利用2SD315AI設計的驅(qū)動大功率IGBT原理

引言

IGBT常用的驅(qū)動模塊有TLP250，以及EXB841/840系列的驅(qū)動模塊。但在燃料電池城市客車DC/DC變換器的研制過程中發(fā)現(xiàn)，由于車載DC/DC變換器常常工作在大功率或超大功率的狀態(tài)中，而處在這種狀態(tài)下的IGBT瞬時驅(qū)動電流大，要求可靠性要高，使得傳統(tǒng)的驅(qū)動電路已經(jīng)不能滿足其使用要求，經(jīng)過研究分析，選用瑞士CONCEPT公司生產(chǎn)的用于驅(qū)動和保護IGBT或功率MOSFET的專用集成驅(qū)動模塊2SD315A作為大功率IGBT(800A/1200V)的驅(qū)動器件，該驅(qū)動器集成了智能驅(qū)動、自檢、狀態(tài)反饋、DC/DC電源及控制部分與功率部分完全隔離等功能于一體。經(jīng)過車載90kW DC/DC變換器實際道路工況運行實驗表明，效果良好。

?IGBT的驅(qū)動要求

IGBT的驅(qū)動要求與其靜態(tài)和動態(tài)特性密切相關，即柵極的正偏壓、負偏壓和柵極電阻的大小，對IGBT的通態(tài)電壓、開關時間、開關損耗、承受短路能力、開關管C、E極問電壓的變換率等都有不同程度的影響。其開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP晶體管提供基極電流，使IGBT導通。反之，加反向柵極電壓消除溝道，流過反向基極電流，使IGBT關斷。根據(jù)這樣的特性，針對它的驅(qū)動電路應該滿足：

·IGBT是電壓型驅(qū)動，具有2.5～5V的閾值電壓，有一個容性輸入阻抗，因此，IGBT對柵極電荷非常敏感，需要有一條低阻抗值的放電回路，即驅(qū)動電路與IGBT的連線要盡量短。

·用內(nèi)阻小的驅(qū)動源對柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓Vge有足夠陡的前后沿，使IGBT的開關損耗盡量小。另外，IGBT開通后，柵極驅(qū)動源應能夠提供足夠的功率使IGBT
處于飽和狀態(tài)，否則IGBT容易遭到損壞。

·當驅(qū)動電平+Vge增大時，IGBT通態(tài)壓降和開關損耗均下降，但負載短路時的Ic增
大，IGBT能承受短路電流的時間減小，對其安全不利。

·在關斷過程中，為盡快抽取PNP管的存儲電荷，須施加一負偏Vge，但它受IGBT的G、
E間最大反向耐壓限制。

·IGBT的柵極驅(qū)動電路應簡單實用，最好自身帶有對IGBT的保護功能，有較強的抗干
擾能力。

·由于IGBT在電力電子設備中多用于高壓場合，故驅(qū)動電路與控制電路在電位上應嚴
格隔離。

2SD315A驅(qū)動模塊

2SD315A模塊能夠驅(qū)動1200A/1200V的IGBT，DC的開關頻率高于100kHz，可通過±15A的門極電流，實現(xiàn)0-100％的占空比調(diào)節(jié)。此外，具有完善的對于電源、電流的狀態(tài)監(jiān)測從而實現(xiàn)對于模塊以及功率開關管的保護；該驅(qū)動模塊分為接口單元、電氣隔離、驅(qū)動單元等幾個部分，每個驅(qū)動通道都把控制回路和主功率回路進行了電氣隔離，如圖1所示。

驅(qū)動模塊的驅(qū)動能力及保護性能是人們較為關心的問題，以下是應用當中的幾點體會：

·由于IGBT的柵極有很高的輸入阻抗，因此在無柵極放電回路的情況下，其柵極易積累電荷，并且柵極氧化層很脆弱，僅能承受±20V的耐壓，容易造成柵源極問的擊穿，使IGBT損壞，在實際電路中采用了±15V的柵源偏壓，從而提高了IGBT的短路耐量。

·為改善控制脈沖的前后沿陡度和防止振蕩，減小IGBT集電極大的電壓尖脈沖，根據(jù)該模塊的使用手冊合理選擇柵極的串聯(lián)電阻，既可獲得良好的驅(qū)動脈沖，又控制了IGBT通斷狀態(tài)變化的過渡時間。

·用外接的電阻Rth來定義功率管導通時的管壓降，當大于定義的最大管壓降時，監(jiān)測電路便輸出故障報警信號，并關斷功率管，從而保護了IGBT。

·當給驅(qū)動模塊供電的電源電壓過低時，則會影響驅(qū)動電路的可靠性，監(jiān)控電路便向模塊
內(nèi)部發(fā)送故障信號，使整個模塊處于封鎖狀態(tài)，保護了系統(tǒng)的安全。這里，模塊的工作狀態(tài)是由模塊上的兩路SO輸出引腳的電平所表示，并經(jīng)過邏輯關系接入到保護電路中實現(xiàn)狀態(tài)檢測。

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應用實例

該驅(qū)動模塊有兩種工作方式：直接方式和半橋方式。當驅(qū)動器工作在直接方式時，驅(qū)動器的驅(qū)動通道之間沒有聯(lián)系，兩個通道總是同時被驅(qū)動。而在半橋方式下，MOD輸入端接GND，InA輸入PWM信號，InB輸入使能信號(高電平有效，低電平將所有通道封鎖)。由于兩個狀態(tài)輸出端SO1和SO2接在一起，所以兩個驅(qū)動通道輸出同一故障信號。死區(qū)時間是由模塊上RC1和RC2的外接電路來確定，使驅(qū)動的兩路輸出信號不會同時為高電平。

利用2SD315A驅(qū)動高功率密度IGBT需要注意以下幾點：

·工作模式MOD的設置和參考電阻Rth的選擇是正確使用該驅(qū)動模塊的前提，需要注意
在半橋工作模式下死區(qū)時間的設置以及Rth大小與功率開關管型號的匹配關系。

·合適的柵極電阻Rg對與IGBT的驅(qū)動非常重要。Rg太大，會使IGBT通斷狀態(tài)變化的過渡過程時間延長，能耗增加；但Rg太小，會使di/dt增大，可能引起門極電壓振蕩，造成觸
發(fā)誤導通，嚴重時可能會損壞IGBT。通過以下公式確定Rg可選擇的最小值：

其中△U為柵極正反向偏置電壓之差；Ig(max)為驅(qū)動電路所能提供的最大電流。

·注意驅(qū)動模塊與主功率開關管之間的布線。柵極驅(qū)動布線對防止?jié)撛诘恼袷帯p慢門極電壓的上升、減少噪聲損耗、降低門極電源電壓或減少門極保護電路的動作次數(shù)有很大的影響。因此，應盡量減小驅(qū)動器的輸出級和IGBT之間的距離，并用絞線傳遞驅(qū)動信號。

2SD315A驅(qū)動模塊設定在直接模式下，引腳MOD直接接+15V電源；參考電阻選用47kΩ；柵極驅(qū)動電阻選用2Ω；得到該驅(qū)動模塊應用電路如圖2所示。

圖中S1、S2表示EUPEC的兩只800A/1200V IGBT，圖3為試驗中得到的主功率開關管的驅(qū)動波形。由波形的形狀和幅度可以判斷出，IGBT工作正常。

由圖3可以看出，波形的上升、下降沿均較陡峭，從IGBT關斷到開通不到1個微秒，極大的減小了開關損耗；該模塊能向IGBT提供合適的正向柵源電壓，并可靠關斷；這些對IGBT的正常工作均提供了重要的保證。此外，在實驗中發(fā)現(xiàn)，為了得到更平直的正負向波形，可在模塊的COMx和Visox引腳兩端并聯(lián)適當電容進行調(diào)整。

燃料電池城市客車行駛在諸如啟動、變速、剎車等多種路況下時，其車用大功率DC/DC內(nèi)的IGBT(800A/1200V)常常處在300～400V高壓，或在極短時間內(nèi)(≤200ms)承受近300A大電流的場合下，功率輸出達幾十千瓦到上百千瓦不等，與之配合使用的2SD315A隔離式驅(qū)動模塊，在實際的城市道路工況進行運行試驗中，完全滿足了不同路況下對于功率需求的驅(qū)動要求，已經(jīng)安全無故障行駛總里程超過四萬公里，是一款性能優(yōu)良的大功率驅(qū)動模塊。