一文解析IGBT驱动器的电流隔离

通常，以以下方式描述IGBT（绝缘栅双极晶体管）：“ IGBT是场效应晶体管和双极晶体管的组合，其中N沟道FET控制双极晶体管”。尽管这句话很好地描述了基础知识，但在高功率范围的IGBT应用中，IGBT控制电路的复杂性实际上要比控制小MOSFET时要高得多。例如，MOSFET的控制通常称为空载，因为MOSFET所需的开关电流通常可以忽略不计。

对于功率IGBT，这毫无疑问，因为控制通常需要几瓦特。此外，在这种情况下，不再容易忽略需要重新加载的内部电容，而这些电容在小型MOSFET的控制中几乎不起任何作用。

正确的，最重要的是，对IGBT的有效控制是一个复杂的过程，为此，需要将驱动器调谐至IGBT。此外，大多数现代IGBT驱动器提供保护电路和安全功能，以便在出现故障的情况下为IGBT提供保护，否则通常会导致IGBT完全损坏。

在存在较高反向电压的情况下，必须对输入电路（低压）和输出电路（高压）进行电压隔离。输出电路直接连接至高压IGBT，而输入电路则提供至控制电子设备的接口（图1）。图2显示了具有光学控制功能的2通道IGBT驱动器板。

IGBT的电隔离控制

在几乎所有IGBT应用中，控制信号和驱动器电路之间的电隔离都是必不可少的。传输电隔离的控制信号和反馈信号（错误信号）有三种可能性：

• 感应耦合
• 电容耦合
• 光学耦合

尽管很少使用电容性解决方案，但电感耦合和光耦合解决方案却被广泛使用。在中低电压的情况下经常使用光耦合器，而在较高的反向电压（> 1200 V）下使用变压器和光纤。由于在光信号传输的情况下无法传输足够的功率以用于控制电子设备和IGBT控制，因此几乎总是使用变压器解决方案进行功率传输。因此，变压器被用于传输控制和反馈信号，特别是在中高压范围内。从理论上讲，该解决方案即使在更高的电压下也适用，但是随着电压的升高，变压器的空间要求也随之提高，因此仍要考虑最小的电气间隙和爬电距离。

因此，在较高的反向电压（> 1200 V）下，光传输可以证明其优势。如图3所示，根据IEC 664-1：1992标准，在较高电压下，指定的最小距离为几厘米。这样的距离对于光纤耦合来说是非常短的环节。然而，电感耦合或什至电容耦合已经可以代表相当大的支出，并且在板上需要很大的空间。表1再次总结了每种解决方案的优缺点。

表格1。电隔离方法

光纤

在高压系统中，通常使用光纤连接来传输控制信号以及状态和错误信号。与所有其他隔离技术相比，明显的优势是理论上可以在可实现的距离内实现无限隔离。从技术上讲，通过使用波长为850nm或1310nm的多模光纤（MM）或单模光纤（SM），几公里的传输不会出现问题。但是更频繁的是，仅需要传输几英尺甚至几英寸，并且在此已证明聚合物光纤（POF）和650nm波长的传输是最佳的。使用POF不仅提供了一种经济高效的解决方案，而且与MM和SM光纤相比，使用POF更加容易处理和准备电缆。

使用光纤进行传输的另一个优点是，光传输路径完全不受电磁辐射的影响。因此，如工业环境中常见的那样，如果将纤维放置在强电磁辐射部件附近，则根本没有问题。

如果所需的隔离电压仅为几千伏，则也可以使用短连接作为替代。这些设备具有光纤连接的优点，但可以直接安装在板上，不需要任何组装。此处的间隙是机械规定的。这种短链路的一个示例是AVAGO Technology的HFBR-3810Z，如图4所示。

编辑：hfy