IGBT及其驱动芯片规格学习

Posted on 2021-07-15 Edited on 2023-02-15 In Hardware

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IGBT和其驱动芯片的电气特性、引脚等参数的开发记录。

IGBT

IGBT芯片选型为 IKW50N65WR5。

IGBT有三个极，发射极、集电极和栅极。

从其电气性能表格中，可以看出：

集电极到发射极的击穿电压最小为650V
在 VGE 完全导通（最高15V）时，集电极到发射极的饱和电压为1.8V以下，此时 IGBT 处于截止状态
在 VGE 完全截止（0V）时，二极管的正向电压为1.9V以下。此时，VCE 处于导通状态。

从上方表中可以看出，在官方的《开关特性测试情况》下，VGE 的通电情况是 0V 或者 15V，故此推断给此IGBT的栅极电源输入信号应该是0V ~ 15V的方波。

因此，下图中IGBT器件的电路连接方式为：G 接0/15V方波信号，C 接最高650V电源，E 接地。

DRIVER IC

选用芯片型号为 2EDL05I06PF。

根据表1索引可得，芯片封装类型为DSO-8，目标驱动芯片是 IGBT，而非 MOSFET。

再根据图3可得芯片引脚分布，根据表2可得所有引脚描述。

结合表2和图3，再根据图1的典型应用电路，可以大致知道芯片的连接方法。

针脚	功能描述
VDD	芯片供电接口
GND	芯片接地接口
HIN	调制波形输入接口——高位
LIN	调制波形输入接口——低位
VB	高位正电
HO	控制高位IGBT栅极的信号输出接口
VS	高位负电
LO	控制低位IGBT栅极的信号输出接口

还是不太明白VB和VS的作用

表4给出了 VDD 和 VB 的供电范围：

表6 给出了输入 VIN 的逻辑电平高低的电压范围，高电平为1.7 ~ 2.4 V，低电平为0.7 ~ 1.1V。

图2 提供了驱动芯片内部结构示意图

概括地说，IGBT栅极驱动器是一个放大器，其通过提高电压和电流来放大控制信号。

栅极驱动器的主要作用是对 IGBT的输入和反向输出电容放电。因此栅极驱动器（初其他影响因素外）与IGBT的开关性能密切相关，也与通态损耗与开关损耗有关。

绝大多数IGBT驱动器都是基于电压源的，与电流源驱动器相比，电压源的优势是其功率损耗在栅极电阻上，而非驱动中的电流源内。通过栅极电阻，可以调整最大的栅极电流。另一优势是，电压源相对简单的电路和控制方法。

驱动功能

IGBT驱动电路为系统提供的功能：

在IGBT开通过程中，栅极处的电容充电直到IGBT的开通阈值电压，反向传输电容（密勒电容）也如此。
在IGBT关断过程中，输入电容放电直到栅极电压达到关断阈值电压以下，反向传输电容（密勒电容）也如此。
IGBT驱动可以具有保护IGBT免受损坏的功能，如 避免IGBT短路 和 过电压保护。

驱动供电

大部分情况下，IGBT驱动需要用隔离的供电电源。隔离电源可以看做是IGBT驱动的一部分。这些电源一般由 DC-DC变换器 或 自举电路 构成。

同时，驱动会影响IGBT和续流二极管的动态特性，此外仍须确保IGBT输入电路电压（低压侧）和输出电路（高压侧）的电压隔离。低压侧与控制电路连接，高压侧与IGBT电路连接。

信号传输

阿博说的电路PCB布局要点：强弱隔离，数模隔离，信号沿地。

IGBT需要隔离的控制信号包括： 开通信号、关断信号、反馈信号。

这些控制信号的传输路径的隔离是通过 电隔离 或 非电隔离 的方式形成的，这种电隔离被进一步划分为基于磁感应的、光学的隔离，极少情况下是电容性的隔离。需要通过 IGBT阻断电压 或 应用电压的高低 来判断组个方式，在高压应用或 IGBT阻隔电压 UCES 高至 1.2kV 时，采用磁感应式或光学式信号传送器；在低压或中压应用中或低于 1.2kV 时，采用光电耦合驱动芯片。

图 Infineon对电气隔离的定义

光电耦合器

光电耦合器就是一种可以实现IGBT驱动的同时实现强弱电隔离的器件。由于光电耦合器的结构设计，集成光电耦合器的IGBT只能实现信息传递，不能为任何设备提供充足的能量支撑，需要一个隔离电源为驱动核心和光电耦合器的二次侧（高压侧）提供电能。

另外有个相当重要的参数需要考虑——传输延迟时间，即信号从光电耦合器IGBT输入到控制电流输出的时间。常规而言，传播延迟时间 tPLH 和 tPHL 在几百个纳秒时间，但通常大于200ns。这种延时本身不会构成真正的问题，因为微控制器的控制算法可以考虑这一点，最大的问题在于延时的公差（传输延迟时间不匹配），即最小和最大延时的不一致性。一旦该公差越大，上下桥臂的IGBT死区时间 tDT 就越大，加重了逆变器输出电流的失真影响。光电耦合器里信号延迟的误差因为操作使用会发生巨大变化，最终可导致高达1us的偏差。

脉冲变压器

利用脉冲变压器为信号传输的IGBT，可以达到较低的延时水平，但与光电耦合器一样，只能传输信号，提供所需能量仍需由隔离电源提供。

单片电平转换器

单片电平转换器，即仅通过一个集成电路来实现输入信号和输出信号之间的隔离。需要注意的是，并不想光耦、变压器、脉冲等技术的完全绝缘的电气隔离，如果出现差错（如输出侧寄生电感产生的负电压瞬变），电路高压侧和地压侧将会直接连在一起（导致内部集成芯片的损坏）。将 SOI（绝缘硅）技术 应用于电平转换器可以解决这一缺陷，Infineon的产品大多都应用这项技术。这样的SOI装置不是由PN结反向偏置来提供内部电路隔离的，而是通过一层绝缘层（通常是二氧化硅 SiO2）来为不同的内部电路提供隔离，其反向电压耐压高达较高（因产品而不同）。

单片电平转换器主要应用于 UCES 低于 600V 的IGBT，通常一个驱动器有六路输出。但是在驱动 1.2kV 以上时，其驱动芯片和其他驱动方式相比成本劣势较少采用。