电力电子学一文弄懂IGBT驱动

发布时间 : 2024-11-25

作者 : 小编

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一文弄懂IGBT驱动

我们都知道，电机驱动是IGBT的主要应用领域之一。

有的同学可能会有这样的困惑：

“IGBT本来就是驱动电机的，为什么它自己还需要一个驱动？IGBT驱动到底是做什么的？”

这个问题说来简单，就像《极简电力电子学》中所说：“IGBT本质上就是一个电子开关，就好比你家里墙上的开关，按一下，开关闭合，电灯亮起；再按一下，电灯熄灭。

当然，操作IGBT，不再是手，而是电子脉冲。高电平来临时，器件开通；低电平来临时，器件就关断。手动操作开关，可能一秒钟一两次，而我们的电子开关，一秒钟可以开关上万次，几十万次。

那么这时候问题来了：控制IGBT电子脉冲从哪儿来？

有的同学要举手了：我知道我知道！控制脉冲可以从MCU来！

非常棒！你都会抢答了！

MCU就像我们的大脑，它控制我们身体的一举一动。但它发出的神经元信号非常微弱，根本无法按动开关。所以大脑需要把这个信号传送给手，由手部肌肉运动来产生一定的力量，摁下开关。IGBT的驱动就是控制IGBT的、灵巧又有力量的“手”。

那么，信号从MCU到IGBT驱动芯片，中间都经历了什么？

首先

MCU的输出电流是mA级别，而IGBT需要的驱动电流可能达到几安培。IGBT驱动要完成的首要任务，就是作为一个放大器，放大电流。

其次

MCU输出电平一般是3.3V，而IGBT一般的驱动电压要达到15V。IGBT驱动需要把3.3V信号转成15V信号。而且这个15V，不是一般的15V。IGBT一般工作在桥式电路中。桥式电路会承受母线电压。当电路不开关时，桥式电路的中点会承受一半的母线电压；在上管开通时，中点电位与母线电压相同。

这时上管IGBT驱动的工作，就是要在几百伏或上千伏的母线电压基础之上，再生成一个15V的电压信号来。好比说MCU提供了一颗长在地上的小树苗，IGBT驱动的工作不光是要把小树苗变成大树，还要把它移植到高山上去。听起来是不是很厉害！

最后

MCU 在低压侧，其供电电压一般为5V。IGBT在高压侧，母线电压可达几千伏。因为低压侧会有人机接口，所以绝对不能让高压侧高电压流窜到低压侧，给人体造成伤害！有的时候，IGBT驱动需要有一定的电气隔离能力，做为低压侧和高压侧之间的屏障，防止副边高压对原边操作的人体造成伤害。如果IGBT驱动不具有绝缘能力的话，绝缘屏障就要加在MCU与人机接口之间。

能完成以上功能的驱动，我们称之为紧凑型驱动。比如英飞凌1ED X3 compact系列：

在有些应用场景下，驱动要提供丰富的保护功能。首先，驱动器要长出一双“眼睛”（故障检测），观察“电灯”（负载）或者“开关”（IGBT）运行是否正常。如果负载有异常，故障检测立刻发送信号给“大脑”MCU，MCU发指令给IGBT驱动，IGBT驱动关闭功率器件，避免炸机。我们把具有保护功能的IGBT驱动IC称为增强型驱动。IGBT驱动的保护功能包括欠压关断、短路保护、过压保护、过温保护、米勒钳位、软关断等。

这一类驱动，我们称之为增强型驱动芯片，代表产品有英飞凌1ED34x1MC12M：

英飞凌提供完整的功率器件+驱动芯片解决方案。

英飞凌驱动芯片技术有两类：非隔离型和隔离型。非隔离型的驱动，使用的是level-shift电平转移技术，顾名思义，它能把平地上的“小树苗”移植到高山上去，但不具有绝缘能力。其中，SOI是一种特别的level-shift技术，它在绝缘的二氧化硅层上制作晶体管，杜绝了漏电流的产生，从而使驱动芯片具有很强的抗负压能力。

隔离型的驱动，既能完成电平转换，也具有原副边电气隔离的能力。市面上常见的隔离技术有光隔离，磁隔离，容性隔离。英飞凌隔离型驱动采用的是磁隔离技术，它使用两个线圈分别作为原边和副边的信号接收器，二氧化硅作为中间的绝缘层，又叫做无磁芯变压器技术。

说到这里，不知道大家有没有发现一个有趣的现象，整个电力系统就像是一个层层放大的套娃：MCU发出的mA级微弱信号，经IGBT驱动芯片放大到几安培，驱动芯片后面可能还有一个booster电路将驱动电流放大到十几安培，这个电流再经过IGBT，可以放大到几百安甚至几千安的，从而举起矿石，升起电梯，驱动高铁。IGBT驱动是整个系统中至关重要的一环。

刚刚接触IGBT驱动芯片的小伙伴，面对琳琅满目的IC型号难免眼花缭乱。其实选择合适的IGBT驱动芯片非常简单，英飞凌有在线的驱动IC选择工具，只需要输入系统的电压、电流、绝缘等级等简单信息，工具就会推送合适的产品了。

电工基础篇：什么是电力电子技术？

本篇小编是小编开展关于电工基础篇的第一节，后期小编将每天的文章分为两类，第一类分为两篇，都是关于电工技术问题解答的，第三篇是梳理电工基础篇的内容，帮助新手电工逐渐成长。

电力的概念

可以认为，所谓电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。电力电子技术中所变换的“电力” 有区别于“电力系统”所指的“电力” ，后者特指电力网的“电力” ，前者则更一般些。电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础。变流技术则是电力电子技术的核心。

电力电子学

美国学者W. Newell认为电力电子学是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。

电力电子学的倒三角形

电力电子技术和电子学

电力电子器件的制造技术和用于信息变换的电子器件制造技术的理论基础（都是基于半导体理论）是一样的，其大多数工艺也是相同的。电力电子电路和信息电子电路的许多分析方法也是一致的。

电力电子技术和电力学

电力电子技术广泛用于电气工程中，这是电力电子学和电力学的主要关系。各种电力电子装置广泛应用于高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等之中，因此，无论是国内国外，通常都把电力电子技术归属于电气工程学科。在我国，电力电子与电力传动是电气工程的一个二级学科。下图用两个三角形对电气工程进行了描述。其中大三角形描述了电气工程一级学科和其他学科的关系，小三角形则描述了电气工程一级学科内各二级学科的关系。

电气工程的双三角形描述

电力电子技术和控制理论

控制理论广泛用于电力电子技术中，它使电力电子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种需求。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口。而控制理论则是实现这种接口的一条强有力的纽带。

另外，控制理论是自动化技术的理论基础，二者密不可分，而电力电子装置则是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。