式图3光耦隔离驱动电路这种方式的优点是脉冲变压