IGBT廠家以及IGBT4種常見的驅(qū)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(dǎo)電，而BJT是兩種載流子導(dǎo)電，所以BJT的驅(qū) 動電流會比MOSFET大，但是MOSFET的控制級柵極是靠場效應(yīng)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(yōu)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(dǎo)通壓降)的目的 (Voltage-Controlled Bipolar Device)。從而達到驅(qū)動功率小、飽和壓降低的完美要求，廣泛應(yīng)用于600V以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)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(guān)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(guān)，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(dāng)柵源極加+12V（大于6V，一般取12V到15V）時IGBT導(dǎo)通，柵源極不加電壓或者是加負壓時，IGBT關(guān)斷，加負壓就是為了可靠關(guān)斷。
IGBT沒有放大電壓的功能，導(dǎo)通時可以看做導(dǎo)線，斷開時當(dāng)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(nèi)部的電子發(fā)生轉(zhuǎn)移（半導(dǎo)體材料的特點，這也是為什么用半導(dǎo)體材料做電力電子開關(guān)的原因），本來是正離子和負離子一一對應(yīng)，半導(dǎo)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(dǎo)電溝道，因為電子是可以導(dǎo)電的，變成了導(dǎo)體。如果撤掉加在GS兩端的電壓，這層導(dǎo)電的溝道就消失了，就不可以導(dǎo)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(tǒng)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(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，都有IGBT應(yīng)用的身影。以高鐵應(yīng)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(nèi)將正在高速運行的列車平穩(wěn)停下來。這看似簡單的加速、減速過程，相關(guān)傳動設(shè)備、牽引變流器以及其他電動設(shè)備，要在短暫的時間內(nèi)完成一系列復(fù)雜的高難度動作，這需要確保各種設(shè)備所需的電流、電壓極為精準(zhǔn)、可靠，在目前技術(shù)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(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)為電能，回饋給電網(wǎng)。
圖2 ?IGBT是汽車元器件中的核心器件之一
? ?IGBT行業(yè)現(xiàn)況
? ?IGBT芯片的制造，是一個物理作用與化學(xué)作用完美結(jié)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(zhǔn)到位，每項技術(shù)火候都必須拿捏得當(dāng)。否則，“失之毫厘，謬以千 里”，一個細小環(huán)節(jié)的差異，就可能導(dǎo)致整批芯片的報廢。
? ?IGBT作用大，應(yīng)用廣泛，但這一技術(shù)長期被極少數(shù)經(jīng)濟發(fā)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(fēng)電等產(chǎn)業(yè)，需要從國外采購數(shù)十億美元的 IGBT產(chǎn)品，采購周期長達數(shù)月甚至一年以上。“有些領(lǐng)域，國外根本就不賣”。早在2006年，國家相關(guān)部委就將IGBT器件技術(shù)作為重大專項課題，集中進行研發(fā)，但由于基礎(chǔ)落后、人才匱乏，進展緩慢。IGBT技 術(shù)的落后，使得我國一些關(guān)鍵產(chǎn)業(yè) 發(fā)展一度受制于人。
? ?國產(chǎn)IGBT研發(fā)進度
? ?“十一五”初期，南車株洲所在國內(nèi)率先啟動“高壓IGBT元件研制”項目。然而，想在短短幾年內(nèi)，完全依靠自身力量，獨立自主 研發(fā)掌握核心技術(shù)并推動IGBT技術(shù)產(chǎn)業(yè)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(chuàng)新”戰(zhàn)略，通過全球性戰(zhàn)略布局，吸納國際優(yōu)勢研發(fā)資源，對IGBT技術(shù)進行自主攻關(guān)。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(dǎo)體公司75%的股權(quán)，為中國南車實現(xiàn)IGBT技術(shù)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(fā)成功，滿足了軌道交通、智能電網(wǎng)等高端應(yīng)用領(lǐng)域的需 要，并且實現(xiàn)IGBT制造技術(shù)從6英寸到8英寸的跨越。
? ?IGBT知名生產(chǎn)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(dǎo)體和管理方案領(lǐng)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(tǒng)和器件廣泛應(yīng)用于驅(qū)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(fā)下一代計算機、節(jié)能電器、照明設(shè)備、汽車、衛(wèi)星系統(tǒng)、宇航及國防系統(tǒng)的電源管理基準(zhǔn)。
? ?2、意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)
? ?意法半導(dǎo)體(ST)公司成立于1987年，是意大利SGS半導(dǎo)體公司和法國湯姆遜半導(dǎo)體合并后的新企業(yè)，從成立之初至今，ST的增長速度超過了半導(dǎo)體工業(yè)的整體增長速度。自1999年起，ST始終是世界十大半導(dǎo)體公司之一。為世界第一大專用模擬芯片和電源轉(zhuǎn)換芯片制造商，世界第一大工業(yè)半導(dǎo)體和機頂盒芯片供應(yīng)商，在分立器件、手機相機模塊和車用集成電路領(lǐng)域居世界前列。標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)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(dǎo)體公司(FairchildSemiconductor)俗稱“仙童半導(dǎo)體”，是美國的一家半導(dǎo)體設(shè)計與制造公司，目前總部設(shè)在緬因州南波特蘭。曾經(jīng)開發(fā)了世界上第一款商用集成電路(略微領(lǐng)先于德州儀器公司)。當(dāng)前半導(dǎo)體行業(yè)的重要公司英特爾、AMD等的創(chuàng)始人都來自此公司。飛兆半導(dǎo)體公司在硅谷的發(fā)展史上占有重要的位置。
? 4、富士通(Fuji)
? 富士通(Fuji)主要產(chǎn)品包括自動售貨機、工廠自動化設(shè)備、電源設(shè)備、半導(dǎo)體、集成電路等信息電子零部件。主要生產(chǎn)和銷售IGBT、MOS-FET等功率半導(dǎo)體，特別是在工業(yè)驅(qū)動用IGBT組件領(lǐng)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(yè)以來，英飛凌的業(yè)務(wù)取得非常迅速的增長，目前在中國已經(jīng)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(dǎo)體行業(yè)的平均增長速度，在國內(nèi)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(yè)務(wù)發(fā)展的一個重要推動力。
驅(qū)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(xiàn)在：
(1)使功率開關(guān)管工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時間，減小開關(guān)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(guān)管或整個裝置的一些保護措施也往往設(shè)在驅(qū)動電路中，或通過驅(qū)動電路實現(xiàn)。
驅(qū)動電路根據(jù)驅(qū)動的功率開關(guān)管的不同，可以分為電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型，其中功率晶體管需要電流型驅(qū)動電路驅(qū)動，電壓型驅(qū)動電路驅(qū)動功率MOSFET和IGBT.驅(qū)動電路根據(jù)電路的具體形式可以分為分立元件組成的驅(qū)動電路和專用集成驅(qū)動電路，目前的趨勢是采用集成驅(qū)動電路。
??1. 分立元件的驅(qū)動電路?
分立插腳式元件組成的驅(qū)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(guī)模集成電路的發(fā)展及貼片工藝的出現(xiàn),這類設(shè)計電路復(fù)雜，集成化程度低的驅(qū)動電路已逐漸被淘汰。
??2.?光電耦合器隔離驅(qū)動電路 ?
當(dāng)IGBT構(gòu)成的主電路輸出較大的功率時，IGBT的集電極電壓很高，發(fā)射極不一定直接與公共地連接。控制電路與驅(qū)動電路仍為低電壓供電，此種情況驅(qū)動電路與主電路之間不應(yīng)直接連接，而應(yīng)通過隔離元件間接傳送驅(qū)動信號。根據(jù)所用隔離元件的不同，把隔離驅(qū)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(qū)動電路加以隔離的柵極驅(qū)動電路稱為光電隔離驅(qū)動電路。
由于光電耦合器構(gòu)成的驅(qū)動電路具有線路簡單、可靠性高、開關(guān)性能好等特點，在IGBT驅(qū)動電路設(shè)計中被廣泛采用。由于驅(qū)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(qū)動電路的驅(qū)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(qū)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(qū)動電源和限流電阻等就構(gòu)成了最簡單的驅(qū)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(shè)計驅(qū)動電路時一般在光電鍋合器驅(qū)動電路后面再增加一級放大電路，以達到安全驅(qū)動IGBT模塊的目的。光電耪合器的優(yōu)點是體積小巧，缺點是反應(yīng)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(qū)動電路 ??
厚膜驅(qū)動電路是在阻容元件和半導(dǎo)體技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種混合集成電路。它是利用厚膜技術(shù)在陶瓷基片上制作模式元件和連接導(dǎo)線，將驅(qū)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(qū)動電路給設(shè)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(chǎn)的一致性，同時也加強了技術(shù)的保密性。現(xiàn)在的厚膜驅(qū)動電路集成了很多保護電路和檢測電路。
例：M57959L/M57962L厚膜驅(qū)動電路
M57959L/M57962L厚膜驅(qū)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(qū)動1200V/100A、600V/200A和1200V/400A、600V/600A及其以下的 IGBT。M57959L/M57962L在驅(qū)動中小功率的IGBT時，驅(qū)動效果和各項性能表現(xiàn)優(yōu)良，但當(dāng)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(nèi)部采用印刷電路板設(shè)計，散熱不是很好，容易因過熱造成內(nèi)部器件的燒毀。
日本三菱公司的M57959L集成IGBT專用驅(qū)動芯片它可以作為600V/200A或者1200V/100A的IGBT驅(qū)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(xiàn)電器隔離，光耦是快速型的，適合20KHz左右的高頻開關(guān)運行，光耦的原邊已串聯(lián)限流電阻，可將5V電壓直接加到輸入 側(cè)。
（2） 如果采用雙電源驅(qū)動技術(shù)，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(guān)斷，并輸出過流故障信號。
（5）M57959的內(nèi)部原理框圖如圖1所示，這一電路的驅(qū)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(xiàn)IGBT軟關(guān)斷。
避免了關(guān)斷中過電壓和大電流沖擊，另外，在關(guān)斷過程中，輸入控制信號的狀態(tài)失去作用，既保護關(guān)斷是在封閉狀態(tài)中完成的。當(dāng)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(nèi)部原理框圖
??4.?專用集成驅(qū)動電路 ?
目前已開發(fā)和應(yīng)用的專用集成驅(qū)動電路主要有IR公司的IR2111、IR2112、IR2113等。
此外，現(xiàn)在的一些歐美廠商在IGBT驅(qū)動電路設(shè)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(qū)動電路的電源及信號的隔離，增強了驅(qū)動電路的可靠性，同時也有效地防止了主電路出現(xiàn)故障時對控制電路的損壞。在實際應(yīng)用中這種驅(qū)動電路的故障率很低，大功率模塊也極少出現(xiàn)問題。
IGBT廠家以及IGBT4種常見的驅(qū)動電路形式
