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浅析大功率IGBT
发布者 : admin 发布时间 : 2021/11/11 09:11:07


广东爱晟电子科技有限公司生产的IGBT用NTC热敏芯片,在大功率IGBT模块中起到温度监测和温度控制的作用。利用大功率IGBT交流电与直流电之间转换的特性,其被广泛应用于轨道交通、新能源汽车电池管理系统(BMS,Battery Management System)、智能家居等领域。

大功率IGBT驱动器在高电压环境工作时,为了保证控制器不受影响,驱动脉冲信号必须经过隔离后再传送到IGBT的栅极。一般的隔离方式有光隔离和磁隔离,光隔离又包括光耦隔离和光纤隔离。由于隔离电压相对较低,光耦隔离存在传输延迟、老化和可靠性等方面的问题,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(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,因此在大功率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是将放大后的脉冲信号隔离后直接驱动IGBT或功率MOS管,这种工作方式无需单独的驱动电源,电路设计简单,成本也比较低。但是当驱动脉冲的占空比变化范围比较大,特别是在占空比比较大时,由于变压器输出波形在一个周期的伏秒积必须相等,可能使输出正脉冲幅度减小,以至于无法正常驱动IGBT,通常要求控制脉冲占空比小于50%。同时,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,驱动波形存在失真,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。因此,这种驱动方式主要应用于小功率的开关电源中。

为了方便用户对驱动电源的设计,大功率IGBT驱动模块内部通常都自带了DC/DC变换器。具有高隔离电压等级的DC/DC变换器无需用户单独设计隔离电源,集成的隔离变换器通常采用半桥式或推挽式的结构。为了增加隔离电压,简化变换器控制电路,一般不带闭环控制,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。为了减小变压器的体积,工作频率多在100khz以上。在高压大功率应用场合,根据不同的母线电压,驱动器初级、次级之间必须要求具有很高的隔离电压耐量,900V DC的母线电压要求至少有4KV AC的隔离电压。另外一个必须考虑的因素是DV/DT耐量,当IGBT高速开关时,可能产生非常高的DV/DT耐量,此信号可以经过隔离变压器或脉冲变压器耦合到初级控制电路,对控制电路产生干扰。因此,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,根据对DV/DT耐量具体的要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。





参考资料:

电力电子技术与新能源《大功率IGBT驱动的技术特点及发展趋势分析》

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