采用2SD315AI-33模塊實(shí)現(xiàn)高性能的IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

1、引言

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），絕緣柵雙極型功率管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式電力電子器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大；MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低，從而成為當(dāng)今電力電子行業(yè)的首選器件。

電力電子器件的發(fā)展水平在很大程度上決定了電力電子產(chǎn)品的發(fā)展水平，而目前電力電子器件受電壓、電流水平的限制成為電力電子及電氣傳動(dòng)行業(yè)發(fā)展的瓶頸，而 IGBT則是其中一例。在現(xiàn)有的IGBT技術(shù)水平上如何能夠使其發(fā)揮最大功能，這是主要而又關(guān)鍵的問題，除了合理的軟件控制方法外，無疑IGBT的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路是又一重要環(huán)節(jié)。目前，IGBT的控制保護(hù)電路很多，但在集成度，可靠性等方面還不夠完善，本文就此在介紹IGBT基本性能的基礎(chǔ)上介紹一種基于 CONCEPT公司的2SD315模塊的IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路。

2、IGBT特性及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

本文以eupec公司型號(hào)為FF450R17ME3的IGBT為例進(jìn)行說明。通過查找其技術(shù)手冊(cè)可得：在其節(jié)溫為125℃，器件集電極與發(fā)射級(jí)間壓降為 UCE=900V,門極驅(qū)動(dòng)電壓UGE=±15V,IC=450A,限流電阻RG=3.3Ω時(shí)Tdon=100ns,Tdoff=1000ns.但在門極電阻RG不同時(shí)，其開關(guān)速度也是不同的，當(dāng)RG小時(shí)，其與門極電容的時(shí)間常數(shù)短，使IGBT深度飽和導(dǎo)通的時(shí)間短，反之則長。而IGBT得開關(guān)速度直接影響系統(tǒng)效率，但是考慮到di/dt與du/dt對(duì)IGBT本身的副作用，又不能使限流電阻過小。一般限流電阻的選擇可參照以下公式：

式中 UCN、ICN分別為IGBT額定電壓、額定電流。

圖1為FF450R17ME3管壓降與電流關(guān)系曲線，由圖可見當(dāng)加在門極驅(qū)動(dòng)電壓小于12V時(shí)，開通曲線電流上升到一定值時(shí)，其管壓降急劇上升，雖然在 12V時(shí)可以使IGBT開通，但期間開通損耗比較大。在8V、9V、10V時(shí)，電流達(dá)到一定值，管壓降呈直線上升，期間通電流能力已經(jīng)達(dá)到極限。由此綜合考慮門極驅(qū)動(dòng)電壓應(yīng)大于12V,在工程實(shí)際當(dāng)中一般選擇15V,考慮有較快的關(guān)斷速度，提高抗干擾能力等方面，應(yīng)加-10~-15V的反偏電壓。驅(qū)動(dòng)電路除考慮以上問題外，還需考慮驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離，驅(qū)動(dòng)電源的隔離，控制部分與主回路部分的隔離。以及各開關(guān)信號(hào)之間有無互鎖和死區(qū)控制等。

圖1 FF450R17ME3管壓降與電流關(guān)系曲線

3、IGBT 保護(hù)電路

IGBT損壞的原因一般有過流、過壓、過熱3個(gè)方面。過壓又分集電極發(fā)射極過壓，門極發(fā)射極過壓。在過流保護(hù)方面。很多生產(chǎn)廠家的技術(shù)資料表明：IGBT 短時(shí)間最大可承受兩倍的額定電流。但是經(jīng)常承受過電流會(huì)使器件過早老化。從圖3可以發(fā)現(xiàn)。如門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅值為15V,當(dāng)IGBT通過450A的額定電流時(shí)，管壓降大約為2.4V.根據(jù)這一特性，可以設(shè)計(jì)出IGBT過流保護(hù)電路。

圖2 2SD315典型保護(hù)電路

如圖2所示為2SD315典型的保護(hù)電路，按照該電路的結(jié)構(gòu)，對(duì)參數(shù)的配置予以計(jì)算。由圖可見，當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，VT1導(dǎo)通比較器同相端為0,此時(shí) 150μA電流經(jīng)過Rth在比較器反相端形成一個(gè)基準(zhǔn)電位，此時(shí)比較器輸出為低電平。當(dāng)IGBT開通時(shí)，VT1關(guān)斷，此時(shí)基準(zhǔn)電位依然存在，1.4mA電流經(jīng)過電容Ca延時(shí)后經(jīng)過電阻Rm、VDM1、VDM2、IGBT后進(jìn)入?yún)⒖嫉?。因而在比較器的同相端形成一個(gè)點(diǎn)位，其幅值由電阻Rm壓降URm,二極管 VDM1、VDM2壓降UD以及IGBT壓降UCE共同決定，而URm、UD為確定值，所以在比較器同相端的電位就決定于UCE.

由圖1可知在某一確定型號(hào)的IGBT,通態(tài)條件下其兩端電壓與通過的電流有一定的曲線關(guān)系。流過IGBT的電流增大，IGBT兩端電壓UCE也隨之增大，當(dāng)UCE增大到使比較器同相端電位高于反相端電位時(shí)，比較器輸出翻轉(zhuǎn)，從而封鎖IGBT驅(qū)動(dòng)脈沖。電路參數(shù)可按如下計(jì)算：

由于IGBT可以短時(shí)承受兩倍額定電流，所以在實(shí)際應(yīng)用中可以適當(dāng)選取。在IGBT導(dǎo)通的瞬間，IGBT兩端電壓UCE不會(huì)立刻進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，而是由一個(gè)短時(shí)的過渡過程，在這個(gè)階段IGBT保護(hù)電路會(huì)發(fā)出錯(cuò)誤的檢測(cè)信號(hào)。當(dāng)加電容Ca延時(shí)后，IGBT保護(hù)電路就能夠躲過這一過渡過程，實(shí)現(xiàn)正確的保護(hù)功能。而且此電容還能夠在一定程度上濾掉UCE上的外界干擾信號(hào)，減少了保護(hù)誤動(dòng)的發(fā)生率。Ca的參數(shù)計(jì)算如下：

4、2SD315AI-33簡(jiǎn)介及應(yīng)用

圖3 2SD315AI-33外形圖

4.1 2SD315AI-33是瑞士CONCEPT公司專為3300V高壓IGBT的可靠工作和安全運(yùn)行而設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)模塊，它以專用芯片組為基礎(chǔ)、外加必需的其它元件組成。該模塊采用脈沖變壓器隔離方式，能同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)IGBT模塊，可提供±15V的驅(qū)動(dòng)電壓和±15A的峰值電流，具有準(zhǔn)確可靠的驅(qū)動(dòng)功能與靈活可調(diào)的過流保護(hù)功能，同時(shí)可對(duì)電源電壓進(jìn)行欠壓檢測(cè)，工作頻率可達(dá)兆赫茲以上，電氣隔離可達(dá)到6000VAC.

圖4 2SD315AI-33功能框圖

圖3為2SD315AI-33外形尺寸圖，圖4為2SD315AI-33功能框圖，它主要由DC/DC轉(zhuǎn)換電路、輸入處理電路、驅(qū)動(dòng)輸出及邏輯保護(hù)電路組成。DC /D C 轉(zhuǎn)換電路的功能是將輸人部分與工作部分進(jìn)行隔離。而其輸入處理電路由LDIO01及其外圍電路組成。由于控制電路產(chǎn)生的PWM信號(hào)不能直接通過脈沖變壓器，尤其是當(dāng)脈沖信號(hào)的頻率和占空比變化較大時(shí)，尤為困難。LDI001就是專門為此而設(shè)計(jì)的，此專用集成芯片的功能主要是對(duì)輸人的PWM信號(hào)進(jìn)行編碼，以使之可通過脈沖變壓器進(jìn)行傳輸。由于該器件內(nèi)部帶有施密特觸發(fā)器，因此對(duì)輸人端信號(hào)無特殊的邊沿陡度要求，并能提供準(zhǔn)靜態(tài)的狀態(tài)信號(hào)反饋。將其設(shè)計(jì)為集電極開路方式，可以適應(yīng)任何電平邏輯，并可直接產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間。以上優(yōu)點(diǎn)使得接口既易用又靈活，從而省去了其它專用電路所必需的許多外圍器件。驅(qū)動(dòng) 輸 出及邏輯保護(hù)電路的核心芯片是IGDOOI.它將變壓器接口、過流短路保護(hù)、阻斷邏輯生成、反饋狀態(tài)記錄、供電監(jiān)視和輸出階段識(shí)別等功能都已集成在一起。每個(gè)IGD用于一個(gè)通道，其具體功能是對(duì)脈沖變壓器傳來的PWM信號(hào)進(jìn)行解碼，對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行功率放大，對(duì)IGBT的短路、過流及電源的欠壓檢測(cè)保護(hù)，并向LDI反饋狀態(tài)，以產(chǎn)生短路保護(hù)的響應(yīng)時(shí)間和阻斷時(shí)間等。

4.2 實(shí)際應(yīng)用電路如圖5所示：

圖5 2SD315AI-33實(shí)際應(yīng)用電路

4.3 實(shí)驗(yàn)波形

圖6為用本文的方法設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用在三電平變頻器中的門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形。

5 總結(jié)

對(duì)于正確使用IGBT,除了添加必要的吸收電路外，設(shè)計(jì)好一套良好的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路是尤為關(guān)鍵的。在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路之前，必須仔細(xì)研究開關(guān)器件的關(guān)鍵外部特性，這對(duì)于正確設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路是至關(guān)重要的。本文就是在分析器件的IGBT過渡過程等特性的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的一套驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，借助于2SD315AI- 33模塊的高集成性、高可靠性，從而使整體電路達(dá)到一個(gè)高的使用性能。