IGBT廠家以及IGBT4種常見的驅(qū)動(dòng)電路形式
IGBT是什么？
? ?IGBT全稱為絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor)，所以它是一個(gè)有MOS Gate的BJT晶體管，可以簡(jiǎn)單理解為IGBT是MOSFET和BJT的組合體。MOSFET主要是單一載流子(多子)導(dǎo)電，而BJT是兩種載流子導(dǎo)電，所以BJT的驅(qū) 動(dòng)電流會(huì)比MOSFET大，但是MOSFET的控制級(jí)柵極是靠場(chǎng)效應(yīng)反型來控制的，沒有額外的控制端功率損耗。所以IGBT就是利用了MOSFET和BJT的優(yōu)點(diǎn)組合起來的，兼有MOSFET的柵極電壓控制晶體管(高輸入阻抗)，又利用了BJT的雙載流子達(dá)到大電流(低導(dǎo)通壓降)的目的 (Voltage-Controlled Bipolar Device)。從而達(dá)到驅(qū)動(dòng)功率小、飽和壓降低的完美要求，廣泛應(yīng)用于600V以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。
圖1?IGBT實(shí)物圖 左圖IGBT模塊，右圖IGBT管
? ?IGBT有什么用？
? ?絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是高壓開關(guān)家族中最為年輕的一位。由一個(gè)15V高阻抗電壓源即可便利的控制電流流通器件從而可達(dá)到用較低的控制功率來控制高電流。IGBT就是一個(gè)開關(guān)，非通即斷，如何控制他的通還是斷，就是靠的是柵源極的電壓，當(dāng)柵源極加+12V（大于6V，一般取12V到15V）時(shí)IGBT導(dǎo)通，柵源極不加電壓或者是加負(fù)壓時(shí)，IGBT關(guān)斷，加負(fù)壓就是為了可靠關(guān)斷。
IGBT沒有放大電壓的功能，導(dǎo)通時(shí)可以看做導(dǎo)線，斷開時(shí)當(dāng)做開路。
IGBT有三個(gè)端子，分別是G，D，S，在G和S兩端加上電壓后，內(nèi)部的電子發(fā)生轉(zhuǎn)移（半導(dǎo)體材料的特點(diǎn)，這也是為什么用半導(dǎo)體材料做電力電子開關(guān)的原因），本來是正離子和負(fù)離子一一對(duì)應(yīng)，半導(dǎo)體材料呈中性，但是加上電壓后，電子在電壓的作用下，累積到一邊，形成了一層導(dǎo)電溝道，因?yàn)殡娮邮强梢詫?dǎo)電的，變成了導(dǎo)體。如果撤掉加在GS兩端的電壓，這層導(dǎo)電的溝道就消失了，就不可以導(dǎo)電了，變成了絕緣體。
? ?IGBT是電機(jī)控制和功率變換的首選器件,從傳統(tǒng)的電力、機(jī)械、礦冶，到軌道交通、航空航天、新能源裝備以及特種裝備等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，都有IGBT應(yīng)用的身影。以高鐵應(yīng)用為例，IGBT裝置可以說是列車運(yùn)行的“心臟”。高鐵運(yùn)行中，要在短時(shí)間將時(shí)速?gòu)牧闾嵘?00公里以上，反之，也需要在極短的時(shí)間內(nèi)將正在高速運(yùn)行的列車平穩(wěn)停下來。這看似簡(jiǎn)單的加速、減速過程，相關(guān)傳動(dòng)設(shè)備、牽引變流器以及其他電動(dòng)設(shè)備，要在短暫的時(shí)間內(nèi)完成一系列復(fù)雜的高難度動(dòng)作，這需要確保各種設(shè)備所需的電流、電壓極為精準(zhǔn)、可靠，在目前技術(shù)條件下，只有大功率的IGBT才能滿足這一苛刻要求。在減速過程中，通過IGBT的作用，還可 以將列車減速產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)為電能，回饋給電網(wǎng)。
圖2 ?IGBT是汽車元器件中的核心器件之一
? ?IGBT行業(yè)現(xiàn)況
? ?IGBT芯片的制造，是一個(gè)物理作用與化學(xué)作用完美結(jié)合的過程。 前后共有200多道**小小的工藝步驟，每個(gè)工藝步驟必須精準(zhǔn)到位，每項(xiàng)技術(shù)火候都必須拿捏得當(dāng)。否則，“失之毫厘，謬以千 里”，一個(gè)細(xì)小環(huán)節(jié)的差異，就可能導(dǎo)致整批芯片的報(bào)廢。
? ?IGBT作用大，應(yīng)用廣泛，但這一技術(shù)長(zhǎng)期被極少數(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家所壟斷。早些年，我國(guó)所有機(jī)車車輛用的
IGBT模塊全部依賴國(guó)外進(jìn)口。每年，高鐵、城軌、風(fēng)電等產(chǎn)業(yè)，需要從國(guó)外采購(gòu)數(shù)十億美元的 IGBT產(chǎn)品，采購(gòu)周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)月甚至一年以上。“有些領(lǐng)域，國(guó)外根本就不賣”。早在2006年，國(guó)家相關(guān)部委就將IGBT器件技術(shù)作為重大專項(xiàng)課題，集中進(jìn)行研發(fā)，但由于基礎(chǔ)落后、人才匱乏，進(jìn)展緩慢。IGBT技 術(shù)的落后，使得我國(guó)一些關(guān)鍵產(chǎn)業(yè) 發(fā)展一度受制于人。
? ?國(guó)產(chǎn)IGBT研發(fā)進(jìn)度
? ?“十一五”初期，南車株洲所在國(guó)內(nèi)率先啟動(dòng)“高壓IGBT元件研制”項(xiàng)目。然而，想在短短幾年內(nèi)，完全依靠自身力量，獨(dú)立自主 研發(fā)掌握核心技術(shù)并推動(dòng)IGBT技術(shù)產(chǎn)業(yè)化難度極大。南車株洲所智慧 地選擇了一條“捷徑”——實(shí)施“收購(gòu)-整合-創(chuàng)新”戰(zhàn)略，通過全球性戰(zhàn)略布局，吸納國(guó)際優(yōu)勢(shì)研發(fā)資源，對(duì)IGBT技術(shù)進(jìn)行自主攻關(guān)。2008年10月31日，南車株洲所下屬株洲南車時(shí)代電氣股份有限 公司成功收購(gòu)英國(guó)丹尼克斯半導(dǎo)體公司75%的股權(quán)，為中國(guó)南車實(shí)現(xiàn)IGBT技術(shù)的突破打開了一扇窗。目前，4500伏、6500伏等更高電壓等級(jí)的IGBT芯片相繼在南車株洲所研發(fā)成功，滿足了軌道交通、智能電網(wǎng)等高端應(yīng)用領(lǐng)域的需 要，并且實(shí)現(xiàn)IGBT制造技術(shù)從6英寸到8英寸的跨越。
? ?IGBT知名生產(chǎn)廠家
? ?1、美國(guó)國(guó)際整流器公司(IR)
? ?美國(guó)國(guó)際整流器公司(IR)為全球功率半導(dǎo)體和管理方案領(lǐng)先廠商。IR的模擬及混合信號(hào)集成電路、先進(jìn)電路器件、集成功率系統(tǒng)和器件廣泛應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)高性能計(jì)算機(jī)及降低電機(jī)的能耗，是眾多國(guó)際知名廠商開發(fā)下一代計(jì)算機(jī)、節(jié)能電器、照明設(shè)備、汽車、衛(wèi)星系統(tǒng)、宇航及國(guó)防系統(tǒng)的電源管理基準(zhǔn)。
? ?2、意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)
? ?意法半導(dǎo)體(ST)公司成立于1987年，是意大利SGS半導(dǎo)體公司和法國(guó)湯姆遜半導(dǎo)體合并后的新企業(yè)，從成立之初至今，ST的增長(zhǎng)速度超過了半導(dǎo)體工業(yè)的整體增長(zhǎng)速度。自1999年起，ST始終是世界十大半導(dǎo)體公司之一。為世界第一大專用模擬芯片和電源轉(zhuǎn)換芯片制造商，世界第一大工業(yè)半導(dǎo)體和機(jī)頂盒芯片供應(yīng)商，在分立器件、手機(jī)相機(jī)模塊和車用集成電路領(lǐng)域居世界前列。標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品包括分立器件如晶體管、二極管與晶閘管;功率晶體管如MOSFET、IGBT等。
? ?3、飛兆(Fairchild)
? ?飛兆半導(dǎo)體公司(FairchildSemiconductor)俗稱“仙童半導(dǎo)體”，是美國(guó)的一家半導(dǎo)體設(shè)計(jì)與制造公司，目前總部設(shè)在緬因州南波特蘭。曾經(jīng)開發(fā)了世界上第一款商用集成電路(略微領(lǐng)先于德州儀器公司)。當(dāng)前半導(dǎo)體行業(yè)的重要公司英特爾、AMD等的創(chuàng)始人都來自此公司。飛兆半導(dǎo)體公司在硅谷的發(fā)展史上占有重要的位置。
? 4、富士通(Fuji)
? 富士通(Fuji)主要產(chǎn)品包括自動(dòng)售貨機(jī)、工廠自動(dòng)化設(shè)備、電源設(shè)備、半導(dǎo)體、集成電路等信息電子零部件。主要生產(chǎn)和銷售IGBT、MOS-FET等功率半導(dǎo)體，特別是在工業(yè)驅(qū)動(dòng)用IGBT組件領(lǐng)域的市場(chǎng)份額排名世界第三位，市場(chǎng)占有率高達(dá)30%。
? 自從1996年在無錫建立第一家企業(yè)以來，英飛凌的業(yè)務(wù)取得非常迅速的增長(zhǎng)，目前在中國(guó)已經(jīng)擁有8家公司和1700多名員工。2004年英飛凌在中國(guó)的銷售額增加了30%，高于中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)的平均增長(zhǎng)速度，在國(guó)內(nèi)的排名由2002年的第七位上升至前四位，成為英飛凌亞太乃至全球業(yè)務(wù)發(fā)展的一個(gè)重要推動(dòng)力。
驅(qū)動(dòng)電路又稱為激勵(lì)電路，它是主電路與控制電路之間的接口，它的主要作用體現(xiàn)在：
(1)使功率開關(guān)管工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時(shí)間，減小開關(guān)損耗，對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。
(2)對(duì)功率開關(guān)管或整個(gè)裝置的一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中，或通過驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)。
驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)驅(qū)動(dòng)的功率開關(guān)管的不同，可以分為電流驅(qū)動(dòng)型和電壓驅(qū)動(dòng)型，其中功率晶體管需要電流型驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)，電壓型驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)功率MOSFET和IGBT.驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)電路的具體形式可以分為分立元件組成的驅(qū)動(dòng)電路和專用集成驅(qū)動(dòng)電路，目前的趨勢(shì)是采用集成驅(qū)動(dòng)電路。
??1. 分立元件的驅(qū)動(dòng)電路?
分立插腳式元件組成的驅(qū)動(dòng)電路在80年代的日本和臺(tái)灣變頻器上被廣泛使用,主要包括日本(富士:G2,G5.三肯:SVS,SVF,MF.,春日,三菱Z系列K系列等)臺(tái)灣(歐林,普傳,臺(tái)安.)等一系列變頻器。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展及貼片工藝的出現(xiàn),這類設(shè)計(jì)電路復(fù)雜，集成化程度低的驅(qū)動(dòng)電路已逐漸被淘汰。
??2.?光電耦合器隔離驅(qū)動(dòng)電路 ?
當(dāng)IGBT構(gòu)成的主電路輸出較大的功率時(shí)，IGBT的集電極電壓很高，發(fā)射極不一定直接與公共地連接。控制電路與驅(qū)動(dòng)電路仍為低電壓供電，此種情況驅(qū)動(dòng)電路與主電路之間不應(yīng)直接連接，而應(yīng)通過隔離元件間接傳送驅(qū)動(dòng)信號(hào)。根據(jù)所用隔離元件的不同，把隔離驅(qū)動(dòng)電路分為電磁隔離與光隔離：a. 用脈沖變壓器作為隔離元件的隔離電路稱為電磁隔離電路；b. 用光耦合器把控制信號(hào)與驅(qū)動(dòng)電路加以隔離的柵極驅(qū)動(dòng)電路稱為光電隔離驅(qū)動(dòng)電路。
由于光電耦合器構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路具有線路簡(jiǎn)單、可靠性高、開關(guān)性能好等特點(diǎn)，在IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中被廣泛采用。由于驅(qū)動(dòng)光電鍋臺(tái)器的型號(hào)很多，所以選用的余地也很大。用于IGBT的光電耦合器驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)光電耦合器選用較多的主要有東芝的TLP系列、夏普的比系列、惠普的HLPL系列等。以東芝TLP系列光電鍋臺(tái)器為例，驅(qū)動(dòng)IGBT模塊的光電耦合器主要采用的是TLP250和TLP251兩個(gè)型號(hào)。對(duì)于小電流(15A左右)的模塊，一般采用TLP251。外圍再輔以驅(qū)動(dòng)電源和限流電阻等就構(gòu)成了最簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路。而對(duì)于中等電流(50A左右)的模塊，一般采用TLP250型號(hào)的光電耦合器。而對(duì)于更大電流的模塊，在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)一般在光電鍋合器驅(qū)動(dòng)電路后面再增加一級(jí)放大電路，以達(dá)到安全驅(qū)動(dòng)IGBT模塊的目的。光電耪合器的優(yōu)點(diǎn)是體積小巧，缺點(diǎn)是反應(yīng)較慢，因而具有較大的延遲時(shí)間(高速型光電耦合器一般也大于500ns)。光電鍋臺(tái)器的輸出級(jí)需要隔離的輔助電源供電。
??3.厚膜驅(qū)動(dòng)電路 ??
厚膜驅(qū)動(dòng)電路是在阻容元件和半導(dǎo)體技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種混合集成電路。它是利用厚膜技術(shù)在陶瓷基片上制作模式元件和連接導(dǎo)線，將驅(qū)動(dòng)電路的各元件集成在一塊陶瓷基片上，使之成為一個(gè)整體部件。使用厚膜驅(qū)動(dòng)電路給設(shè)計(jì)布線帶來了很大的方便，可提高整機(jī)的可靠性和批量生產(chǎn)的一致性，同時(shí)也加強(qiáng)了技術(shù)的保密性。現(xiàn)在的厚膜驅(qū)動(dòng)電路集成了很多保護(hù)電路和檢測(cè)電路。
例：M57959L/M57962L厚膜驅(qū)動(dòng)電路
M57959L/M57962L厚膜驅(qū)動(dòng)電路采用雙電源（+15V，- 10V）供電，輸出負(fù)偏壓為-10V，輸入輸出電平與TTL電平兼容，配有短路/過載保護(hù)和 封閉性短路保護(hù)功能，同時(shí)具有延時(shí)保護(hù)特性。其分別適合于驅(qū)動(dòng)1200V/100A、600V/200A和1200V/400A、600V/600A及其以下的 IGBT。M57959L/M57962L在驅(qū)動(dòng)中小功率的IGBT時(shí)，驅(qū)動(dòng)效果和各項(xiàng)性能表現(xiàn)優(yōu)良，但當(dāng)其工作在高頻下時(shí)，其脈沖前后沿變的較差，即信號(hào)的最大傳輸寬度受到限制。且厚膜內(nèi)部采用印刷電路板設(shè)計(jì)，散熱不是很好，容易因過熱造成內(nèi)部器件的燒毀。
日本三菱公司的M57959L集成IGBT專用驅(qū)動(dòng)芯片它可以作為600V/200A或者1200V/100A的IGBT驅(qū)動(dòng)。其最高頻率也達(dá)40KHz，采用雙電源 ?供電（+15V和-15V）輸出電流峰值為±2A，M57959L有以下特點(diǎn)：
（1）采用光耦實(shí)現(xiàn)電器隔離，光耦是快速型的，適合20KHz左右的高頻開關(guān)運(yùn)行，光耦的原邊已串聯(lián)限流電阻，可將5V電壓直接加到輸入 側(cè)。
（2） 如果采用雙電源驅(qū)動(dòng)技術(shù)，輸出負(fù)柵壓比較高，電源電壓的極限值為+18V/-15V，一般取+15V/-10V。
（3）信號(hào)傳輸延遲時(shí)間短，低電平-高電平的傳輸延時(shí)以及高電平-低電平的傳輸延時(shí)時(shí)間都在1.5μs以下。
（4）具有過流保護(hù)功能。M57962L通過檢測(cè)IGBT的飽和壓降來判斷IGBT是否過流，一旦過流，M57962L就會(huì)將對(duì)IGBT實(shí)施軟關(guān)斷，并輸出過流故障信號(hào)。
（5）M57959的內(nèi)部原理框圖如圖1所示，這一電路的驅(qū)動(dòng)部分與EXB系列相仿，但是過流保護(hù)方面有所不同。過流檢測(cè)仍采用電壓采樣，電路特?點(diǎn)是采用柵壓緩降，實(shí)現(xiàn)IGBT軟關(guān)斷。
避免了關(guān)斷中過電壓和大電流沖擊，另外，在關(guān)斷過程中，輸入控制信號(hào)的狀態(tài)失去作用，既保護(hù)關(guān)斷是在封閉狀態(tài)中完成的。當(dāng)保護(hù)開始時(shí)，立即送出故障信號(hào)，目的是切斷控制信號(hào)，包括電路中其它有源器件。
圖1 M57959L的內(nèi)部原理框圖
??4.?專用集成驅(qū)動(dòng)電路 ?
目前已開發(fā)和應(yīng)用的專用集成驅(qū)動(dòng)電路主要有IR公司的IR2111、IR2112、IR2113等。
此外，現(xiàn)在的一些歐美廠商在IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)上采用了高頻隔離變壓器(如丹佛斯VLT系列變頻電源)。通過高頻變壓器對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的電源及信號(hào)的隔離，增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)電路的可靠性，同時(shí)也有效地防止了主電路出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)控制電路的損壞。在實(shí)際應(yīng)用中這種驅(qū)動(dòng)電路的故障率很低，大功率模塊也極少出現(xiàn)問題。
IGBT廠家以及IGBT4種常見的驅(qū)動(dòng)電路形式
