【3月2周】英飞凌 —— 一文弄懂IGBT驱动

qq_56995894 2022-03-13 22:13:26

【3月2周】英飞凌 —— 一文弄懂IGBT驱动

 

 

我们都知道,电机驱动是IGBT的主要应用领域之一。有的同学可能会有这样的困惑:

 

“IGBT本来就是驱动电机的,为什么它自己还需要一个驱动?IGBT驱动到底是做什么的?”

 

这个问题说来简单,就像《极简电力电子学》中所说:“IGBT本质上就是一个电子开关,就好比你家里墙上的开关,按一下,开关闭合,电灯亮起;再按一下,电灯熄灭。

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当然,操作IGBT,不再是手,而是电子脉冲。高电平来临时,器件开通;低电平来临时,器件就关断。手动操作开关,可能一秒钟一两次,而我们的电子开关,一秒钟可以开关上万次,几十万次。

 

那么这时候问题来了:控制IGBT电子脉冲从哪儿来?

 

有的同学要举手了:我知道我知道!控制脉冲可以从MCU来!

 

非常棒!你都会抢答了!

 

MCU就像我们的大脑,它控制我们身体的一举一动。但它发出的神经元信号非常微弱,根本无法按动开关。所以大脑需要把这个信号传送给手,由手部肌肉运动来产生一定的力量,摁下开关。IGBT的驱动就是控制IGBT的、灵巧又有力量的“手”。

 

那么,信号从MCU到IGBT驱动芯片,中间都经历了什么?

 

MCU的输出电流是mA级别,而IGBT需要的驱动电流可能达到几安培。IGBT驱动要完成的首要任务,就是作为一个放大器,放大电流。

 

首先 MCU的输出电流是mA级别,而IGBT需要的驱动电流可能达到几安培。IGBT驱动要完成的首要任务,就是作为一个放大器,放大电流。

 

其次 MCU输出电平一般是3.3V,而IGBT一般的驱动电压要达到15V。IGBT驱动需要把3.3V信号转成15V信号。而且这个15V,不是一般的15V。IGBT一般工作在桥式电路中。桥式电路会承受母线电压。当电路不开关时,桥式电路的中点会承受一半的母线电压;在上管开通时,中点电位与母线电压相同。

这时上管IGBT驱动的工作,就是要在几百伏或上千伏的母线电压基础之上,再生成一个15V的电压信号来。好比说MCU提供了一棵长在地上的小树苗,IGBT驱动的工作不光是要把小树苗变成大树,还要把它移植到高山上去。听起来是不是很厉害!

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最后 MCU 在低压侧,其供电电压一般为5V。IGBT在高压侧,母线电压可达几千伏。因为低压侧会有人机接口,所以绝对不能让高压侧高电压流窜到低压侧,给人体造成伤害!有的时候,IGBT驱动需要有一定的电气隔离能力,作为低压侧和高压侧之间的屏障,防止副边高压对原边操作的人体造成伤害。如果IGBT驱动不具有绝缘能力的话,绝缘屏障就要加在MCU与人机接口之间。

 

能完成以上功能的驱动,我们称之为紧凑型驱动。比如英飞凌1ED  X3 compact系列:

 

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在有些应用场景下,驱动要提供丰富的保护功能。首先,驱动器要长出一双“眼睛”(故障检测),观察“电灯”(负载)或者“开关”(IGBT)运行是否正常。如果负载有异常,故障检测立刻发送信号给“大脑”MCU,MCU发指令给IGBT驱动,IGBT驱动关闭功率器件,避免炸机。我们把具有保护功能的IGBT驱动IC称为增强型驱动。IGBT驱动的保护功能包括欠压关断、短路保护、过压保护、过温保护、米勒钳位、软关断等。

 

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这一类驱动,我们称之为增强型驱动芯片,代表产品有唯样商城代理品牌英飞凌1ED34x1MC12M:

 

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英飞凌提供完整的功率器件+驱动芯片解决方案。唯样商城代理品牌英飞凌驱动芯片技术有两类:非隔离型和隔离型。非隔离型的驱动,使用的是level-shift电平转移技术,顾名思义,它能把平地上的“小树苗”移植到高山上去,但不具有绝缘能力。其中,SOI是一种特别的level-shift技术,它在绝缘的二氧化硅层上制作晶体管,杜绝了漏电流的产生,从而使驱动芯片具有很强的抗负压能力。

 

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隔离型的驱动,既能完成电平转换,也具有原副边电气隔离的能力。市面上常见的隔离技术有光隔离,磁隔离,容性隔离。英飞凌隔离型驱动采用的是磁隔离技术,它使用两个线圈分别作为原边和副边的信号接收器,二氧化硅作为中间的绝缘层,又叫做无磁芯变压器技术。

 

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说到这里,不知道大家有没有发现一个有趣的现象,整个电力系统就像是一个层层放大的套娃:MCU发出的mA级微弱信号,经IGBT驱动芯片放大到几安培,驱动芯片后面可能还有一个booster电路将驱动电流放大到十几安培,这个电流再经过IGBT,可以放大到几百安甚至几千安的,从而举起矿石,升起电梯,驱动高铁。IGBT驱动是整个系统中至关重要的一环。

 

刚刚接触IGBT驱动芯片的小伙伴,面对琳琅满目的IC型号难免眼花缭乱。其实选择合适的IGBT驱动芯片非常简单,英飞凌有在线的驱动IC选择工具,只需要输入系统的电压、电流、绝缘等级等简单信息,工具就会推送合适的产品了。

 

 

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