IGBT驅(qū)動(dòng)到底是做什么的?

我們都知道，電機(jī)驅(qū)動(dòng)是IGBT的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。有的同學(xué)可能會(huì)有這樣的困惑：

“IGBT本來(lái)就是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的，為什么它自己還需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)？IGBT驅(qū)動(dòng)到底是做什么的？”

這個(gè)問(wèn)題說(shuō)來(lái)簡(jiǎn)單，就像《極簡(jiǎn)電力電子學(xué)》中所說(shuō)：“IGBT本質(zhì)上就是一個(gè)電子開(kāi)關(guān)，就好比你家里墻上的開(kāi)關(guān)，按一下，開(kāi)關(guān)閉合，電燈亮起；再按一下，電燈熄滅。

當(dāng)然，操作IGBT，不再是手，而是電子脈沖。高電平來(lái)臨時(shí)，器件開(kāi)通；低電平來(lái)臨時(shí)，器件就關(guān)斷。手動(dòng)操作開(kāi)關(guān)，可能一秒鐘一兩次，而我們的電子開(kāi)關(guān)，一秒鐘可以開(kāi)關(guān)上萬(wàn)次，幾十萬(wàn)次。

那么這時(shí)候問(wèn)題來(lái)了：控制IGBT電子脈沖從哪兒來(lái)？

有的同學(xué)要舉手了：我知道我知道！控制脈沖可以從MCU來(lái)！

非常棒！你都會(huì)搶答了！

MCU就像我們的大腦，它控制我們身體的一舉一動(dòng)。但它發(fā)出的神經(jīng)元信號(hào)非常微弱，根本無(wú)法按動(dòng)開(kāi)關(guān)。所以大腦需要把這個(gè)信號(hào)傳送給手，由手部肌肉運(yùn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生一定的力量，摁下開(kāi)關(guān)。IGBT的驅(qū)動(dòng)就是控制IGBT的、靈巧又有力量的“手”。

那么，信號(hào)從MCU到IGBT驅(qū)動(dòng)芯片，中間都經(jīng)歷了什么？

首先

MCU的輸出電流是mA級(jí)別，而IGBT需要的驅(qū)動(dòng)電流可能達(dá)到幾安培。IGBT驅(qū)動(dòng)要完成的首要任務(wù)，就是作為一個(gè)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(dòng)電壓要達(dá)到15V。IGBT驅(qū)動(dòng)需要把3.3V信號(hào)轉(zhuǎn)成15V信號(hào)。而且這個(gè)15V，不是一般的15V。IGBT一般工作在橋式電路中。橋式電路會(huì)承受母線電壓。當(dāng)電路不開(kāi)關(guān)時(shí)，橋式電路的中點(diǎn)會(huì)承受一半的母線電壓；在上管開(kāi)通時(shí)，中點(diǎn)電位與母線電壓相同。

這時(shí)上管IGBT驅(qū)動(dòng)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(gè)15V的電壓信號(hào)來(lái)。好比說(shuō)MCU提供了一顆長(zhǎng)在地上的小樹(shù)苗，IGBT驅(qū)動(dòng)的工作不光是要把小樹(shù)苗變成大樹(shù)，還要把它移植到高山上去。聽(tīng)起來(lái)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?yàn)榈蛪簜?cè)會(huì)有人機(jī)接口，所以絕對(duì)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(shí)候，IGBT驅(qū)動(dòng)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(duì)原邊操作的人體造成傷害。如果IGBT驅(qū)動(dòng)不具有絕緣能力的話，絕緣屏障就要加在MCU與人機(jī)接口之間。

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

在有些應(yīng)用場(chǎng)景下，驅(qū)動(dòng)要提供豐富的保護(hù)功能。首先，驅(qū)動(dòng)器要長(zhǎng)出一雙“眼睛”（故障檢測(cè)），觀察“電燈”（負(fù)載）或者“開(kāi)關(guān)”（IGBT）運(yùn)行是否正常。如果負(fù)載有異常，故障檢測(cè)立刻發(fā)送信號(hào)給“大腦”MCU，MCU發(fā)指令給IGBT驅(qū)動(dòng)，IGBT驅(qū)動(dòng)關(guān)閉功率器件，避免炸機(jī)。我們把具有保護(hù)功能的IGBT驅(qū)動(dòng)IC稱為增強(qiáng)型驅(qū)動(dòng)。IGBT驅(qū)動(dòng)的保護(hù)功能包括欠壓關(guān)斷、短路保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、米勒鉗位、軟關(guān)斷等。

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

英飛凌提供完整的功率器件+驅(qū)動(dòng)芯片解決方案。

英飛凌驅(qū)動(dòng)芯片技術(shù)有兩類：非隔離型和隔離型。非隔離型的驅(qū)動(dòng)，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(shù)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(dòng)芯片具有很強(qiáng)的抗負(fù)壓能力。

隔離型的驅(qū)動(dòng)，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(jiàn)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(dòng)采用的是磁隔離技術(shù)，它使用兩個(gè)線圈分別作為原邊和副邊的信號(hào)接收器，二氧化硅作為中間的絕緣層，又叫做無(wú)磁芯變壓器技術(shù)。

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

說(shuō)到這里，不知道大家有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象，整個(gè)電力系統(tǒng)就像是一個(gè)層層放大的套娃： MCU發(fā)出的mA級(jí)微弱信號(hào)，經(jīng)IGBT驅(qū)動(dòng)芯片放大到幾安培，驅(qū)動(dòng)芯片后面可能還有一個(gè)booster電路將驅(qū)動(dòng)電流放大到十幾安培，這個(gè)電流再經(jīng)過(guò)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(dòng)高鐵。 IGBT驅(qū)動(dòng)是整個(gè)系統(tǒng)中至關(guān)重要的一環(huán)。

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