IGBT隔离驱动及保护技术研究

发布时间：2020-10-24 04:54

　　 自从20世纪80年代发明绝缘栅双极型晶体管(IGBT)以来,IGBT技术发展迅速,其作为电能变换的核心器件,涵盖了从几十瓦到几十兆瓦的电力电子应用。目前IGBT已经广泛应用于消费类电器、工业控制、新能源发电、智能电网、机车牵引和电动汽车的交通运输领域,成为变流装置的主要开关器件。此外,IGBT卓越的性能使其不仅可以取代现有系统中传统的完全可控的功率半导体器件,而且开启了更加广泛且全新的应用领域。中国作为能源生产和消费大国,IGBT也大量地运用于功率变换之中,以实现新能源产生、传输和高能效地利用。IGBT驱动技术作为IGBT应用中的关键技术之一,对IGBT的可靠运行非常重要,直接关系到系统的效率、可靠性和安全性。IGBT驱动电路可以驱动IGBT并对其整体性能进行调控,它不仅影响了IGBT的动态性能,同时也影响系统的成本和可靠性。驱动电路的选择及输出功率的计算决定了换流系统的可靠性。驱动电路功率不足或选择错误可能会直接导致IGBT损坏。虽然目前国内外有许多专用的驱动芯片,但是有些产品性能不够完善,具有局限性,还有些产品性能卓越、通用性强,但是价格昂贵,有时候达到了比IGBT的价格更高的程度,因此设计一种性能良好并且成本较低的IGBT驱动电路具有非常重要的意义。针对以上问题,本文在详细分析了IGBT基本结构、工作原理和特性、失效机理的基础上,同时研究了IGBT驱动电路中的驱动要求、隔离方式、故障分类及保护电路,并针对常见的IGBT磁隔离驱动电路的信号传输延迟问题,设计了完整的高速传输的IGBT驱动电路,包括高频载波调制电路与高速解调电路、电平转换与功率放大电路等。此外,在进行了常见故障分析后,设计了包括栅极过压保护、短路保护及欠压、过温等保护在内的较为完善的IGBT保护电路,并设计驱动隔离DC/DC电源电路。最后,运用Saber仿真软件对整体驱动电路进行了仿真分析,验证了方案的可行性,并搭建了硬件实验电路对方案进行了验证,实验证明IGBT驱动电路的输出与设定相同,且输入输出之间具有较小的延时,验证了驱动电路能够应用于实际。整个IGBT驱动电路具备成本低、可靠性高、驱动功耗小、输入输出延时小等优点,能够使IGBT工作在良好的开关状态,并针对可能出现的故障情况进行了保护电路设计,方案的可行性和有效性也得到了验证。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM46
【部分图文】：

一些具有主动开关功能的半导体器件（如功率 MOSFT 集成模块，它们和 IGBT 一起，已经逐渐开始取代传统的晶中晶闸管也在慢慢消失。而相对于其他大功率半导体器件， 显示出其一系列的优势。例如，IGBT 和 MOSFET 可应用于到被动的短路关闭的任何情况，无须关闭整个网络，同时还具时间短和开关损耗相对较低等优点。微电子技术的快速发展，半导体器件变得更容易且成本更低廉[7]。随着电力电子技术的变革，目前市场上的 IGBT 模块从高到低主要含有 3600A500V、800A/6500V 等众多产品。T 作为新一代的功率半导体典型代表，其具有十分优异的性能够广泛适用于交直流变换、U/I 变换的场景中，且损耗低。从、配电，新能源发电、智能家居等新兴产业发挥巨大优势。同等化合物为代表的半导体是新兴材料的发展热点[8]，这些材料压、高频率、高温度的使用环境中，从而将会占有很大的市场电力电子技术发展方向与应用前景。

图 1.3 iCoupler 技术简图Fig 1.3 Technical sketch of iCoupler如图 1.3 所示，在整个系统中，初始信号中的上升沿经过译码装置，变换为短连续信号，同时下降沿转换为单一短脉冲。两种短脉冲通过变压器隔离，传输到二次端，最终经过解码装置回复到初始信号，整个过程并不会导致信号的丢失与损坏。文献[16]在基于 iCoupler 技术的信号传输原理的基础上，提出了一种新型的脉冲宽度编解码方法，与 iCoupler 技术的原理对比如图 1.4 所示。INCPDDOUTINCPDDOUT（a) （b)

第五章 驱动电路隔离电源分布参数影响及设计输到二次侧，而且随着分布电容 和 的增。所以，分布电容 、 和 应越小越好。通密度和高频低损耗特性，选择铁氧体材质的磁体材质的磁芯还具备较高的磁通密度和较低情况下，不用类型的磁芯，其分布参数也各不环和 EP13 号磁芯进行了部分参数实验测试，并异。
【参考文献】

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本文编号：2854045