一文解析IGBT驅(qū)動器的電流隔離

通常，以以下方式描述IGBT（絕緣柵雙極晶體管）：“ IGBT是場效應(yīng)晶體管和雙極晶體管的組合，其中N溝道FET控制雙極晶體管”。盡管這句話很好地描述了基礎(chǔ)知識，但在高功率范圍的IGBT應(yīng)用中，IGBT控制電路的復(fù)雜性實際上要比控制小MOSFET時要高得多。例如，MOSFET的控制通常稱為空載，因為MOSFET所需的開關(guān)電流通?？梢院雎圆挥嫛?/p>

對于功率IGBT，這毫無疑問，因為控制通常需要幾瓦特。此外，在這種情況下，不再容易忽略需要重新加載的內(nèi)部電容，而這些電容在小型MOSFET的控制中幾乎不起任何作用。

正確的，最重要的是，對IGBT的有效控制是一個復(fù)雜的過程，為此，需要將驅(qū)動器調(diào)諧至IGBT。此外，大多數(shù)現(xiàn)代IGBT驅(qū)動器提供保護電路和安全功能，以便在出現(xiàn)故障的情況下為IGBT提供保護，否則通常會導(dǎo)致IGBT完全損壞。

在存在較高反向電壓的情況下，必須對輸入電路（低壓）和輸出電路（高壓）進行電壓隔離。輸出電路直接連接至高壓IGBT，而輸入電路則提供至控制電子設(shè)備的接口（圖1）。圖2顯示了具有光學(xué)控制功能的2通道IGBT驅(qū)動器板。

IGBT的電隔離控制

在幾乎所有IGBT應(yīng)用中，控制信號和驅(qū)動器電路之間的電隔離都是必不可少的。傳輸電隔離的控制信號和反饋信號（錯誤信號）有三種可能性：

• 感應(yīng)耦合
• 電容耦合
• 光學(xué)耦合

盡管很少使用電容性解決方案，但電感耦合和光耦合解決方案卻被廣泛使用。在中低電壓的情況下經(jīng)常使用光耦合器，而在較高的反向電壓（> 1200 V）下使用變壓器和光纖。由于在光信號傳輸?shù)那闆r下無法傳輸足夠的功率以用于控制電子設(shè)備和IGBT控制，因此幾乎總是使用變壓器解決方案進行功率傳輸。因此，變壓器被用于傳輸控制和反饋信號，特別是在中高壓范圍內(nèi)。從理論上講，該解決方案即使在更高的電壓下也適用，但是隨著電壓的升高，變壓器的空間要求也隨之提高，因此仍要考慮最小的電氣間隙和爬電距離。

因此，在較高的反向電壓（> 1200 V）下，光傳輸可以證明其優(yōu)勢。如圖3所示，根據(jù)IEC 664-1：1992標準，在較高電壓下，指定的最小距離為幾厘米。這樣的距離對于光纖耦合來說是非常短的環(huán)節(jié)。然而，電感耦合或什至電容耦合已經(jīng)可以代表相當大的支出，并且在板上需要很大的空間。表1再次總結(jié)了每種解決方案的優(yōu)缺點。

表格1。電隔離方法

光纖

在高壓系統(tǒng)中，通常使用光纖連接來傳輸控制信號以及狀態(tài)和錯誤信號。與所有其他隔離技術(shù)相比，明顯的優(yōu)勢是理論上可以在可實現(xiàn)的距離內(nèi)實現(xiàn)無限隔離。從技術(shù)上講，通過使用波長為850nm或1310nm的多模光纖（MM）或單模光纖（SM），幾公里的傳輸不會出現(xiàn)問題。但是更頻繁的是，僅需要傳輸幾英尺甚至幾英寸，并且在此已證明聚合物光纖（POF）和650nm波長的傳輸是最佳的。使用POF不僅提供了一種經(jīng)濟高效的解決方案，而且與MM和SM光纖相比，使用POF更加容易處理和準備電纜。

使用光纖進行傳輸?shù)牧硪粋€優(yōu)點是，光傳輸路徑完全不受電磁輻射的影響。因此，如工業(yè)環(huán)境中常見的那樣，如果將纖維放置在強電磁輻射部件附近，則根本沒有問題。

如果所需的隔離電壓僅為幾千伏，則也可以使用短連接作為替代。這些設(shè)備具有光纖連接的優(yōu)點，但可以直接安裝在板上，不需要任何組裝。此處的間隙是機械規(guī)定的。這種短鏈路的一個示例是AVAGO Technology的HFBR-3810Z，如圖4所示。

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