一种igbt驱动设计【字数：9619】
摘 要作为电力电子技术中常见的功率开关器件，IGBT发展迅猛，应用于电机控制，家用设备，开关电源等大功率领域，并逐渐贴近生活的方方面面，IGBT驱动技术的研究进步能使IGBT更广泛地被应用，带来巨大的社会和经济效益。所以设计一种能让IGBT安全可靠工作地驱动电路是非常必要的。本文通过分析IGBT背景、发展、工作原理及特性，从而对其驱动电路的原理、要求及其种类进行详细的介绍，最后选择多功能型集成驱动芯片，设计了一款基于英飞凌1ED020I12FA驱动芯片的驱动板，并具体分析了隔离电源、驱动芯片及其外围电路，绘制了电路板的原理图和PCB版图，最后达到IGBT的驱动功能并具备各项保护功能。
目 录
1.绪论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2国内外研究现状及发展趋势 1
1.3 本文工作内容 3
2. IGBT电气特性 4
2.1 IGBT的结构和工作原理 4
2.2 IGBT工作特性 5
2.2.1静态特性 5
2.2.2动态特性 6
3.IGBT驱动电路 8
3.1驱动电路设计原理 8
3.2驱动电路要求 8
3.2.1栅极驱动电压 8
3.2.2栅极电阻 9
3.2.3驱动隔离 9
3.2.4 驱动保护 9
3.3驱动电路分类与分析 9
3.3.1.分立元件驱动电路 9
3.3.2专用集成驱动电路 10
3.3.3 IPM（智能功率模块） 11
4.驱动案例设计 12
4.1无感风机中的IPM应用 12
4.2基于芯片的驱动电路板 14
4.2.1隔离电源 14
4.2.2驱动部分 18
4.2.3驱动板整体分析 20
4.2.4 PCB版图设计 21
总结与展望 23
参考文献 24
1.绪论
1.1课题研究背景及意义
能源短缺、环境污染和气候变化已经成为了我们面临的共同问题，节能减排和发展新能源是 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
解决这些问题的主要途径，功率半导体在其中起到了核心作用。随着功率半导体技术的飞速发展，电力电子技术不断进步，从而推进了功率半导体技术在高频、高温、高压、大功率方向的发展。功率开关管在电力电子装置中起着至关重要的作用，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是其中应用广泛的功率器件[]。
MOSFET管驱动功率小，输入阻抗高，开关速度快，开关频率高；BJT（双极晶体管）饱和压降低，电流密度高，IGBT将MOSFET和BJT合二为一形成了双极复合型功率器件，将两者优点集中一身从而有着优异的性能。如今半导体工艺发展迅猛，更多的低成本高性能材料被投入使用，使得IGBT制造成本下降，其优势也更为明显。目前IGBT已经在新能源发电、工业控制、机车牵引，消费电器以及电力系统的传输变换配送领域实现产业化，实现了能源的高效利用。
IGBT驱动电路是信号控制电路和IGBT模块的中转站，承担着驱动及保护IGBT模块的任务，是电力电子装置的重要部分，其性能的优劣会影响IGBT的工作状态，比如造成IGBT在高功耗状态下工作，从而影响着整个装置的工作性能。反之，如果采用性能良好的驱动电路，IGBT就能在安全状态内可靠工作，不仅能减小能量损耗，还能提高工作效率，保证装置的可靠运行。如果驱动电路设计不规范会导致无法驱动IGBT，甚至造成器件的损坏，所以设计出一款性能强大且安全可靠的IGBT驱动电路，不仅能在理论方向有所突破，在实际应用中也能带动电力电子，半导体行业的发展，带来巨大的社会效益和经济效益。
1.2国内外研究现状及发展趋势
IGBT最开始的应用并未涉及电源或高压设备，而后J. Baliga将IGBT带入电源领域并非常积极地推广它。IGBT至今经历了六代技术的发展演变，大体来说，主要从这三个方面发生演变：器件的纵横结构，栅极结构和硅片的加工工艺[]。图1.1为高压IGBT芯片技术的发展路线图。
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图1.1高压IGBT芯片技术的发展路线图
第一代商业生产的IGBT是平面栅穿通（PT）型，为了增大电压IGBT规格，采用了N型厚外层延；第二代IGBT为非穿通（NPT）型，它缩短了硅片厚度，降低了缓冲层掺杂，具有比第一代更小的几何特征；第三代IGBT通过增大MOS基板之间的间距来减少了寄生JFET效应，注重优化双极元件并抑制寄生，从而改善导通性能。随后的几代人一直在寻找能减小IGBT单元尺寸和缩短间距的方法，并试图增加封装密度来降低MOS沟道电阻，但同时又不损害双极性能。在这种情况下，沟槽技术被引入，该技术增加了MOS沟道密度，并降低了单元尺寸。如今，沟槽栅IGBT被广泛应用，因为它能提供更低的功率损耗和更高的工作电流密度。除了使用沟槽之外，通过软穿通（SPT），场截止（FS）或轻穿（LPT）技术来优化导通状态下的双极元件和瞬态也是提高IGBT器件性能的关键。
由于国外的半导体工艺水平高，所以他们对IGBT的生产应用与最新研究一致，目前国外已经掌握了最先进的第六代IGBT技术，最高能承受6.5kV的耐压。但国内半导体工艺水平与国外一流半导体加工技术存在较大差距，所以国内对于IGBT技术发展状态尴尬，只能生产到第四代NPT+沟槽型IGBT，所以很大一部分的IGBT需求受到国外牵制[]。
截止目前国内外已经有很多的IGBT驱动研究成果，其中美国、瑞士以及德国的驱动技术研发更为先进，许多大功率驱动模块技术也逐渐成熟。国内在驱动领域的研发较迟，虽然当前对小功率驱动技术较为成熟，但是对于大功率驱动模块技术与国外相比仍然有很大差距[]。
当前IGBT模块一直在向着高可靠低成本方向不断优化，这些优化设计主要是基于在安全工作区，饱和压降和关断损耗之间的平衡，这三者关系的折中需要芯片设计的优化，封装技术的改进以及驱动电路和保护电路间的优化。所以IGBT性能的提升也促使了IGBT驱动与保护电路性能的提升，其主要发展方向为：
（1）增强功率：IGBT模块性能不断提升，所以需要更高的驱动功率，驱动电路的最大输出电流需应与之保持对应增加，才能够提供足够的驱动功率。
目 录
1.绪论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2国内外研究现状及发展趋势 1
1.3 本文工作内容 3
2. IGBT电气特性 4
2.1 IGBT的结构和工作原理 4
2.2 IGBT工作特性 5
2.2.1静态特性 5
2.2.2动态特性 6
3.IGBT驱动电路 8
3.1驱动电路设计原理 8
3.2驱动电路要求 8
3.2.1栅极驱动电压 8
3.2.2栅极电阻 9
3.2.3驱动隔离 9
3.2.4 驱动保护 9
3.3驱动电路分类与分析 9
3.3.1.分立元件驱动电路 9
3.3.2专用集成驱动电路 10
3.3.3 IPM（智能功率模块） 11
4.驱动案例设计 12
4.1无感风机中的IPM应用 12
4.2基于芯片的驱动电路板 14
4.2.1隔离电源 14
4.2.2驱动部分 18
4.2.3驱动板整体分析 20
4.2.4 PCB版图设计 21
总结与展望 23
参考文献 24
1.绪论
1.1课题研究背景及意义
能源短缺、环境污染和气候变化已经成为了我们面临的共同问题，节能减排和发展新能源是 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
解决这些问题的主要途径，功率半导体在其中起到了核心作用。随着功率半导体技术的飞速发展，电力电子技术不断进步，从而推进了功率半导体技术在高频、高温、高压、大功率方向的发展。功率开关管在电力电子装置中起着至关重要的作用，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是其中应用广泛的功率器件[]。
MOSFET管驱动功率小，输入阻抗高，开关速度快，开关频率高；BJT（双极晶体管）饱和压降低，电流密度高，IGBT将MOSFET和BJT合二为一形成了双极复合型功率器件，将两者优点集中一身从而有着优异的性能。如今半导体工艺发展迅猛，更多的低成本高性能材料被投入使用，使得IGBT制造成本下降，其优势也更为明显。目前IGBT已经在新能源发电、工业控制、机车牵引，消费电器以及电力系统的传输变换配送领域实现产业化，实现了能源的高效利用。
IGBT驱动电路是信号控制电路和IGBT模块的中转站，承担着驱动及保护IGBT模块的任务，是电力电子装置的重要部分，其性能的优劣会影响IGBT的工作状态，比如造成IGBT在高功耗状态下工作，从而影响着整个装置的工作性能。反之，如果采用性能良好的驱动电路，IGBT就能在安全状态内可靠工作，不仅能减小能量损耗，还能提高工作效率，保证装置的可靠运行。如果驱动电路设计不规范会导致无法驱动IGBT，甚至造成器件的损坏，所以设计出一款性能强大且安全可靠的IGBT驱动电路，不仅能在理论方向有所突破，在实际应用中也能带动电力电子，半导体行业的发展，带来巨大的社会效益和经济效益。
1.2国内外研究现状及发展趋势
IGBT最开始的应用并未涉及电源或高压设备，而后J. Baliga将IGBT带入电源领域并非常积极地推广它。IGBT至今经历了六代技术的发展演变，大体来说，主要从这三个方面发生演变：器件的纵横结构，栅极结构和硅片的加工工艺[]。图1.1为高压IGBT芯片技术的发展路线图。
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图1.1高压IGBT芯片技术的发展路线图
第一代商业生产的IGBT是平面栅穿通（PT）型，为了增大电压IGBT规格，采用了N型厚外层延；第二代IGBT为非穿通（NPT）型，它缩短了硅片厚度，降低了缓冲层掺杂，具有比第一代更小的几何特征；第三代IGBT通过增大MOS基板之间的间距来减少了寄生JFET效应，注重优化双极元件并抑制寄生，从而改善导通性能。随后的几代人一直在寻找能减小IGBT单元尺寸和缩短间距的方法，并试图增加封装密度来降低MOS沟道电阻，但同时又不损害双极性能。在这种情况下，沟槽技术被引入，该技术增加了MOS沟道密度，并降低了单元尺寸。如今，沟槽栅IGBT被广泛应用，因为它能提供更低的功率损耗和更高的工作电流密度。除了使用沟槽之外，通过软穿通（SPT），场截止（FS）或轻穿（LPT）技术来优化导通状态下的双极元件和瞬态也是提高IGBT器件性能的关键。
由于国外的半导体工艺水平高，所以他们对IGBT的生产应用与最新研究一致，目前国外已经掌握了最先进的第六代IGBT技术，最高能承受6.5kV的耐压。但国内半导体工艺水平与国外一流半导体加工技术存在较大差距，所以国内对于IGBT技术发展状态尴尬，只能生产到第四代NPT+沟槽型IGBT，所以很大一部分的IGBT需求受到国外牵制[]。
截止目前国内外已经有很多的IGBT驱动研究成果，其中美国、瑞士以及德国的驱动技术研发更为先进，许多大功率驱动模块技术也逐渐成熟。国内在驱动领域的研发较迟，虽然当前对小功率驱动技术较为成熟，但是对于大功率驱动模块技术与国外相比仍然有很大差距[]。
当前IGBT模块一直在向着高可靠低成本方向不断优化，这些优化设计主要是基于在安全工作区，饱和压降和关断损耗之间的平衡，这三者关系的折中需要芯片设计的优化，封装技术的改进以及驱动电路和保护电路间的优化。所以IGBT性能的提升也促使了IGBT驱动与保护电路性能的提升，其主要发展方向为：
（1）增强功率：IGBT模块性能不断提升，所以需要更高的驱动功率，驱动电路的最大输出电流需应与之保持对应增加，才能够提供足够的驱动功率。
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