级联功率单元IGBT的驱动与保护研究
IGBT驱动电路原理与保护电路
IGBT驱动电路原理与保护电路IGBT（Insulated-Gate Bipolar Transistor）驱动电路主要由三部分组成：信号隔离部分、驱动信号放大部分和保护电路。
信号隔离部分是将输入信号与输出信号进行隔离，防止输入信号中的噪声和干扰对输出信号产生影响。
常用的信号隔离方法有变压器隔离、光电隔离和互感器隔离等。
其中，光电隔离是最常用的方法之一，它通过输入端的光电耦合器将电信号转换成光信号，通过光电隔离再将光信号转换为电信号输出。
这样可以有效防止输入信号中的噪声和干扰对输出信号产生干扰，提高系统的稳定性和可靠性。
驱动信号放大部分是将输入信号进行放大，以驱动IGBT的门极电压，控制IGBT的导通和关断。
驱动信号放大部分一般采用功放电路，常用的放大器有晶体管放大器和运放放大器。
通过合理选择放大器的工作点和增益，可以将输入信号进行适当放大，提高系统的灵敏度和响应速度，以确保IGBT的正常工作。
保护电路是为了保护IGBT免受电路中的过电流、过电压等异常情况的损害而设计的。
保护电路一般包括过流保护、过压保护、过温保护和短路保护等功能。
过流保护通过在电路中增加电流传感器来检测电流的变化，一旦电流超过设定值就会触发保护，例如通过切断电源来防止IGBT损坏。
过压保护通过在电路中增加电压传感器来检测电压的变化，一旦电压超过设定值就会触发保护，例如通过切断电源来防止IGBT损坏。
过温保护通过在IGBT芯片上增加温度传感器来检测芯片温度的变化，一旦温度超过设定值就会触发保护，例如通过减小驱动信号的幅度来降低功耗和温度。
短路保护通过在电路中增加短路检测电路，一旦检测到短路就会触发保护，例如通过立即切断电源来防止IGBT损坏。
总之，IGBT驱动电路的原理是通过信号隔离部分将输入信号与输出信号进行隔离，通过驱动信号放大部分将输入信号进行放大，以驱动IGBT的门极电压，控制其导通和关断。
同时，通过保护电路对IGBT进行多重防护，保证其在电路异常情况下的正常工作，提高系统的可靠性和稳定性。
高压大功率单元IGBT的驱动保护
第28卷 第3期2008年9月西安科技大学学报JOURNAL OF XI′AN UN I V ERSI TY OF S C I E NCE AND TECHNOLOGYVol.28 No13Sep12008 文章编号:1672-9315(2008)03-0555-04高压大功率单元I GBT的驱动保护3任继红(西安建筑科技大学机电工程学院,陕西西安710055)摘要:合理设计驱动电路不但可以减少I G BT开关次数和开关过程损耗,降低发热量与输出电压波形畸变率,而且还可以减少事故发生概率,提高系统安全性、可靠性与系统持续可运行时间。
文中首先通过分析各种调制控制方法与驱动电路优缺点,设计了I G BT驱动调制技术方案,接着又分析了I G BT的工作特性、驱动电路要求与SCALE模块结构原理,然后,使用SCALE作为驱动元件设计I G BT驱动保护电路。
经过长时间运行验证,该电路可以很好满足使用要求。
关键词:级联功率单元;SP WM;驱动模块;短路与过流保护;死区时间中图分类号:T N322+.8 文献标识码:A0 引 言功率单元是级联高压变频器的重要组成单元,其功率开关元件普遍选用I G BT[1～3]。
合理设计驱动电路不但可以降低系统的损耗,而且也可以提高可靠性。
尽管I G BT是一个双极型电压型全控器件,具有输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快和工作频率高等优点,但是,它的实际开通与关断却与电路条件和开关环境关系非常密切[4～6]。
驱动和保护电路一直是功率单元设计的难点和重点。
目前,虽然市场上驱动保护模块种类繁多,如国内常用的日本富士公司生产的EXB8系列、三菱电机公司生产的M579系列、美国I R公司生产的I R21系列、惠普生产的HCLP-316J。
由于这些模块在不同程度上存在驱动能力的限制,都不能很好地满足大功率单元I G BT的驱动与保护要求。
经研究分析CON2 CEPT公司生产的Scale等驱动模块,发现该模块适合在H桥驱动电路中应用。
应用于风力发电的大功率IGBT驱动保护电路
应用于风力发电的大功率IGBT驱动保护电路随着风力发电技术的不断进步，越来越多的风力发电机被投入使用。
在风力发电中，IGBT（绝缘栅双极晶体管）被广泛应用于风力发电机的变频器中，用于控制电机的电能输出和风力发电的整个过程。
而大功率IGBT驱动保护电路则是保护这些IGBT的关键部分。
一、大功率IGBT驱动保护电路的意义大功率IGBT驱动保护电路是为了保护风力发电机变频器中的IGBT而设计的一种电路。
IGBT作为风力发电机变频器的核心部件，负责将电能转换成机械能，并进行不同频率、不同电压的输出。
在风力发电的过程中，变频器中的IGBT受到的电压和电流都是很大的，同时高频电源的电压也对IGBT产生了很大的压力，如果IGBT的运行不能被有效保护，就有可能会引起其烧毁或损坏，从而对风力发电机的正常运行产生不利影响。
因此，大功率IGBT驱动保护电路是非常必要的。
二、大功率IGBT驱动保护电路的基本原理大功率IGBT驱动保护电路的基本原理是在IGBT的驱动电路中加入过流、过压、过热等保护电路。
在系统的设计中，IGBT的故障通常是由于内部电热、电压电流等因素引起的，因此，大功率IGBT驱动保护电路需要在这些方面进行有效的保护。
（1）过流保护在变频器的运行过程中，IGBT受到电流冲击时，可能会产生较大的能量，引起其过热烧毁，因此，过流保护是很必要的。
对于系统中的IGBT，可以通过电流传感器进行测量，通过对电流大小的测量，在IGBT的驱动电路中加入保护电路，当电流大小超过一定的阀值时，保护电路就会起到保护作用。
（2）过压保护风力发电机的变频器在运行过程中，如果瞬间出现高电压，就很可能会对IGBT造成损伤。
因此，过压保护是非常必要的。
在大功率IGBT驱动保护电路中，可以使用Zener二极管或压敏电阻作为过压保护器件，当电压突然上升时，就会使得这些保护器件在短时间内短路，从而保护IGBT。
（3）过热保护IGBT的运行温度较高，通常需要对其进行过热保护。
IGBT驱动电路原理与保护电路
IGBT驱动电路原理与保护电路IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）驱动电路是一种用于控制和驱动IGBT器件的电路，用于将低功率信号转化为高功率信号，以实现对IGBT器件的控制。
IGBT驱动电路通常由输入电路、隔离电路、输出电路和保护电路组成。
下面将详细介绍IGBT驱动电路的原理和保护电路的作用。
IGBT驱动电路的主要工作原理是通过输入信号的变化来控制IGBT的通断，从而实现对高功率负载的控制。
IGBT驱动电路一般采用CMOS电路设计，以确保高噪声抑制和良好的电磁兼容性。
常见的IGBT驱动电路分为光耦隔离和变压器隔离两种。
光耦隔离驱动电路是将输入信号与输出信号通过光电耦合器隔离，在高功率环境下提供了良好的隔离和保护。
光电耦合器的输入端通常由输入信号发生器驱动，而输出端则连接到IGBT的控制极，实现信号的传输和控制。
光耦隔离驱动电路在功率轻载和带负载的情况下都能提供良好的电气隔离，提高了系统的可靠性和稳定性。
变压器隔离驱动电路是通过变压器来实现输入和输出信号的隔离。
输入信号通过变压器的一侧传输，然后通过变压器的另一侧连接到IGBT的控制极。
变压器隔离驱动电路具有较高的耐受电压和电流能力，并能抵御噪声和干扰的影响。
IGBT保护电路的作用：IGBT是一种高功率开关设备，在工作过程中容易受到电流过大、电压过高、温度过高等因素的影响，导致过热、短路甚至损坏。
因此，为了保护IGBT设备的正常工作和延长其使用寿命，需要在IGBT驱动电路中添加一些保护电路。
常见的IGBT保护电路包括过流保护、过压保护和过温保护。
过流保护电路通过检测IGBT芯片上的电流大小来保护器件的工作。
当电流超过预设值时，保护电路会通过切断电源或降低输入信号的方式来阻止过大电流通过IGBT。
这样可以防止IGBT芯片发生过热和失效。
过压保护电路通过监测IGBT器件上的电压来保护该器件的工作。
当电压超过正常工作范围时，保护电路会通过切断电源或降低输入信号的方式来阻止过高电压对IGBT芯片的损害。
级联功率单元IGBT的驱动与保护研究
Ｍ ．９ ３ 电动机 和发 电机》 ３ 节有关规定 ，ｕ ｄ 的 限制条件 Ｇ１１９ （ （ 第 ０ ｄ／ ｔ
为输 出相 电 压从 １％峰 值 升 到９％ 峰 值 时 间不得 小 于 １ ， ０ ０ ｓ对
关键词： 级联功率单元
驱 动模块
短路与过流保护
死区时间
Ａｂｓｒ ｃ ： Ｈｏ ｔ ｒｖ ｒａ ｐｒｔｃ Ｉ ｔａ ｔ ｗ ｏ ｄｉ ｅ ｎｄ ｏ ｅ ｔ ＧＢＴ ｓ ｅ ｎｄ ｄｉ ｉｕ ｔ ｆｄｅ ｅ ｏ ｉ ｋ ｙ ａ ｆ ｃ ｌｙ ｏ ｖ ｌｐｍｅ ｔｏ ｄ ｌ ｉｈｔｖ ｌａ ｅ ｎｖ ｒｅ ． Ｉ ｈｅ ｐａ ｒ， Ｆｉｓｌ ＧＢＴ ｆ ｎ ｆｍｉ ｄｅ ｈ ｇ ｏｔｇ Ｉ ｅ ｔｒ ｎ ｔ ｐｅ ｒｔｙ Ｉ Ｃｈａ ａ ｔｒｓｉ ｎ ｅ ｕｉｅ ｎ ｆ ＧＢＴ ｒｖ ｒａ ｅ ａ ａ ｙ ｅ ， ｔ ｅ ｒｃ ｅｉｔｃ ａ ｄ ｒ ｑ ｒ ｍｅ ｔｏ Ｉ ｄ ｅ ｒ ｎ ｌｚ ｄ ｈ ｎ， ｄ ｓｇ ｓｅ ｅ ｔ ｃ ｃｒ ｕｉ ｗｉｈ ２Ｓ ５ ｍｏ ｕ ｅ ｓｒ ｃｕ ｅ ａ ｒｎ ｉ ｅ ｉｎ ｌ ｃｒ ｉｃ ｔ ｔ Ｄ３１ Ａ ｄ ｌ ， ｔｕ ｔｒ ｎｄ ｐ ｉ－ ｉ ｃｐｌ ｒ ｎｔｏ ｕｃ ｄ， ｍ ｅｈ ｄ ｏ ｅ ｉ ｎ ａ ｄ ｄ ｔｉ ａ ａ ｔｒ ｏ ｉ ｅａｅｉ ｒｄ ｅ ｔ ｏ ｆｄ ｓｇ ｎ ｅａｌｐ ｒ ｍｅ ｅ ｓｃ ｍｐｕ ａｉｎ ｒ ｅ ｃ ｉ ｄ ａｓ ． Ｉ ｈｅ ｅ ｄ， ｂ ｏ ｉ ｅ ｏ ｒｔｏ ｔ ｔｏ ａｅ ｄ ｓ ｒｂｅ ｌｏ ｎ ｔ ｎ ｙ ｌｎｇ ｔ ｐｅ ａｉｎ， ｔｅ ｍ ｈ ｃ ｒｕｉ ｉ ｏ ｅ ｏ ｂ ａ ｉｆｅ ｈ ｐ ｉａ ｉｎ ｒｑｕ ｓ． ｉｃ ｔ ｓｐｒｖ ｎ ｔ ｅ ｓ ｔｓ ｓ ｔｅ ａ ｐｌｃ ｔｏ ｅ ｅ ｔ ｉ Ｋｅ ｙｗｏ ｄｓ ｃ ｃ ｄ ｏ ｒｃ ｌ ｄ ｉｅ ｄｕｅ ｐｒｔｃ ｆｓ ｒ ｉｃ ｔａ ｖ ｒｃ ｒｅ ｄ ａｄ ｔｍｅ ｒ ： ａｓａ ｅｄ ｐ ｗｅ ｅｌ ｒｖ ｒｍｏ ｌ ｏｅ ｔｏ ｈｏ ｃｒ ｕｉ ｎｄ ｏ ｅ ｕ ｒｎｔ ｔ ｅ ｉ
IGBT的驱动电路原理与保护技术
IGBT的驱动电路原理与保护技术IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种用于高压高功率开关电路的半导体器件，结合了MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）的输入特性和BJT（Bipolar Junction Transistor）的输出特性。
IGBT的驱动电路原理与保护技术对于确保IGBT的正常工作和延长其寿命非常重要。
1.基本原理：驱动电路的主要目的是将控制信号转换成足够的电压和电流来控制IGBT的开关动作。
基本的驱动电路一般由一个发生器、一个驱动电流放大器以及一个隔离电压放大器组成。
2.发生器：发生器产生控制信号，控制IGBT的开关状态。
信号可以是脉冲信号，由微控制器或其他逻辑电路产生。
3.驱动电流放大器：驱动电流放大器用于放大脉冲信号，以提供足够的电流来控制IGBT。
其输出电流通常在几十毫安到几安之间。
4.隔离电压放大器：IGBT通常需要电隔离，以防止高电压干扰信号影响其正常工作。
隔离电压放大器用于将驱动信号从控制信号隔离，并提供相应的电压放大。
1.过流保护：IGBT的工作电流超过额定值时，可能会导致损坏。
因此，电路中应包含过流保护电路，可以通过电流传感器来监测电流，并在超过设定值时立即切断电源。
2.过温保护：IGBT在超过一定温度时可能会发生热失控，导致器件损坏。
因此，必须安装温度传感器来监测器件的温度，并在超过设定值时采取适当的措施，如降低输入信号或切断电源。
3.过压保护：当IGBT的工作电压超过额定值时，可能会引起击穿，导致器件损坏。
因此，在电路中需要安装过压保护电路，以确保电压不会超过允许的范围。
4.反馈电路：为了确保IGBT的正常工作，需要实时监测其输出电流和电压。
因此，反馈电路可以用来调整控制信号，以保持IGBT在安全范围内工作。
总之，IGBT的驱动电路原理和保护技术是确保IGBT正常工作和延长其寿命的关键。
IGBT的驱动电路原理与保护技术
IGBT的驱动电路原理与保护技术IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种功率MOSFET和普通异质结型二极管的复合封装元件，具有高电压承受能力和高输入阈值电压等特点。
IGBT广泛应用于电力电子领域，如变频器、电力传动系统和电力转换等方面。
为了确保IGBT能正常工作，需要设计合理的驱动电路和保护技术。
IGBT驱动电路的原理是将控制信号加在IGBT的栅极上，控制IGBT的导通和关断。
该电路主要由驱动电源、反馈电路、隔离电路和增益电路组成。
驱动电源：将直流电源或交流电源转换为待驱动的IGBT所需的驱动电压和电流。
常用的驱动电源有三相桥式整流电路和离线开关电源。
其中，三相桥式整流电路通过整流变压器将交流电源转换为直流电源，经由滤波电容后供给驱动电路；离线开关电源利用开关电源电路将交流电源转换为恒定的直流电源，再供给驱动电路。
反馈电路：用于检测IGBT的开关状态以及输出电流等参数信息。
常用的反馈电路有隔离放大器和反馈变压器。
隔离放大器通过光电转换和电隔离将输入信号转换为输出信号，并保证输入与输出之间的电气隔离，以确保安全性和稳定性。
反馈变压器是通过变压器将输出信号与输入信号进行隔离和耦合，达到反馈的目的。
隔离电路：用于隔离驱动电源和IGBT的主回路。
通过隔离电路可以避免驱动电源与主回路之间的相互影响，提高系统的稳定性和安全性。
常用的隔离电路有光耦隔离和磁耦隔离。
光耦隔离通过光电转换将输入信号转换为光信号，再由光耦合输出为等效电流信号，实现了输入与输出之间的电气隔离。
磁耦隔离通过变压器的电磁感应将输入信号耦合到输出端，实现输入与输出之间的电气隔离。
增益电路：用于提升输入信号的电平和电流，以满足IGBT的工作要求。
增益电路可以选择共射极放大器、共基极放大器或共集极放大器等。
对于IGBT来说，常用的增益电路是共射极放大器。
增益电路的设计需要考虑输入输出阻抗的匹配、功率损耗和响应速度等因素。
大功率IGBT的有源门极驱动技术的研究
Email：mean.lee@
摘 要 回顾了用于抑制关断过电压尖峰的大功率 IGBT 有源门极控制技术，对动态电压上升控制技术进行了详细研 究，在 SABER 仿真环境下分析了参数影响。提出一种具有一般性的有源门极控制技术品质因数的评价方法，使用所提出的 品质因数评价方法不仅说明了动态电压上升控制技术的优越性，而且对动态电压上升控制技术的电路参数进行了选择。最后 通过正常工作条件下的实验验证了分析结果，并且在短路工作条件下证明了动态电压上升控制技术的有效性。
本文首先介绍了 DVRC 的工作原理；其次引入 有源门极控制技术品质因数（FOM）的概念将 DVRC 与另一种易于实用的有源门极控制方法以及使用大 阻值驱动电阻的方法进行比较；再次通过基于 IGBT3 的物理模型的 SABER 仿真对 DVRC 中的器 件参数对过电压尖峰抑制效果的影响进行了分析； 之后介绍了 IGBT 的短路特性；最后通过实验，对 DVRC 在正常工作条件下和短路故障条件下的性能 进行了考核，验证了这种方法广泛的有效性。 2. 动态电压上升控制技术
t0-t1
RG
delay
t1-t2
RG
dVCE/dt
t2-t3
RG, dVCE/dt dVCE/dt
t3-t4
RG,Lσ, dVCE/dt
dVCE/dt, diC/dt
t4-t5
V CE
V CE
FO= M
A − A0 A100 − A0
×100 × a1
(3)
+
B − B0 B100 − B0
×100 × a2
D1
C1
T2 R5
+16V
R3
IGBT驱动电路原理及保护电路
IGBT驱动电路原理及保护电路IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）驱动电路是一种用于驱动IGBT的电路，主要用于控制和保护IGBT。
IGBT是一种高性能功率半导体器件，广泛应用于各种功率电子设备中。
驱动信号发生器产生一个驱动信号，通常是一个脉冲信号，用于控制IGBT的开关状态。
信号放大器将驱动信号放大到足够的电压和电流，以满足IGBT的驱动要求。
保护电路用于监测IGBT的工作状态，并在故障发生时提供保护措施。
电源则为整个驱动电路提供所需的电能。
IGBT驱动电路的保护功能非常重要。
保护电路通常包括过流保护、过温保护、过压保护和短路保护等功能。
过流保护通过监测IGBT的输出电流来避免过大的电流损坏IGBT。
过温保护通过监测IGBT的温度来避免过热导致的损坏。
过压保护通过监测输入电压来避免过大的电压损坏IGBT。
短路保护通过监测IGBT的输出电压和电流来避免短路导致的损坏。
IGBT驱动电路还可以包括其他功能，如电流限制、反馈控制、隔离等。
电流限制功能可以限制IGBT的输出电流，以满足设备的需要。
反馈控制功能可以通过监测输出信号，并将反馈信号送回到驱动信号发生器中，实现对IGBT的精确控制。
隔离功能可以通过光耦等器件实现驱动信号和IGBT之间的电气隔离，提高系统的安全性和可靠性。
总之，IGBT驱动电路是用于驱动和保护IGBT的电路，通过控制IGBT的输入电流和电压来实现对其的开关操作。
保护电路是其重要组成部分，可以提供对IGBT的过流、过温、过压和短路等故障的保护。
IGBT驱动电路还可以包括其他功能，如电流限制、反馈控制和隔离等。
这些功能和保护措施都有助于提高IGBT的性能和可靠性，保护其免受损坏。
IGBT驱动保护电路的详细的设计与如何测试
IGBT驱动保护电路的详细的设计与如何测试该文章讲述了IGBT驱动保护电路的详细的设计与如何测试应用1 引言（欢迎来电咨询网址：变频器维修|电话：）IGBT集功率MOSFET和双极型功率晶体管的优点于一体，具有电压控制、输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快且通态压降低，易高压大电流等特点。
在IGBT的应用中，驱动和保护一直都是研究的关键技术，特别是过流保护方面。
IGBT 器件本身以及它在电路中运行条件的特点，决定了其过流保护和其他开关器件相比有很大的差别。
IGBT的过流保护电路直接关系到整个系统的工作性能和运行安全。
2 IGBT驱动电路IGBT的开关特性由图1所示IGBT的等效电路和器件的内部结构可知，IGBT的开关控制是通过和MOSFET类似的栅极结构来完成的，因此IGBT和MOSFET的开关过程大致相似。
图2为IGBT硬开关时VGE、ICE和VCE的波型。
开通时，当VGE达到开通门限后，到t2时间，ICE达到最大值，VCE下降过程中，由于和MOSFET一样的密勒电容CGC的作用，栅极电压基本恒定，延缓了IGBT的开通过程，当VCE下降结束，ICE达到稳态值，CGC 作用消失，VGE以较快的上升率达到最大值。
为了降低此效应，应该使栅极驱动源的内阻足够小，增加流经CGC的电流，加快开通速度。
关断时，同样由于密勒电容的效应，当VCE上升的过程中，VGE有一段近似恒定的时间，影响关断的过程。
另外，由于IGBT是双极性器件，在关断过程中有一个少子复合过程，造成关断时的拖尾电流，这是IGBT和MOSFET开关最大的不同点，如图2所示，这也是影响IGBT工作频率的最主要原因。
IGBT驱动电路的要求开通正栅压（欢迎来电咨询网址：变频器维修：）IGBT静态特性曲线所示，IGBT正栅压VGE越大，导通电阻越低，损耗越小。
但是，如果VGE过大，一但IGBT过流，会造成内部寄生晶闸管的静态擎柱效应，造成IGBT失效。
IGBT模块：技术、驱动和应用课件：基本电路与应用实例
DC-AC逆变器
相对于两电平逆变器，三电平逆变器有许多优点 损耗降低 输出滤波器更小 输出电压或电流的失真度降低 电磁兼容（EMC）性能得到提升 系统成本降低
IGBT Modules– Technologies, Driver and Application
DC-AC逆变器
三电平模块/三电平桥臂
IGBT Modules– Technologies, Driver and Application
简介
换流：在变换器的运行期间（通常）电流周期性的从一个
半导体开关换流到另一个半导体开关。这个过程被称为电 流换流或换流。
外部换流 内部换流
IGBT Modules– Technologies, Driver and Application
主动前端：IGBT 辅助主动开关
AC-DC整流器和制动斩波器
启动时：每个辅助开关分别与相对应的开关VT1、VT3和VT5共 发射极串联连接，通过PWM控制给直流母线充电，这样就可以限制 电力半导体器件的电流。
正常工作：辅助开关开通（引入额外通态损耗，提高驱动电压）
IGBT Modules– Technologies, Driver and Application
制动斩波器 消耗再生制动能量
IGBT Modules– Technologies, Driver and Application
AC-DC整流器和制动斩波器
主动前端：SCR
不需要制动电阻 再生的能量反馈到电网
需要有源逆变单元 机构和控制复杂 存在换流失败的可能
IGBT Modules– Technologies, Driver and Application
U out
中高压电力电子变换中的功率单元及功率器件的级联关键技术研究
中高压电力电子变换中的功率单元及功率器件的级联关键技术研究一、本文概述随着能源结构的转型和电力电子技术的飞速发展，中高压电力电子变换技术在电力系统、新能源发电、工业电机驱动等领域的应用日益广泛。
在这一背景下，功率单元和功率器件的级联关键技术成为了研究热点。
本文旨在探讨中高压电力电子变换中的功率单元及功率器件的级联关键技术，分析其研究现状、发展趋势以及面临的挑战，以期为相关领域的技术研发和应用提供参考。
本文将对中高压电力电子变换的基本概念、技术原理以及应用场景进行简要介绍，为后续研究奠定基础。
接着，重点分析功率单元和功率器件的级联关键技术，包括级联拓扑结构、均流控制策略、热管理和电磁兼容等方面的研究现状。
在此基础上，探讨级联技术在提高变换器容量、效率以及可靠性等方面的优势与局限性。
本文还将关注级联技术在应用中面临的挑战，如高电压大电流下的电磁兼容问题、热管理难题以及成本效益等。
针对这些问题，提出一些可能的解决方案和研究方向，以期推动级联技术的进一步发展。
本文将对中高压电力电子变换中功率单元及功率器件的级联关键技术进行总结，并展望未来的发展趋势和应用前景。
通过本文的研究，希望能为相关领域的技术人员和研究人员提供有益的参考和启示。
二、功率单元级联技术在中高压电力电子变换中，功率单元的级联是实现高电压、大功率输出的关键手段。
级联技术通过将多个低电压、小功率的功率单元在电气上串联或并联，从而构建出高电压、大功率的变换器系统。
这种技术不仅提高了系统的电压和功率等级，还有助于提高系统的可靠性和灵活性。
在功率单元级联过程中，需要解决的关键技术包括单元之间的均压与均流控制、热设计与管理、电磁兼容与干扰抑制等。
均压与均流控制是确保级联系统稳定运行的基础，通过合理的控制策略，使各功率单元在工作过程中保持电压和电流的均衡，避免出现过电压或过电流导致的损坏。
热设计与管理则关注于系统在工作过程中产生的热量，通过有效的散热结构和温度监控，确保功率单元在允许的温度范围内工作，防止热失效。
详解三种IGBT驱动电路和保护方法
详解三种IGBT驱动电路和保护⽅法本⽂着重介绍三个IGBT驱动电路。
驱动电路的作⽤是将单⽚机输出的脉冲进⾏功率放⼤，以驱动IGBT，保证IGBT的可靠⼯作，驱动电路起着⾄关重要的作⽤，对IGBT驱动电路的基本要求如下：(1) 提供适当的正向和反向输出电压，使IGBT可靠的开通和关断。
(2) 提供⾜够⼤的瞬态功率或瞬时电流，使IGBT能迅速建⽴栅控电场⽽导通。
(3) 尽可能⼩的输⼊输出延迟时间，以提⾼⼯作效率。
(4) ⾜够⾼的输⼊输出电⽓隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘。
(5) 具有灵敏的过流保护能⼒。
驱动电路EXB841/840EXB841⼯作原理如图1，当EXB841的14脚和15脚有10mA的电流流过1us以后IGBT正常开通，VCE下降⾄3V左右，6脚电压被钳制在8V左右，由于VS1稳压值是13V，所以不会被击穿，V3不导通，E点的电位约为20V，⼆极管VD截⽌，不影响V4和V5正常⼯作。
当14脚和15脚⽆电流流过，则V1和V2导通，V2的导通使V4截⽌、V5导通，IGBT栅极电荷通过V5迅速放电，引脚3电位下降⾄0V,是 IGBT栅⼀射间承受5V左右的负偏压，IGBT可靠关断，同时VCE的迅速上升使引脚6“悬空”。
C2的放电使得B点电位为0V，则V S1仍然不导通，后续电路不动作，IGBT正常关断。
如有过流发⽣，IGBT的V CE过⼤使得VD2截⽌，使得VS1击穿，V3导通，C4通过R7放电，D 点电位下降，从⽽使IGBT的栅⼀射间的电压UGE降低 ,完成慢关断，实现对IGBT的保护。
由EXB841实现过流保护的过程可知，EXB841判定过电流的主要依据是6脚的电压，6脚的电压不仅与VCE 有关，还和⼆极管VD2的导通电压Vd有关。
典型接线⽅法如图2，使⽤时注意如下⼏点：a、IGBT栅-射极驱动回路往返接线不能太长(⼀般应该⼩于1m)，并且应该采⽤双绞线接法，防⽌⼲扰。
b、由于IGBT集电极产⽣较⼤的电压尖脉冲，增加IGBT栅极串联电阻RG有利于其安全⼯作。
(国内标准)IGBT驱动保护及典型应用
（国内标准）IGBT驱动保护及典型应用IGBT驱动保护及典型应用Sy摘要IGBT（绝缘栅双极晶体管）是壹种复合了功率场效应管和电力晶体管的优点而产生的壹种新型复合器件,它同时具有MOSFET的高速开关及电压驱动特性和双极晶体管的低饱和电压特性，易实现较大电流的能力，既具有输入阻抗高、工作速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又具有通态电压低、耐压高和承受电流大的优点。
近年来IGBT成为电力电子领域中尤为瞩目的电力电子器件，且得到越来越广泛的应用。
本文主要介绍了IGBT的基本结构、工作原理、驱动电路，同时简要概括了IGBT模块的选择方法和保护措施等，最后对IGBT的实际典型应用进行了分析介绍，通过对IGBT 的学习，来探讨IGBT于当代电力电子领域的广泛应用和发展前景。
关键词：IGBT；绝缘栅双极晶体管；驱动电路；保护电路；变频器；电力电子器件目录引言11、IGBT的基本结构12、IGBT的工作原理32.1 IGBT的工作特性33、IGBT的驱动53.1驱动电路设计要求53.2 几种常用IGBT的驱动电路64、IGBT驱动保护74.1 驱动保护电路的原则74.2 IGBT栅极的保护84.3 IGBT的过电流保护94.3.1 驱动过流保护电路的驱动过流保护原则94.3.2 IGBT过流保护电路设计94.3.3具有过流保护功能的IGBT驱动电路的研究114.5 IGBT的过热保护154.6 IGBT驱动保护设计总结155.IGBT专用集成驱动模块M57962AL介绍16结论20参考文献21引言随着国民经济各领域和国防工业对于电能变换和处理的要求不断提高，以及要满足节能和新能源开发的需求，作为电能变换装置核心部件的功率半导体器件也起着越来越重要的作用。
IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管）自1982年由GE公司和RCA公司宣布以来，引起世界许多半导体厂家和研究者的重视，伴随而来的是IGBT的技术高速发展，其应用领域不断扩展它不仅于工业应用中取代了MOSFET和GTR（GiantTransistor，巨型晶体管），甚至已扩展到SCR（Silicon ControlledRectifier，可控硅整流器）和GTO（GateTurn-OffThyristor，门控晶闸管）占优势的大功率应用领域，仍于消费类电子应用中取代了BJT和MOSFET 功率器件的许多应用领域IGBT额定电压和额定电流所覆盖的输出容量已达到6MVA，商品化IGBT模块的最大额定电流已达到3.6kA，最高阻断电压为6.5kV，且已成功应用于许多中、高压电力电子系统中。
IGBT的驱动电路及保护电路
IGBT是绝缘栅极双极型晶体管。
它是一种新型的功率开关器件，电压控制器件,具有输入阻抗高、速度快、热稳定性强、耐压高方面的优点，因此在现实电力电子装置中得到了广泛的应用。
在我们的设计中使用的是西门子公司生产的BSM50GB120，它的正常工作电流是50A，电压为1200V，根据具体的情况需要，还可以选取其它型号的IGBT。
对于IGBT的驱动电路模块，市场上也有卖的，其中典型的是EXB840、2SD315A、IR2130等等。
但是在家用电器中，考虑到驱动保护特性，以及成本方面的因数，设计出了一种简单实用的驱动保护电路。
通过电磁振荡产生的强大磁场，然后作用在锅具(磁性的)上形成涡流，实现加热功能的。
使用这种方案的器具，凭借其卫生、使用方便可靠，尤其是节能方面优点更显著，热效率一般能够达到90%多，所以在人们的日常生活中得到了广泛的应用。
目前，这种电磁振荡方案以其结构简单清晰、可靠性高、成本低的特点，在实际中已经得到了广泛的应用。
而且这种IGBT驱动保护电路和电磁振荡方案可以在家用电器中的电磁炉、电磁电饭锅、电磁热水壶、电磁热水器等。
IGBT的驱动保护电路IGBT的驱动电路根据不同的功能要求，可以选取不同的驱动电路，在有些重要的大电流或者是昂贵的电子设备中，我们可以选取专门的IGBT驱动及保护芯片，可靠性很高，但是在一些低成本，如家用电器中，这些驱动模块就不太实用了。
如图1所示，其中包括了IGBT的具体驱动电路，满足了IGBT的驱动要求，采用的是单电源15V供电的方式，IGBT的栅极电压可以为15V和0V，可以保证IGBT的正常导通与关断，电路简单，实用于低成本的家用电器控制器中。
图 1 IGBT驱动保护电路其中A点为IGBT的控制输入信号。
当输入高电平的时候，Q4导通，则B点为高电平，从而驱动Q1导通，Q2截止，使得D点电压为+15V，然后通过电阻R2驱动IGBT，此时D4相当于开路，R2为断开的。
IGBT驱动与保护电路的应用研究
IGBT驱动与保护电路的应用研究绝缘门极双极型晶体管(Isolated Gate Bipolar Transistor,简称IGBT),也称绝缘门极晶体管。
由于IGBT内具有寄生晶闸管,所以也可称作绝缘门极晶闸管,它是上世纪80年代中期发展起来的一种新型复合器件。
由于它将MOSFET和GTR的优点集于一身,既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点,又有通态电压低、耐压高的优点,因此技术发展很快,倍受厂商和用户欢迎。
在电机驱动、中频和开关电源以及要求快速、低损耗的领域,IGBT有取代MOSFET和GTR 的趋势。
但在IGBT实际应用中,要重点考虑的一个问题是IGBT的保护问题,在此自行设计了一种简单又适用的保护电路,并取得了很好的效果。
1IGBT栅极驱动电压UgeIGBT的驱动条件与IGBT的特性密切相关。
在设计栅极驱动电路时,当栅极驱动电压大于阈值电压时IGBT即可开通,一般情况下阈值电压Uge(th)=5～6V。
这样即可以使IGBT在开通时完全饱和,通态损耗最小,又可以限制短路电流。
因此栅极驱动电压Uge需要选择一个合适的数值,以保证IGBT的可靠运行。
栅极电压增高时,有利于减小IGBT的开通损耗和导通损耗,但同时将使IGBT能承受的短路时间变短(10μs以下),使续流二极管反向恢复过电压增大,所以务必控制好栅极电压的变化范围,一般Uge可选择在-10～+15V之间,关断电压为-10V,开通电压为+15V。
因此通常选取栅极驱动电压Uge≥D×Uge(th),系数D=1.5、2、2.5、3。
当阈值电压Uge(th)为6V时,栅极驱动电压Uge则分别为9V、12V、15V、18V,12V最佳。
使IGBT在关断时,栅极加负偏压,以提高抗负载短路能力和du/dt引起的误触发等问题。
2IGBT栅极电阻Rg选择适当的栅极串联电阻Rg对IGBT驱动相当重要。
当Rg增加时,将使IGBT 的开通与关断时间增加,使开通与关断能耗均增加,但同时,可以使续流二极管的反向恢复过电压减小,同时减少EMI的影响。
IGBT驱动原理.pdf
IGBT驱动原理目录一、简介二、工作原理三、技术现状四、测试方法五、选取方法简介：绝缘栅双极晶体管 IGBT 是第三代电力电子器件，安全工作，它集功率晶体管 GTR 和功率场效应管MOSFET 的优点于一身，具有易于驱动、峰值电流容量大、自关断、开关频率高(10-40 kHz) 的特点，是目前发展最为迅速的新一代电力电子器件。
广泛应用于小体积、高效率的变频电源、电机调速、 UPS 及逆变焊机当中。
IGBT 的驱动和保护是其应用中的关键技术。
1 IGBT 门极驱动要求1.1 栅极驱动电压因 IGBT 栅极 - 发射极阻抗大，故可使用 MOSFET 驱动技术进行驱动，但 IGBT 的输入电容较 MOSFET 大，所以 IGBT 的驱动偏压应比 MOSFET 驱动所需偏压强。
图 1 是一个典型的例子。
在+20 ℃情况下，实测 60 A ， 1200 V 以下的 IGBT 开通电压阀值为 5 ～6 V ，在实际使用时，为获得最小导通压降，应选取Ugc ≥ (1.5 ～ 3)Uge(th) ，当 Uge 增加时，导通时集射电压 Uce 将减小，开通损耗随之减小，但在负载短路过程中 Uge 增加，集电极电流 Ic 也将随之增加，使得 IGBT 能承受短路损坏的脉宽变窄，因此 Ugc 的选择不应太大，这足以使 IGBT 完全饱和，同时也限制了短路电流及其所带来的应力 ( 在具有短路工作过程的设备中，如在电机中使用 IGBT 时， +Uge 在满足要求的情况下尽量选取最小值，以提高其耐短路能力 ) 。
1.2 对电源的要求对于全桥或半桥电路来说，上下管的驱动电源要相互隔离，由于 IGBT 是电压控制器件，所需要的驱动功率很小，主要是对其内部几百至几千皮法的输入电容的充放电，要求能提供较大的瞬时电流，要使 IGBT 迅速关断，应尽量减小电源的内阻，并且为防止 IGBT 关断时产生的 du/dt 误使 IGBT 导通，应加上一个 -5 V 的关栅电压，以确保其完全可靠的关断( 过大的反向电压会造成 IGBT 栅射反向击穿，一般为 -2 ～ 10 V 之间 ) 。
IGBT模块驱动及保护技术
IGBT模块驱动及保护技术IGBT模块驱动及保护技术1. 引言IGBT 是MOSFET 和双极晶体管的复合器件。
它既有MOSFET 易驱动的特点，又具有功率晶体管高电压、电流大等优点。
其特性发挥出MOSFET 和功率晶体管各自的优点，正常情况下可工作于几十kHz 的频率范围内，故在较高频率应用范围中，其中中、大功率应用占据了主导地位。
IGBT 是电压控制型器件，在它的栅极发射极之间施加十几V的直流电压，只有μA级的电流流过，基本上不消耗功率。
但IGBT 的栅极发射极之间存在较大的寄生电容（几千至上万pF），在驱动脉冲的上升和下降沿需要提供数A级的充放电电流，才能满足开通和关断的动态要求，这使得它的驱动电路也必须输出一定的峰值电流。
IGBT 作为一种大功率的复合器件，存在着过流时可能发生闭锁现象而造成损坏的问题。
在过流时如采取一定的速度封锁栅极电压，过高的电流变化会引起过电压，需要采用软关断技术，因此掌握好IGBT 的驱动和保护特性对于设计人员来说是十分必要的。
2． IGBT的栅极特性IGBT 的栅极通过氧化膜和发射极实现电隔离。
由于氧化膜很薄，其击穿电压一般只能达到20 到30V，因此栅极击穿是IGBT 最常见的失效原因之一。
在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过最大额定栅极电压，但栅极连线的寄生电感和栅极-集电极之间的电容耦合，也会产生使氧化膜损坏的振荡电压。
为此，通常采用绞线来传送驱动信号，以减小寄生电感。
在栅极连线中串联小电阻可以抑制振动电压。
由于IGBT 的栅极-发射极之间和栅极-集电极之间存在着分布电容，以及发射极驱动电路中存在着分布电感，这些分布参数的影响，使IGBT 的实际驱动波形与理想驱动波形不完全相同，并且产生了不利于IGBT开通和关断的因素。
如图1所示。
在t0时刻，栅极驱动电压开始上升，此时影响栅极电压上升斜率的主要因素只有Rg和Cge，栅极电压上升较快。
在t1时刻达到IGBT 的栅极门槛值，集电极电流开始上升。
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级联功率单元IG B T 的驱动与保护研究刘敏层(西安建筑科技大学信控学院,陕西西安710055) 摘要:IG B T 驱动保护方式直接关系到IG B T 寿命、输出波形畸变率、甚至包括系统可靠性与稳定性。
目的在于研究功率单元IG B T 的驱动与保护,为此首先分析了各种驱动方案的优缺点,然后确定了IG B T 驱动保护方案,接着根据IG B T 工作特点,选用2SD315A 作为驱动保护元件进行设计,最后将此方法应用到实践中,经过长时间运行验证,该电路可以满足使用要求。
关键词:级联功率单元;驱动模块;短路与过流保护;死区时间中图分类号:TN322+.8 文献标识码:AR esearch of Driver and Protect of C ascaded Pow er Cell ′s IGBTL IU Min 2ceng(I nf ormation and Cont rol Engineering S chool ,X i ′an Universit y of A rchitecture and Technology ,X i ′an 710055,S haanx i ,China )Abstract :IG B T method of drive and protection directly influence not only its life span and T H D of output voltage ,but also its system reliability and stability.The intention of this paper is to study driver and protec 2tion of power unit.Firstly each modulation control method were analyzed ,scheme of IG B T driver and protec 2tion was decided ;then depend on IG B T characteristic ,a electric circuit of driver and protection was designed with 2SD315A ;in the end ,the circuit development is discussed.By long time operation ,the circuit is proved to be satisfied with the application request.K ey w ords :cascaseded power cell ;driver module ;protect of short circuit and overcurrent ;dead time 作者简介:刘敏层(1966-),女,硕士,工程师,Email :xjdlmc @1 引言级联功率单元(以下称为功率单元)是级联高压变频器的重要组成单元,其电子开关普遍选用IG B T 。
合理设计IG B T 驱动电路不但可以降低系统的损耗,而且也可以提高其可靠性。
尽管IG B T 是一个双极型电压控制的全控型电力电子开关,具有输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快和工作频率高等优点,但是,它的开通与关断却与电路条件和开关环境关系非常密切,驱动和保护电路一直是功率单元设计的难点和重点。
目前,虽然市场上驱动保护模块种类繁多,如国内常用的日本富士公司生产的EXB8系列,三菱电机公司生产的M579系列,美国IR 公司生产的IR21系列,惠普生产的HCL P 2316J ,由于这些模块在不同程度上存在驱动能力的限制,都不能很好地满足功率单元IG 2B T 的驱动与保护要求,经研究分析CONCEP T公司生产的Scale 等驱动模块,适合在H 桥驱动电路中应用。
2 功率单元调制方式功率单元的主电路结构如图1所示,主要由3部分组成:整流、滤波、逆变H 桥。
其中,逆变H 桥开关元件选用IG B T 。
每个单元有4种不同的开关组合,即V a +和V b -同时导通,则输出正的直流母线电压+U ;V b +和V a -同时导通,则输出负的直流母线电压-U ;V a +和V b +同时导通或V a -和V b -同时导通,输出电压为0V 。
H 桥功率单元的载波移相控制是在SPWM 控制理论上发展而来的,功率单元工作原理则是隔离的580V 三相交流电经功率单元的三相桥式电路整流后,由滤波电容形成平直的直流电,再经单极性PWM 调制控制,由H 型单相逆变桥,输出电压在0～580V 间,基频在0～50Hz/60Hz 间可调的SPWM 波。
92EL ECTRIC DRIV E 2008 Vol.38 No.3电气传动 2008年 第38卷 第3期图1 功率单元主电路图Fig.1 The major circuit diagram of power cell 对H 桥4个功率单元通断控制可以采用4种PWM 信号:1)V a +和V b -同时通断,V a -和V b +同时通断。
当正弦波大于三角波输出高电平,V a +和V b -导通,V a -和V b +截止,反之,V a -和V b +导通,V a +和V b -截止,此类方法简单,但只能输出2电平信号,谐波成分多,实际中不用。
2)4个IG B T 都采用SPWM 。
V a +与V a -为一组,控制PWM 由正相调制波与载波比较产生;V b +与V b -为一组,则由负相调制波与载波相比较产生。
该方法谐波成分较少,但开关次数略多。
3)V a +和V a -全采用SPWM ,V b +和V b -采用阶梯波。
当正弦波为正时SPWM 驱动V a +,取反后驱动V a -,V b -一直导通,V b +一直截止,当正弦波为负值时,PWM 驱动V a -,取反后驱动V a +,V b +一直导通,V b -一直截止,此类方法可以输出3电平,多个装置级联可以输出2N +1个电平,波形好脉动小,谐波成分与方法2)相同,但总的开关次数少,损耗低。
4)V a +和V b +采用SPWM ,V a -和V b -分时采用SPWM 和阶梯波。
当正弦波为正半周时,SPWM 驱动V a +导通,反向SPWM 驱动V a -,阶梯波驱动V b +一直导通,V b +截止,当正弦波为负半周时,SPWM 驱动V b +,反向SPWM 驱动V b -,阶梯波驱动V a -一直导通,V a +一直截止。
该电路输出的电平数量、波形、IG B T 总的开关次数、谐波成分、损耗都与方法3)相同,但IG B T 平均开关次数更加均衡,可以延长IG B T 寿命。
本次开发功率单元选用该方法。
3 IG B T 的驱动电路要求IG B T 有3个工作区,线性放大区、饱和区和截止区,但一般工作在饱和导通和截止2个状态。
在设计IG B T 驱动时必须注意以下几点。
1)栅极正向驱动电压的大小将对电路性能产生重要影响。
当正向驱动电压增大时,IG B T 的导通电阻下降,开通损耗减小;但若正向驱动电压过大则负载短路时其短路电流随U GE 增大而增大,可能使IG B T 出现擎住效应,导致门控失效,从而造成IG B T 的损坏;若正向驱动电压过小,则会使IG B T 退出饱和导通区而进入线性放大区域,造成IG B T 过热损坏;使用中选12V ≤U g ≤18V 为好。
栅极负偏置电压可防止由于关断时浪涌电流过大而使IG B T 误导通,一般负偏置电压选-5V 为宜。
另外,IG B T 开通后驱动电路还应提供足够的电压和电流幅值,使IG B T 在正常工作及过载情况下不致退出饱和导通区而损坏。
2)IG B T 快速开通和关断有利于提高工作频率,减小开关损耗,但在大电感负载下IG B T 的开关频率不宜过大,因为高速开通和关断时,会产生很高的尖峰电压,极有可能造成IG B T 或其他元器件被击穿。
目前国内尚无标准可循,参考美国标准N EMA M G1-1993《电动机和发电机》第30节有关规定d u /d t 的限制条件为输出相电压从10%峰值升到90%峰值时间不得小于1μs ,对2.3kV 传动系统d u /d t ≤1.50kV/μs ,对6kV 传动系统d u /d t ≤3.92kV/μs 。
3)选择合适的栅极串联电阻R g 和栅射电容对IG B T 的驱动相当重要。
R g 较小,栅射极之间的充放电时间常数比较小,会使开通瞬间电流较大,从而损坏IG B T ;R g 较大,有利于抑制d v /d t ,但会增加IG B T 的开关时间和开关损耗。
合适的栅射电容有利于抑制d i /d t ,栅射电容太大,开通时间延时,栅射电容太小对抑制d i /d t 效果不明显。
4)当IG B T 关断时,栅射电压很容易受IG B T 和电路寄生参数的干扰,使栅射电压引起器件误导通,为防止这种现象发生,可以在栅射间并接一个电阻。
此外,在实际应用中为防止栅极驱动电路出现高压尖峰,最好在栅射间并接2只反向串联的稳压二极管,其稳压值应与正负栅压相同。
5)一般情况下为了防止误导通,在关断情况下,还应该在栅极上加上反相电压,理想的驱动电路,应该使其开通上升沿和关断下降沿都比较陡峭,这样可以缩短开通或关断时间,降低开关损耗,延长开关寿命。
4 2SD315A 的内部电路结构2SD315A 的内部结构如图2所示,主要由33电气传动 2008年 第38卷 第3期刘敏层:级联功率单元IG B T 的驱动与保护研究个功能块组成即逻辑转换驱动接口LDI ,智能门极驱动器IGD ,DC/DC 隔离转换。
图2 2SD315A 内部结构图Fig.2 The internal structure figure of 2SD315A LDI 主要作用为:1)为用户信号输入提供一个接口,简单的电平匹配为5V 和15V ,每个输入信号都有一个施密特触发器;2)在半桥模式下,可以产生所需要的死区时间;3)把接收来的PWM 重新编码,分两路经隔离变压器输出;4)可以反馈输出IG B T 状态信号,以便在故障情况下,控制系统封锁输出的PWM 信号。
IGD 主要作用为:1)对隔离变压器输出的信号进行解码;2)放大PWM 信号,驱动IG B T ;3)检测IG B T 工作情况,发现短路或过流产生响应时间与封锁时间信号;4)向LDI 输出IG B T 状态信号。
DC/DC 隔离转换作用为由一路15V 电源产生两路相互隔离的15V 电源,分别供给IGD 上半部分与下半部分。