基于2SD106的IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用

引言

IGBT驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)鍵是驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)，良好的驅(qū)動(dòng)電路必須保證IGBT的開關(guān)損耗量盡可能小。在IGBT承受短路電流時(shí)，如能實(shí)現(xiàn)可靠關(guān)斷，則可以保護(hù)IGBT。

由于大功率的IGBT模塊在開通關(guān)斷時(shí)，需要瞬間大電流。本系統(tǒng)選擇2SD106AI-17作為驅(qū)動(dòng)模塊，該模塊驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)峰值電流達(dá)到6A，隔離能力強(qiáng)，具有完善靈活的保護(hù)電路。

本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用在混合動(dòng)力汽車的異步電機(jī)的逆變器系統(tǒng)中，三相全橋逆變器選用IGBT型號(hào)為UPEC的FF400R12KE3，考慮到開關(guān)頻率高和逆變器空間等因素的限制，最終采用CONCEPT公司的驅(qū)動(dòng)模塊2SD106AI-17。在實(shí)際運(yùn)行中，該模塊具有較好的驅(qū)動(dòng)能力和較強(qiáng)的可靠性。

2SD106AI-17驅(qū)動(dòng)模塊簡(jiǎn)介

2SD106AI-17是瑞士CONCEPT公司生產(chǎn)的SCALE系列驅(qū)動(dòng)模塊之一，是驅(qū)動(dòng)大功率IGBT和MOSFET專用模塊，內(nèi)部集成了短路和過流保護(hù)電路、欠壓監(jiān)測(cè)電路。該SCALE驅(qū)動(dòng)板采用ASIC設(shè)計(jì)，僅用15V電源驅(qū)動(dòng)，開關(guān)頻率可大于100kHz，具有高可靠性和使用壽命長等特性。它有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輸出通道，可以選擇兩種不同的工作模式，適合兩個(gè)單管和半橋驅(qū)動(dòng)，曾獲得1998年度ABB優(yōu)秀電力電子項(xiàng)目稱號(hào)。

2SD106AI-17跟其他型號(hào)的SCALE系列驅(qū)動(dòng)模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)差不多，都是由電子接口LDI 、智能柵極驅(qū)動(dòng)IGD和15V D C/DC電源組成，其方框圖如圖１所示。當(dāng)外部輸入PWM信號(hào)后，由LDI進(jìn)行編碼處理，為保證信號(hào)不受外界條件的干擾，處理過的信號(hào)在進(jìn)入IGD前需用高頻隔離變壓器進(jìn)行電氣隔離。從隔離變壓器另一側(cè)接收到的信號(hào)首先在IGD單元進(jìn)行解碼，并把解碼后的PWM信號(hào)進(jìn)行放大（±15V/±15A），以驅(qū)動(dòng)外接大功率IGBT。當(dāng)智能門極驅(qū)動(dòng)單元IGD內(nèi)的保護(hù)電路檢測(cè)到IGBT發(fā)生過流和短路故障時(shí) ，由封鎖時(shí)間邏輯電路和狀態(tài)確認(rèn)電路產(chǎn)生相應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間和封鎖時(shí)間，并把此時(shí)的狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行編碼送到邏輯控制單元LDI。LDI單元對(duì)傳送來的IGBT工作狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行解碼處理，使之在控制回路中得以處理 。為防止2SD106AI-17的兩路輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)相互干擾，由DC/DC轉(zhuǎn)換器提供彼此隔離的電源供電。同時(shí)，還提供了電源監(jiān)測(cè)電路，當(dāng)控制電源電壓低于10~11V時(shí)，模塊會(huì)自動(dòng)把IGBT封鎖，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤信號(hào)。

圖1 SCALE驅(qū)動(dòng)模塊的內(nèi)部原理圖(略)

驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

圖2為2SD106AI-17的典型驅(qū)動(dòng)電路，下面詳細(xì)介紹驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)過程。

圖2 2SD106AI-17的驅(qū)動(dòng)電路(略)

2SD106AI-17的工作模式選擇

2SD106AI-17有兩種工作模式，分別是直接模式和半橋模式。前者是兩路IGBT獨(dú)立工作，可用于已經(jīng)產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間的PWM信號(hào)的驅(qū)動(dòng)；后者是驅(qū)動(dòng)板上自動(dòng)產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間，兩路IGBT協(xié)調(diào)工作。在這個(gè)電路中，把Mod端接地，使SCALE處于半橋模式，InA為PWM輸入端，InB為使能信號(hào)。當(dāng)InB輸入為低電平時(shí)，兩路IGBT同時(shí)關(guān)斷。死區(qū)時(shí)間是由硬件產(chǎn)生的，死區(qū)時(shí)間的選擇就是選擇RC網(wǎng)絡(luò)的值。在綜合考慮之后，選擇死區(qū)時(shí)間是2.1μS，選擇的電阻和電容是22kΩ和22pF。

驅(qū)動(dòng)電阻的選擇

在驅(qū)動(dòng)IGBT時(shí)，必須選擇合適的驅(qū)動(dòng)電阻。阻值越小，上升和下降時(shí)間就越短，但是di/dt隨之變大，由于雜散電感的存在，使得IGBT承受比較高的尖鋒電壓；阻值越大，上升和下降時(shí)間就越長，有可能無法使IGBT按時(shí)開通和關(guān)斷。故選擇驅(qū)動(dòng)電阻阻值時(shí)要綜合考慮這兩方面因素，同時(shí)也要考慮2SD106AI-17的最大驅(qū)動(dòng)電流（6A），驅(qū)動(dòng)電阻的最小值可以按照這個(gè)公式：

R_{2}=ΔU/I_{OP} (1)
由電氣特性可知，ΔU=30V（門極驅(qū)動(dòng)電壓15V ），根據(jù)公式(1)，取驅(qū)動(dòng)電阻為5.1Ω。

參考電阻的選取

參考電阻就是2SD106AI-17連接到IGBT的發(fā)射極（E端）的電阻，確定IGBT保護(hù)關(guān)斷閥值。導(dǎo)通后，當(dāng)C端上的電壓超過參考電阻上的電壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)模塊就會(huì)啟動(dòng)保護(hù)功能。參考電阻的計(jì)算公式可以按照公式（2）計(jì)算得到。

R_{th}=V_{th}/150μA （2）

在 不同的系統(tǒng)中，IGBT的過電流保護(hù)限值是不同的。如圖3所示，F(xiàn)F400R12KE3的保護(hù)電流實(shí)際上相當(dāng)于短路電流，此時(shí)瞬時(shí)電流值非常大，對(duì)IGBT的損傷也非常大，按照正常做法，必須有可靠的過流保護(hù)。由公式（2）可以計(jì)算出一個(gè)參考電阻，其中V th =3.2V，則R th =22kΩ。

圖3 FF400R12KE3的Ic/Vce輸出特性(略)

根 據(jù)上述驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，用2SD106AI-17模塊來驅(qū)動(dòng)FF400R12KE3。需要注意的是驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能靠近IGBT安裝，同時(shí)IGBT與驅(qū)動(dòng)電路應(yīng) 采用雙絞線連接，參考電阻、參考電 位必須盡可能地 接近IGBT模塊的E端。圖4為2SD106AI-17輸出到IGBT門極的一路波形，開關(guān)頻率為6.6 k Hz。

圖4 2SD106AI-17的一路輸出波形(略)

實(shí)驗(yàn)問題與分析

基于以上的驅(qū)動(dòng)電路，應(yīng)用于本實(shí)驗(yàn)室自主研制的混合動(dòng)力汽車逆變器上，將其進(jìn)行具體裝車試驗(yàn)。圖5為逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖5 逆變器系統(tǒng)框圖(略)

系統(tǒng)選用FF400R12KE3為逆變器的開關(guān)器件，開關(guān)頻率為6.6kHz，采用SVPWM調(diào)制方式產(chǎn)生PWM波形；采用基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控 制作為電機(jī)的控制策略，核心控制單元為定點(diǎn)DSP-TMS320LF2407A；相電流信號(hào)i s通過D/A輸出，用示波器進(jìn)行觀測(cè)；直流母線電壓為350V；負(fù)載由電渦流測(cè)功機(jī)進(jìn)行模擬。在做額定負(fù)載實(shí)驗(yàn)中，逆變器輸出170A的電流 很正常，電壓電流波形如圖6。在實(shí)際車輛運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)逆變器沒有電流輸出。

圖6 逆變器輸出電壓電流波形(略)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所用電機(jī)具體參數(shù)如下：

額定功率：50kW

額定頻率：200Hz

額定電壓：240V

額定電流：167A

額定轉(zhuǎn)矩：160N.m

額定轉(zhuǎn)速：3000r/min

聯(lián)結(jié)方式：Y

最高轉(zhuǎn)速：6000r/min

問題排查過程：

1.利用外部電源單獨(dú)給逆變器供電，發(fā)現(xiàn)逆變器工作正常，排除了逆變器出現(xiàn)問題的可能。

2 .在問題狀態(tài)下，用示波器查DSP主控板有沒有PWM波形輸出。發(fā)現(xiàn)有波形輸出，基本排除了主控板的因素。

3.在問題狀態(tài)下，測(cè)量車輛24V供電系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)電池的電壓在啟動(dòng)瞬間降到10V左右，同時(shí)又觀察別的系統(tǒng)單元，發(fā)現(xiàn)這時(shí)也都停止工作?？芍獑栴}基本是由供電電源不穩(wěn)引起的。

4.在驅(qū)動(dòng)板的電源輸入端增加兩個(gè)大電容，問題不再出現(xiàn)。

問題原因：

在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候，點(diǎn)火系統(tǒng)需要一個(gè)大電流，導(dǎo)致車上的24V系統(tǒng)電壓下降很嚴(yán)重，使得2SD106AI-17的輸入電源低于其自身的保護(hù)電壓（11V），從而使2SD106AI-17產(chǎn)生了復(fù)位。因此，為了適應(yīng)車上的工作狀況， 必須在2SD106AI-17的電源側(cè)增加電 容，使驅(qū)動(dòng)模塊在啟動(dòng)時(shí)期內(nèi)不復(fù)位。

在設(shè)計(jì)和使用2SD106AI時(shí)，要注意以下事項(xiàng)：1、必須計(jì)算驅(qū)動(dòng)需要的功率，選擇合適的供電電源，特別是在車上時(shí)要用寬輸入的電源；2、安裝時(shí)請(qǐng)不要用手隨便觸摸驅(qū)動(dòng)模塊，防止靜電損害模塊；3、驅(qū)動(dòng)電阻要靠近IGBT的門極。

結(jié)束語

本文分析了2SD106AI-17的工作原理，設(shè)計(jì)了基于2SD106AI-17的IGBT驅(qū)動(dòng)電路，并將其應(yīng)用在具體混合動(dòng)力汽車的逆變器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上。實(shí)驗(yàn)表明，基于2SD106AI-17的驅(qū)動(dòng)板可靠性非常好，非常適用于車上的環(huán)境。

[1].FF400R12KE3datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/FF400R12KE3_1464325.html.