利用2SD315AI設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)大功率IGBT原理

引言

IGBT常用的驅(qū)動(dòng)模塊有TLP250，以及EXB841/840系列的驅(qū)動(dòng)模塊。但在燃料電池城市客車(chē)DC/DC變換器的研制過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于車(chē)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(shí)驅(qū)動(dòng)電流大，要求可靠性要高，使得傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路已經(jīng)不能滿足其使用要求，經(jīng)過(guò)研究分析，選用瑞士CONCEPT公司生產(chǎn)的用于驅(qū)動(dòng)和保護(hù)IGBT或功率MOSFET的專(zhuān)用集成驅(qū)動(dòng)模塊2SD315A作為大功率IGBT(800A/1200V)的驅(qū)動(dòng)器件，該驅(qū)動(dòng)器集成了智能驅(qū)動(dòng)、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(guò)車(chē)載90kW DC/DC變換器實(shí)際道路工況運(yùn)行實(shí)驗(yàn)表明，效果良好。

 IGBT的驅(qū)動(dòng)要求

IGBT的驅(qū)動(dòng)要求與其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性密切相關(guān)，即柵極的正偏壓、負(fù)偏壓和柵極電阻的大小，對(duì)IGBT的通態(tài)電壓、開(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)關(guān)損耗、承受短路能力、開(kāi)關(guān)管C、E極問(wèn)電壓的變換率等都有不同程度的影響。其開(kāi)關(guān)作用是通過(guò)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(dǎo)通。反之，加反向柵極電壓消除溝道，流過(guò)反向基極電流，使IGBT關(guān)斷。根據(jù)這樣的特性，針對(duì)它的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該滿足：

·IGBT是電壓型驅(qū)動(dòng)，具有2.5～5V的閾值電壓，有一個(gè)容性輸入阻抗，因此，IGBT對(duì)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(dòng)電路與IGBT的連線要盡量短。

·用內(nèi)阻小的驅(qū)動(dòng)源對(duì)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(kāi)關(guān)損耗盡量小。另外，IGBT開(kāi)通后，柵極驅(qū)動(dòng)源應(yīng)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(dāng)驅(qū)動(dòng)電平+Vge增大時(shí)，IGBT通態(tài)壓降和開(kāi)關(guān)損耗均下降，但負(fù)載短路時(shí)的Ic增
大，IGBT能承受短路電流的時(shí)間減小，對(duì)其安全不利。

·在關(guān)斷過(guò)程中，為盡快抽取PNP管的存儲(chǔ)電荷，須施加一負(fù)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(dòng)電路應(yīng)簡(jiǎn)單實(shí)用，最好自身帶有對(duì)IGBT的保護(hù)功能，有較強(qiáng)的抗干
擾能力。

·由于IGBT在電力電子設(shè)備中多用于高壓場(chǎng)合，故驅(qū)動(dòng)電路與控制電路在電位上應(yīng)嚴(yán)
格隔離。
 

2SD315A驅(qū)動(dòng)模塊

2SD315A模塊能夠驅(qū)動(dòng)1200A/1200V的IGBT，DC的開(kāi)關(guān)頻率高于100kHz，可通過(guò)±15A的門(mén)極電流，實(shí)現(xiàn)0-100％的占空比調(diào)節(jié)。此外，具有完善的對(duì)于電源、電流的狀態(tài)監(jiān)測(cè)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于模塊以及功率開(kāi)關(guān)管的保護(hù)；該驅(qū)動(dòng)模塊分為接口單元、電氣隔離、驅(qū)動(dòng)單元等幾個(gè)部分，每個(gè)驅(qū)動(dòng)通道都把控制回路和主功率回路進(jìn)行了電氣隔離，如圖1所示。[!--empirenews.page--]

驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)能力及保護(hù)性能是人們較為關(guān)心的問(wèn)題，以下是應(yīng)用當(dāng)中的幾點(diǎn)體會(huì)：

·由于IGBT的柵極有很高的輸入阻抗，因此在無(wú)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(wèn)的擊穿，使IGBT損壞，在實(shí)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(cè)合理選擇柵極的串聯(lián)電阻，既可獲得良好的驅(qū)動(dòng)脈沖，又控制了IGBT通斷狀態(tài)變化的過(guò)渡時(shí)間。

·用外接的電阻Rth來(lái)定義功率管導(dǎo)通時(shí)的管壓降，當(dāng)大于定義的最大管壓降時(shí)，監(jiān)測(cè)電路便輸出故障報(bào)警信號(hào)，并關(guān)斷功率管，從而保護(hù)了IGBT。

·當(dāng)給驅(qū)動(dòng)模塊供電的電源電壓過(guò)低時(shí)，則會(huì)影響驅(qū)動(dòng)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(hào)，使整個(gè)模塊處于封鎖狀態(tài)，保護(hù)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(guò)邏輯關(guān)系接入到保護(hù)電路中實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢測(cè)。
 

應(yīng)用實(shí)例

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

利用2SD315A驅(qū)動(dòng)高功率密度IGBT需要注意以下幾點(diǎn)：

·工作模式MOD的設(shè)置和參考電阻Rth的選擇是正確使用該驅(qū)動(dòng)模塊的前提，需要注意
在半橋工作模式下死區(qū)時(shí)間的設(shè)置以及Rth大小與功率開(kāi)關(guān)管型號(hào)的匹配關(guān)系。

·合適的柵極電阻Rg對(duì)與IGBT的驅(qū)動(dòng)非常重要。Rg太大，會(huì)使IGBT通斷狀態(tài)變化的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間延長(zhǎng)，能耗增加；但Rg太小，會(huì)使di/dt增大，可能引起門(mén)極電壓振蕩，造成觸
發(fā)誤導(dǎo)通，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)損壞IGBT。通過(guò)以下公式確定Rg可選擇的最小值：

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

·注意驅(qū)動(dòng)模塊與主功率開(kāi)關(guān)管之間的布線。柵極驅(qū)動(dòng)布線對(duì)防止?jié)撛诘恼袷?、減慢門(mén)極電壓的上升、減少噪聲損耗、降低門(mén)極電源電壓或減少門(mén)極保護(hù)電路的動(dòng)作次數(shù)有很大的影響。因此，應(yīng)盡量減小驅(qū)動(dòng)器的輸出級(jí)和IGBT之間的距離，并用絞線傳遞驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

2SD315A驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)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(dòng)電阻選用2Ω；得到該驅(qū)動(dòng)模塊應(yīng)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(yàn)中得到的主功率開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)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(guān)斷到開(kāi)通不到1個(gè)微秒，極大的減小了開(kāi)關(guān)損耗；該模塊能向IGBT提供合適的正向柵源電壓，并可靠關(guān)斷；這些對(duì)IGBT的正常工作均提供了重要的保證。此外，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，為了得到更平直的正負(fù)向波形，可在模塊的COMx和Visox引腳兩端并聯(lián)適當(dāng)電容進(jìn)行調(diào)整。
 

燃料電池城市客車(chē)行駛在諸如啟動(dòng)、變速、剎車(chē)等多種路況下時(shí)，其車(chē)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(shí)間內(nèi)(≤200ms)承受近300A大電流的場(chǎng)合下，功率輸出達(dá)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(dòng)模塊，在實(shí)際的城市道路工況進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)中，完全滿足了不同路況下對(duì)于功率需求的驅(qū)動(dòng)要求，已經(jīng)安全無(wú)故障行駛總里程超過(guò)四萬(wàn)公里，是一款性能優(yōu)良的大功率驅(qū)動(dòng)模塊。