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IGBT驱动器中的电平转换技术

作者:海飞乐技术 时间:2018-05-23 14:28

  在消费类应用中,IGBT驱动器主要采用单片电平转换器,即通过一个集成电路实现输入信号和输出信号之间的隔离,其原理如图1所示。值得注意的是,这个电平转换的输入和输出电路之间并没有电气隔离。如果出现差错,电路的高压侧和低压侧将会直接连在一起。因此,在实际应用中,用户界面的充分隔离是必要的。

图1 电平转换器的原理 
图1 电平转换器的原理
 
  单片电平转换器主要应用于UCES低于600V的IGBT,通常一个驱动器有六路输出。由于该类驱动芯片在1.2kV的IGBT驱动中与其他的驱动方式相比,其成本不占优势,因而很少采用。
  IGBT开关时,输出侧由于寄生电感的存在会产生负电压瞬变,从而导致集成芯片的损坏,这也是单片电平转换器的缺点之一。一般而言,没有自锁结构的单片转换器,其内部电路只能承受大约-0.3V的静电电压或大约-5V的瞬变电压。当超出这些电压值时,内部的PN结将会正向偏置,可能导致不可控的开关状态或产生不可控的内部电流从而损坏器件。
  将SOI(绝缘硅)技术应用于电平转换器解决了这一缺陷。这样的SOI装置不是由PN结反向偏置,而是通过一层绝缘层[通常是二氧化硅(SiO2)]为不同的内部电路提供隔离。它的反向电压耐压因此提高到-100V。寄生电感的影响如图2所示,通过加入两级电平转换器形成对下部驱动器的解耦如图3所示。
图2 寄生电感的影响 
图2 寄生电感的影响
图3 通过加入两级电平转换器形成对下部驱动器的解耦 
图3 通过加入两级电平转换器形成对下部驱动器的解耦
 
  如图2所示,输入电路的参考地GND与下部的IGBT驱动器的参考点GNDL完全一致,因此所有的参考点要相互连接。然而,当GNDL直接与下部IGBT的发射极相连时,由于电路中的寄生电感和电阻,GNDL和GND将会有压差。只要不引起自锁,隔离就不是必要的。无论如何,一个上下部通道都有电平转换器的驱动,可以交替工作,这样就消除了GND和GNDL之间的耦合。如果在直流母线的负极上加一个分流电阻Rshunt,则更有实用意义。这样的设计常见于消费电子类产品。图4给出了IR公司的IR2136作为单片电平转换器应用于六通道驱动芯片的例子。
图4  IR公司的IR2136作为单片电平转换器应用于六通道驱动芯片的例子 
图4  IR公司的IR2136作为单片电平转换器应用于六通道驱动芯片的例子
 
  当前使用电平转换器的IGBT驱动芯片见表1。除了集成了逻辑功能外,一些电平转换器芯片也具有自举二极管。这个自举二极管可用于为上部驱动电路提供电源,这将会在后面的文章中提及。
表1 当前使用电平转换器的IGBT驱动芯片
 当前使用电平转换器的IGBT驱动芯片



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