采用2SD315AI-33模塊實現(xiàn)高性能的IGBT驅(qū)動保護電路的設計

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（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅(qū)動式電力電子器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大；MOSFET驅(qū)動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低，從而成為當今電力電子行業(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技術水平上如何能夠使其發(fā)揮最大功能，這是主要而又關鍵的問題，除了合理的軟件控制方法外，無疑IGBT的驅(qū)動保護電路是又一重要環(huán)節(jié)。目前，IGBT的控制保護電路很多，但在集成度，可靠性等方面還不夠完善，本文就此在介紹IGBT基本性能的基礎上介紹一種基于 CONCEPT公司的2SD315模塊的IGBT驅(qū)動保護電路。

2、IGBT特性及驅(qū)動設計

本文以eupec公司型號為FF450R17ME3的IGBT為例進行說明。通過查找其技術手冊可得：在其節(jié)溫為125℃，器件集電極與發(fā)射級間壓降為 UCE=900V,門極驅(qū)動電壓UGE=±15V,IC=450A,限流電阻RG=3.3Ω時Tdon=100ns,Tdoff=1000ns.但在門極電阻RG不同時，其開關速度也是不同的，當RG小時，其與門極電容的時間常數(shù)短，使IGBT深度飽和導通的時間短，反之則長。而IGBT得開關速度直接影響系統(tǒng)效率，但是考慮到di/dt與du/dt對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管壓降與電流關系曲線，由圖可見當加在門極驅(qū)動電壓小于12V時，開通曲線電流上升到一定值時，其管壓降急劇上升，雖然在 12V時可以使IGBT開通，但期間開通損耗比較大。在8V、9V、10V時，電流達到一定值，管壓降呈直線上升，期間通電流能力已經(jīng)達到極限。由此綜合考慮門極驅(qū)動電壓應大于12V,在工程實際當中一般選擇15V,考慮有較快的關斷速度，提高抗干擾能力等方面，應加-10~-15V的反偏電壓。驅(qū)動電路除考慮以上問題外，還需考慮驅(qū)動信號的隔離，驅(qū)動電源的隔離，控制部分與主回路部分的隔離。以及各開關信號之間有無互鎖和死區(qū)控制等。

圖1 FF450R17ME3管壓降與電流關系曲線

3、IGBT 保護電路

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

圖2 2SD315典型保護電路

如圖2所示為2SD315典型的保護電路，按照該電路的結(jié)構(gòu)，對參數(shù)的配置予以計算。由圖可見，當IGBT關斷時，VT1導通比較器同相端為0,此時 150μA電流經(jīng)過Rth在比較器反相端形成一個基準電位，此時比較器輸出為低電平。當IGBT開通時，VT1關斷，此時基準電位依然存在，1.4mA電流經(jīng)過電容Ca延時后經(jīng)過電阻Rm、VDM1、VDM2、IGBT后進入?yún)⒖嫉亍Ｒ蚨诒容^器的同相端形成一個點位，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系。流過IGBT的電流增大，IGBT兩端電壓UCE也隨之增大，當UCE增大到使比較器同相端電位高于反相端電位時，比較器輸出翻轉(zhuǎn)，從而封鎖IGBT驅(qū)動脈沖。電路參數(shù)可按如下計算：

由于IGBT可以短時承受兩倍額定電流，所以在實際應用中可以適當選取。在IGBT導通的瞬間，IGBT兩端電壓UCE不會立刻進入穩(wěn)態(tài)，而是由一個短時的過渡過程，在這個階段IGBT保護電路會發(fā)出錯誤的檢測信號。當加電容Ca延時后，IGBT保護電路就能夠躲過這一過渡過程，實現(xiàn)正確的保護功能。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，減少了保護誤動的發(fā)生率。Ca的參數(shù)計算如下：

4、2SD315AI-33簡介及應用

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行而設計的驅(qū)動模塊，它以專用芯片組為基礎、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，能同時驅(qū)動兩個IGBT模塊，可提供±15V的驅(qū)動電壓和±15A的峰值電流，具有準確可靠的驅(qū)動功能與靈活可調(diào)的過流保護功能，同時可對電源電壓進行欠壓檢測，工作頻率可達兆赫茲以上，電氣隔離可達到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)動輸出及邏輯保護電路組成。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信號不能直接通過脈沖變壓器，尤其是當脈沖信號的頻率和占空比變化較大時，尤為困難。LDI001就是專門為此而設計的，此專用集成芯片的功能主要是對輸人的PWM信號進行編碼，以使之可通過脈沖變壓器進行傳輸。由于該器件內(nèi)部帶有施密特觸發(fā)器，因此對輸人端信號無特殊的邊沿陡度要求，并能提供準靜態(tài)的狀態(tài)信號反饋。將其設計為集電極開路方式，可以適應任何電平邏輯，并可直接產(chǎn)生死區(qū)時間。以上優(yōu)點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 輸 出及邏輯保護電路的核心芯片是IGDOOI.它將變壓器接口、過流短路保護、阻斷邏輯生成、反饋狀態(tài)記錄、供電監(jiān)視和輸出階段識別等功能都已集成在一起。每個IGD用于一個通道，其具體功能是對脈沖變壓器傳來的PWM信號進行解碼，對PWM信號進行功率放大，對IGBT的短路、過流及電源的欠壓檢測保護，并向LDI反饋狀態(tài)，以產(chǎn)生短路保護的響應時間和阻斷時間等。

4.2 實際應用電路如圖5所示：

圖5 2SD315AI-33實際應用電路

4.3 實驗波形

圖6為用本文的方法設計的驅(qū)動電路應用在三電平變頻器中的門極驅(qū)動信號波形。

5 總結(jié)

對于正確使用IGBT,除了添加必要的吸收電路外，設計好一套良好的驅(qū)動保護電路是尤為關鍵的。在設計驅(qū)動保護電路之前，必須仔細研究開關器件的關鍵外部特性，這對于正確設計驅(qū)動保護電路是至關重要的。本文就是在分析器件的IGBT過渡過程等特性的基礎上設計的一套驅(qū)動保護電路，借助于2SD315AI- 33模塊的高集成性、高可靠性，從而使整體電路達到一個高的使用性能。