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一文弄懂IGBT驅(qū)動

發(fā)布時間:2022-02-11 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】要了解什么是IGBT驅(qū)動,首先你需要了解什么是IGBT。我們都知道,電機驅(qū)動是IGBT的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。


要了解什么是IGBT驅(qū)動,首先你需要了解什么是IGBT。我們都知道,電機驅(qū)動是IGBT的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。有的同學(xué)可能會有這樣的困惑:


“IGBT本來就是驅(qū)動電機的,為什么它自己還需要一個驅(qū)動?IGBT驅(qū)動到底是做什么的?”


這個問題說來簡單,就像《極簡電力電子學(xué)》中所說:“IGBT本質(zhì)上就是一個電子開關(guān),就好比你家里墻上的開關(guān),按一下,開關(guān)閉合,電燈亮起;再按一下,電燈熄滅。


一文弄懂IGBT驅(qū)動


當(dāng)然,操作IGBT,不再是手,而是電子脈沖。高電平來臨時,器件開通;低電平來臨時,器件就關(guān)斷。手動操作開關(guān),可能一秒鐘一兩次,而我們的電子開關(guān),一秒鐘可以開關(guān)上萬次,幾十萬次。


那么這時候問題來了:控制IGBT電子脈沖從哪兒來?


有的同學(xué)要舉手了:我知道我知道!控制脈沖可以從MCU來!


非常棒!你都會搶答了!


MCU就像我們的大腦,它控制我們身體的一舉一動。但它發(fā)出的神經(jīng)元信號非常微弱,根本無法按動開關(guān)。所以大腦需要把這個信號傳送給手,由手部肌肉運動來產(chǎn)生一定的力量,摁下開關(guān)。IGBT的驅(qū)動就是控制IGBT的、靈巧又有力量的“手”。


那么,信號從MCU到IGBT驅(qū)動芯片,中間都經(jīng)歷了什么?


首先


MCU的輸出電流是mA級別,而IGBT需要的驅(qū)動電流可能達(dá)到幾安培。IGBT驅(qū)動要完成的首要任務(wù),就是作為一個放大器,放大電流。


其次


MCU輸出電平一般是3.3V,而IGBT一般的驅(qū)動電壓要達(dá)到15V。IGBT驅(qū)動需要把3.3V信號轉(zhuǎn)成15V信號。而且這個15V,不是一般的15V。IGBT一般工作在橋式電路中。橋式電路會承受母線電壓。當(dāng)電路不開關(guān)時,橋式電路的中點會承受一半的母線電壓;在上管開通時,中點電位與母線電壓相同。


 一文弄懂IGBT驅(qū)動


這時上管IGBT驅(qū)動的工作,就是要在幾百伏或上千伏的母線電壓基礎(chǔ)之上,再生成一個15V的電壓信號來。好比說MCU提供了一顆長在地上的小樹苗,IGBT驅(qū)動的工作不光是要把小樹苗變成大樹,還要把它移植到高山上去。聽起來是不是很厲害!


最后


MCU 在低壓側(cè),其供電電壓一般為5V。IGBT在高壓側(cè),母線電壓可達(dá)幾千伏。因為低壓側(cè)會有人機接口,所以絕對不能讓高壓側(cè)高電壓流竄到低壓側(cè),給人體造成傷害!有的時候,IGBT驅(qū)動需要有一定的電氣隔離能力,做為低壓側(cè)和高壓側(cè)之間的屏障,防止副邊高壓對原邊操作的人體造成傷害。如果IGBT驅(qū)動不具有絕緣能力的話,絕緣屏障就要加在MCU與人機接口之間。


能完成以上功能的驅(qū)動,我們稱之為緊湊型驅(qū)動。比如英飛凌1ED  X3 compact系列:


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在有些應(yīng)用場景下,驅(qū)動要提供豐富的保護功能。首先,驅(qū)動器要長出一雙“眼睛”(故障檢測),觀察“電燈”(負(fù)載)或者“開關(guān)”(IGBT)運行是否正常。如果負(fù)載有異常,故障檢測立刻發(fā)送信號給“大腦”MCU,MCU發(fā)指令給IGBT驅(qū)動,IGBT驅(qū)動關(guān)閉功率器件,避免炸機。我們把具有保護功能的IGBT驅(qū)動IC稱為增強型驅(qū)動。IGBT驅(qū)動的保護功能包括欠壓關(guān)斷、短路保護、過壓保護、過溫保護、米勒鉗位、軟關(guān)斷等。


 一文弄懂IGBT驅(qū)動


這一類驅(qū)動,我們稱之為增強型驅(qū)動芯片,代表產(chǎn)品有英飛凌1ED34x1MC12M:


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英飛凌提供完整的功率器件+驅(qū)動芯片解決方案。


英飛凌驅(qū)動芯片技術(shù)有兩類:非隔離型和隔離型。非隔離型的驅(qū)動,使用的是level-shift電平轉(zhuǎn)移技術(shù),顧名思義,它能把平地上的“小樹苗”移植到高山上去,但不具有絕緣能力。其中,SOI是一種特別的level-shift技術(shù),它在絕緣的二氧化硅層上制作晶體管,杜絕了漏電流的產(chǎn)生,從而使驅(qū)動芯片具有很強的抗負(fù)壓能力。


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隔離型的驅(qū)動,既能完成電平轉(zhuǎn)換,也具有原副邊電氣隔離的能力。市面上常見的隔離技術(shù)有光隔離,磁隔離,容性隔離。英飛凌隔離型驅(qū)動采用的是磁隔離技術(shù),它使用兩個線圈分別作為原邊和副邊的信號接收器,二氧化硅作為中間的絕緣層,又叫做無磁芯變壓器技術(shù)。


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我們將在接下來的系列文章中,詳細(xì)介紹驅(qū)動芯片不同的技術(shù)特點,以及相應(yīng)的產(chǎn)品分類。


說到這里,不知道大家有沒有發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象,整個電力系統(tǒng)就像是一個層層放大的套娃:MCU發(fā)出的mA級微弱信號,經(jīng)IGBT驅(qū)動芯片放大到幾安培,驅(qū)動芯片后面可能還有一個booster電路將驅(qū)動電流放大到十幾安培,這個電流再經(jīng)過IGBT,可以放大到幾百安甚至幾千安的,從而舉起礦石,升起電梯,驅(qū)動高鐵。IGBT驅(qū)動是整個系統(tǒng)中至關(guān)重要的一環(huán)。


剛剛接觸IGBT驅(qū)動芯片的小伙伴,面對琳瑯滿目的IC型號難免眼花繚亂。其實選擇合適的IGBT驅(qū)動芯片非常簡單,英飛凌有在線的驅(qū)動IC選擇工具,只需要輸入系統(tǒng)的電壓、電流、絕緣等級等簡單信息,工具就會推送合適的產(chǎn)品了。


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