IGBT廠家以及IGBT4種常見的驅動電路形式
IGBT是什么？
? ?IGBT全稱為絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor)，所以它是一個有MOS Gate的BJT晶體管，可以簡單理解為IGBT是MOSFET和BJT的組合體。MOSFET主要是單一載流子(多子)導電，而BJT是兩種載流子導電，所以BJT的驅 動電流會比MOSFET大，但是MOSFET的控制級柵極是靠場效應反型來控制的，沒有額外的控制端功率損耗。所以IGBT就是利用了MOSFET和BJT的優點組合起來的，兼有MOSFET的柵極電壓控制晶體管(高輸入阻抗)，又利用了BJT的雙載流子達到大電流(低導通壓降)的目的 (Voltage-Controlled Bipolar Device)。從而達到驅動功率小、飽和壓降低的完美要求，廣泛應用于600V以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。
圖1?IGBT實物圖 左圖IGBT模塊，右圖IGBT管
? ?IGBT有什么用？
? ?絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是高壓開關家族中最為年輕的一位。由一個15V高阻抗電壓源即可便利的控制電流流通器件從而可達到用較低的控制功率來控制高電流。IGBT就是一個開關，非通即斷，如何控制他的通還是斷，就是靠的是柵源極的電壓，當柵源極加+12V（大于6V，一般取12V到15V）時IGBT導通，柵源極不加電壓或者是加負壓時，IGBT關斷，加負壓就是為了可靠關斷。
IGBT沒有放大電壓的功能，導通時可以看做導線，斷開時當做開路。
IGBT有三個端子，分別是G，D，S，在G和S兩端加上電壓后，內部的電子發生轉移（半導體材料的特點，這也是為什么用半導體材料做電力電子開關的原因），本來是正離子和負離子一一對應，半導體材料呈中性，但是加上電壓后，電子在電壓的作用下，累積到一邊，形成了一層導電溝道，因為電子是可以導電的，變成了導體。如果撤掉加在GS兩端的電壓，這層導電的溝道就消失了，就不可以導電了，變成了絕緣體。
? ?IGBT是電機控制和功率變換的首選器件,從傳統的電力、機械、礦冶，到軌道交通、航空航天、新能源裝備以及特種裝備等戰略性新興產業，都有IGBT應用的身影。以高鐵應用為例，IGBT裝置可以說是列車運行的“心臟”。高鐵運行中，要在短時間將時速從零提升到300公里以上，反之，也需要在極短的時間內將正在高速運行的列車平穩停下來。這看似簡單的加速、減速過程，相關傳動設備、牽引變流器以及其他電動設備，要在短暫的時間內完成一系列復雜的高難度動作，這需要確保各種設備所需的電流、電壓極為精準、可靠，在目前技術條件下，只有大功率的IGBT才能滿足這一苛刻要求。在減速過程中，通過IGBT的作用，還可 以將列車減速產生的能量轉為電能，回饋給電網。
圖2 ?IGBT是汽車元器件中的核心器件之一
? ?IGBT行業現況
? ?IGBT芯片的制造，是一個物理作用與化學作用完美結合的過程。 前后共有200多道**小小的工藝步驟，每個工藝步驟必須精準到位，每項技術火候都必須拿捏得當。否則，“失之毫厘，謬以千 里”，一個細小環節的差異，就可能導致整批芯片的報廢。
? ?IGBT作用大，應用廣泛，但這一技術長期被極少數經濟發達國家所壟斷。早些年，我國所有機車車輛用的
IGBT模塊全部依賴國外進口。每年，高鐵、城軌、風電等產業，需要從國外采購數十億美元的 IGBT產品，采購周期長達數月甚至一年以上?！坝行╊I域，國外根本就不賣”。早在2006年，國家相關部委就將IGBT器件技術作為重大專項課題，集中進行研發，但由于基礎落后、人才匱乏，進展緩慢。IGBT技 術的落后，使得我國一些關鍵產業 發展一度受制于人。
? ?國產IGBT研發進度
? ?“十一五”初期，南車株洲所在國內率先啟動“高壓IGBT元件研制”項目。然而，想在短短幾年內，完全依靠自身力量，獨立自主 研發掌握核心技術并推動IGBT技術產業化難度極大。南車株洲所智慧 地選擇了一條“捷徑”——實施“收購-整合-創新”戰略，通過全球性戰略布局，吸納國際優勢研發資源，對IGBT技術進行自主攻關。2008年10月31日，南車株洲所下屬株洲南車時代電氣股份有限 公司成功收購英國丹尼克斯半導體公司75%的股權，為中國南車實現IGBT技術的突破打開了一扇窗。目前，4500伏、6500伏等更高電壓等級的IGBT芯片相繼在南車株洲所研發成功，滿足了軌道交通、智能電網等高端應用領域的需 要，并且實現IGBT制造技術從6英寸到8英寸的跨越。
? ?IGBT知名生產廠家
? ?1、美國國際整流器公司(IR)
? ?美國國際整流器公司(IR)為全球功率半導體和管理方案領先廠商。IR的模擬及混合信號集成電路、先進電路器件、集成功率系統和器件廣泛應用于驅動高性能計算機及降低電機的能耗，是眾多國際知名廠商開發下一代計算機、節能電器、照明設備、汽車、衛星系統、宇航及國防系統的電源管理基準。
? ?2、意法半導體(STMicroelectronics)
? ?意法半導體(ST)公司成立于1987年，是意大利SGS半導體公司和法國湯姆遜半導體合并后的新企業，從成立之初至今，ST的增長速度超過了半導體工業的整體增長速度。自1999年起，ST始終是世界十大半導體公司之一。為世界第一大專用模擬芯片和電源轉換芯片制造商，世界第一大工業半導體和機頂盒芯片供應商，在分立器件、手機相機模塊和車用集成電路領域居世界前列。標準產品包括分立器件如晶體管、二極管與晶閘管;功率晶體管如MOSFET、IGBT等。
? ?3、飛兆(Fairchild)
? ?飛兆半導體公司(FairchildSemiconductor)俗稱“仙童半導體”，是美國的一家半導體設計與制造公司，目前總部設在緬因州南波特蘭。曾經開發了世界上第一款商用集成電路(略微領先于德州儀器公司)。當前半導體行業的重要公司英特爾、AMD等的創始人都來自此公司。飛兆半導體公司在硅谷的發展史上占有重要的位置。
? 4、富士通(Fuji)
? 富士通(Fuji)主要產品包括自動售貨機、工廠自動化設備、電源設備、半導體、集成電路等信息電子零部件。主要生產和銷售IGBT、MOS-FET等功率半導體，特別是在工業驅動用IGBT組件領域的市場份額排名世界第三位，市場占有率高達30%。
? 自從1996年在無錫建立第一家企業以來，英飛凌的業務取得非常迅速的增長，目前在中國已經擁有8家公司和1700多名員工。2004年英飛凌在中國的銷售額增加了30%，高于中國半導體行業的平均增長速度，在國內的排名由2002年的第七位上升至前四位，成為英飛凌亞太乃至全球業務發展的一個重要推動力。
驅動電路又稱為激勵電路，它是主電路與控制電路之間的接口，它的主要作用體現在：
(1)使功率開關管工作在較理想的開關狀態，縮短開關時間，減小開關損耗，對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。
(2)對功率開關管或整個裝置的一些保護措施也往往設在驅動電路中，或通過驅動電路實現。
驅動電路根據驅動的功率開關管的不同，可以分為電流驅動型和電壓驅動型，其中功率晶體管需要電流型驅動電路驅動，電壓型驅動電路驅動功率MOSFET和IGBT.驅動電路根據電路的具體形式可以分為分立元件組成的驅動電路和專用集成驅動電路，目前的趨勢是采用集成驅動電路。
??1. 分立元件的驅動電路?
分立插腳式元件組成的驅動電路在80年代的日本和臺灣變頻器上被廣泛使用,主要包括日本(富士:G2,G5.三肯:SVS,SVF,MF.,春日,三菱Z系列K系列等)臺灣(歐林,普傳,臺安.)等一系列變頻器。隨著大規模集成電路的發展及貼片工藝的出現,這類設計電路復雜，集成化程度低的驅動電路已逐漸被淘汰。
??2.?光電耦合器隔離驅動電路 ?
當IGBT構成的主電路輸出較大的功率時，IGBT的集電極電壓很高，發射極不一定直接與公共地連接?？刂齐娐放c驅動電路仍為低電壓供電，此種情況驅動電路與主電路之間不應直接連接，而應通過隔離元件間接傳送驅動信號。根據所用隔離元件的不同，把隔離驅動電路分為電磁隔離與光隔離：a. 用脈沖變壓器作為隔離元件的隔離電路稱為電磁隔離電路；b. 用光耦合器把控制信號與驅動電路加以隔離的柵極驅動電路稱為光電隔離驅動電路。
由于光電耦合器構成的驅動電路具有線路簡單、可靠性高、開關性能好等特點，在IGBT驅動電路設計中被廣泛采用。由于驅動光電鍋臺器的型號很多，所以選用的余地也很大。用于IGBT的光電耦合器驅動電路的驅動光電耦合器選用較多的主要有東芝的TLP系列、夏普的比系列、惠普的HLPL系列等。以東芝TLP系列光電鍋臺器為例，驅動IGBT模塊的光電耦合器主要采用的是TLP250和TLP251兩個型號。對于小電流(15A左右)的模塊，一般采用TLP251。外圍再輔以驅動電源和限流電阻等就構成了最簡單的驅動電路。而對于中等電流(50A左右)的模塊，一般采用TLP250型號的光電耦合器。而對于更大電流的模塊，在設計驅動電路時一般在光電鍋合器驅動電路后面再增加一級放大電路，以達到安全驅動IGBT模塊的目的。光電耪合器的優點是體積小巧，缺點是反應較慢，因而具有較大的延遲時間(高速型光電耦合器一般也大于500ns)。光電鍋臺器的輸出級需要隔離的輔助電源供電。
??3.厚膜驅動電路 ??
厚膜驅動電路是在阻容元件和半導體技術的基礎上發展起來的一種混合集成電路。它是利用厚膜技術在陶瓷基片上制作模式元件和連接導線，將驅動電路的各元件集成在一塊陶瓷基片上，使之成為一個整體部件。使用厚膜驅動電路給設計布線帶來了很大的方便，可提高整機的可靠性和批量生產的一致性，同時也加強了技術的保密性。現在的厚膜驅動電路集成了很多保護電路和檢測電路。
例：M57959L/M57962L厚膜驅動電路
M57959L/M57962L厚膜驅動電路采用雙電源（+15V，- 10V）供電，輸出負偏壓為-10V，輸入輸出電平與TTL電平兼容，配有短路/過載保護和 封閉性短路保護功能，同時具有延時保護特性。其分別適合于驅動1200V/100A、600V/200A和1200V/400A、600V/600A及其以下的 IGBT。M57959L/M57962L在驅動中小功率的IGBT時，驅動效果和各項性能表現優良，但當其工作在高頻下時，其脈沖前后沿變的較差，即信號的最大傳輸寬度受到限制。且厚膜內部采用印刷電路板設計，散熱不是很好，容易因過熱造成內部器件的燒毀。
日本三菱公司的M57959L集成IGBT專用驅動芯片它可以作為600V/200A或者1200V/100A的IGBT驅動。其最高頻率也達40KHz，采用雙電源 ?供電（+15V和-15V）輸出電流峰值為±2A，M57959L有以下特點：
（1）采用光耦實現電器隔離，光耦是快速型的，適合20KHz左右的高頻開關運行，光耦的原邊已串聯限流電阻，可將5V電壓直接加到輸入 側。
（2） 如果采用雙電源驅動技術，輸出負柵壓比較高，電源電壓的極限值為+18V/-15V，一般取+15V/-10V。
（3）信號傳輸延遲時間短，低電平-高電平的傳輸延時以及高電平-低電平的傳輸延時時間都在1.5μs以下。
（4）具有過流保護功能。M57962L通過檢測IGBT的飽和壓降來判斷IGBT是否過流，一旦過流，M57962L就會將對IGBT實施軟關斷，并輸出過流故障信號。
（5）M57959的內部原理框圖如圖1所示，這一電路的驅動部分與EXB系列相仿，但是過流保護方面有所不同。過流檢測仍采用電壓采樣，電路特?點是采用柵壓緩降，實現IGBT軟關斷。
避免了關斷中過電壓和大電流沖擊，另外，在關斷過程中，輸入控制信號的狀態失去作用，既保護關斷是在封閉狀態中完成的。當保護開始時，立即送出故障信號，目的是切斷控制信號，包括電路中其它有源器件。
圖1 M57959L的內部原理框圖
??4.?專用集成驅動電路 ?
目前已開發和應用的專用集成驅動電路主要有IR公司的IR2111、IR2112、IR2113等。
此外，現在的一些歐美廠商在IGBT驅動電路設計上采用了高頻隔離變壓器(如丹佛斯VLT系列變頻電源)。通過高頻變壓器對驅動電路的電源及信號的隔離，增強了驅動電路的可靠性，同時也有效地防止了主電路出現故障時對控制電路的損壞。在實際應用中這種驅動電路的故障率很低，大功率模塊也極少出現問題。
IGBT廠家以及IGBT4種常見的驅動電路形式
