【3月2周】英飞凌 —— 一文弄懂IGBT驱动

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【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。

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！

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：

 

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。

 

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：

 

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。

 

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。

 

 

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。