IGBT 集成驅(qū)動模塊2SD315AI 的應用研究

0 引言

2SD315AI 是瑞士CONCEPT 公司專為1 200 V和1 700 V 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，外加必需的其他元件組成。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MHz以上;電氣隔離可達到AC4000V。

1 2SD315AI簡介

1.1 外形及管腳功能

圖1 所示為2SD315AI 的外形圖，該芯片共有44個管腳。具體功能如下：

腳1，2(VDD) 信號電源;

腳3(SO1) 通道1狀態(tài)輸出;

腳4(VL/Reset)

定義邏輯電平/錯誤信號復位;

腳5(RC1) 通道1死區(qū)RC 網(wǎng)絡;

腳6(INB) PWM2/ENABLE;

腳7(RC2) 通道2死區(qū)RC網(wǎng)絡;

腳8(MOD) 模式選擇;

腳9(SO2) 通道2狀態(tài)輸出;

腳10(INA) PWM1/PWM;

腳11，12(GND) 信號電源地;

腳13~17(VDC) DC/DC 驅(qū)動電源;

腳18~22(GND) DC/DC 驅(qū)動電源地;

腳23(Ls2) 通道2的狀態(tài)顯示端;

腳24(C3) 通道2的集電極檢測端;

腳25(Rth2) 通道2的閾值電阻端;

腳16，27(E2)通道3的發(fā)射極;

腳28(Viso2) 通道3的DC/DC輸出側(cè)電源;

腳29，30(COM2) 通道3的DC/DC 輸出側(cè)地;

腳31.32(G2) 通道2的柵極;

腳33，34(NC)未用;

腳35(Ls1) 通道1的狀態(tài)顯示端;

腳36(C1) 通道1的集電極檢測端;

腳37(Rth1) 通道1的閾值電阻端;

腳38，39(E1)通道1的發(fā)射極;

腳40(Viso1) 通道1的DC/DC輸出側(cè)電源;

腳41，42(COM1) 通道1的DC/DC 輸出側(cè)地;

腳43，44(G1)通道1的柵極。

1.2 主要參數(shù)

1.2.1 2SD315AI 的極限參數(shù)

供電電壓VDD和VDC 16 V;

邏輯信號輸入電平VDD;

門極峰值電流Iout ±18 A;

內(nèi)部開關電源輸出功率6 W;

輸入輸出隔離電壓AC 4 000 V 50 Hz/min;

工作溫度-40~85℃。

1.2.2 2SD315AI 的主要電參數(shù)

輸入輸出延遲開通時間tpdon 300 ns;

關斷時間tpdoff 350 ns;

短路或欠壓保護阻斷時間1 s;

輸出上升時間tr out 160 ns;

輸出下降時間tf out 130 ns;

最大電壓上升率100 kV/μs。

2 工作原理與保護功能

2.1 工作原理

圖2為2SD315AI的功能框圖。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/DC轉(zhuǎn)換電路的功能是將輸入部分與工作部分進行隔離。而其輸入處理電路由電子接口(邏輯與驅(qū)動之間的接口)LDI001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，特別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入的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，因此對輸入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。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)生半橋所需的死區(qū)時間。

驅(qū)動輸出及邏輯保護電路的核心芯片是IGD001。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。一個IGD用于一個通道，其具體功能是對脈沖變壓器傳來的PWM 信號進行解碼和功率放大，實現(xiàn)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。IGD 所有的保護、檢測功能(如過流、短路保護和欠壓保護)都置于次級，因此，在出現(xiàn)故障時，電路將立即被關閉并鎖定。

2.2 2SD315AI 驅(qū)動塊的保護功能及特點

2SD315AI 驅(qū)動塊的保護主要包括短路和過流以及電源檢測。對于短路和過流保護，驅(qū)動中每路都有一個Vce檢測電路，Rth為關斷閥值的參考電阻。在IGBT開通后的一段響應時間內(nèi)，Vce檢測電路不起作用。而當Vce出現(xiàn)故障后，鎖定時間功能開始啟動，并在鎖定時間內(nèi)使驅(qū)動器鎖定IGBT，而不再接受輸入信號。模塊中的各路都具有自己的鎖定功能，并均由各路的LDG001實現(xiàn)。一旦Vce超過Rth設定的閥值，鎖定將立即啟動。

2SD315AI 驅(qū)動塊中每路都具有一個欠壓檢測電路，當電源電壓降至10 V或11 V時，IGBT將執(zhí)行負壓關斷，并進行故障報警。

與其他驅(qū)動器相比，2SD315AI 具有以下幾個顯著的特點：

1)可靈活定義邏輯電平;

2)可自由選擇工作模式;

3)具有短路和過流保護功能;

4)具有欠壓監(jiān)測功能;

5)可動態(tài)設定短路保護閾值。

3 2SD315AI在實際中的應用

3.1 應用實例

筆者所在團隊一同設計研發(fā)了一臺300 kV·A工礦車牽引逆變器，并成功地在上海地鐵現(xiàn)場應用。

其主要技術(shù)參數(shù)：

輸入額定電壓DC 550 V(350~660 V);

輸入電壓紋波(峰- 谷值) <15%，(瞬態(tài)電壓允

許700 V，持續(xù)時間2 s，1 200 V持續(xù)時間<200μs);

輸出容量300 kV·A;

輸出額定電壓AC 0~400 V。

圖3為功率單元的逆變電路圖。

逆變器的主開關器件選用的是EUPEC 公司的IGBT 模塊FS450R12KE3。該模塊內(nèi)部集成6 個IGBT，通過三三并聯(lián)，構(gòu)成上下橋臂，使得電流等級達到1 350 A。根據(jù)FS450R12KE3 對驅(qū)動保護電路的要求以及2SD315AI驅(qū)動模塊的性能特點，設計的IGBT驅(qū)動保護電路如圖4所示。

該電路由INPUTA(INA)和INPUTB(INB)輸入保護、互鎖，電源保護、上電復位、IGBT 的接口電路幾部分組成，該電路工作于直接模式。

輸入保護驅(qū)動板通過光纖與控制電路相連，因此，應對驅(qū)動電路的輸入INPUTA和INPUTB給予適當?shù)乇Ｗo，以便在掉電或輸入信號呈高阻時，輸入端能夠通過電阻RX接地。電容CX的作用是抑制輸入端出現(xiàn)的短脈沖或有害的尖峰脈沖。

上電復位由于上電后的錯誤信息總是保存在驅(qū)動模塊的錯誤寄存器中，因此在驅(qū)動電路與控制電路分離的情況下，可通過圖4連接于VL/Reset的上電復位電路進行復位。該電路同時還有欠壓保護功能。VDD>12.7 V時，Z1反向擊穿，Q4導通，Q5截止，VL為高電平，驅(qū)動器開通;而當VDD<12 V時，Q4截止，Q5導通，VL為低電平，驅(qū)動器關斷。另外，該復位電路還可保證在開啟電源后的較短時間內(nèi)使加在所有IGBT器件控制端上的電壓均為低電壓，以保證所有IGBT器件均處于關斷狀態(tài)。

與IGBT接口當開通時，驅(qū)動電流經(jīng)Rg2和二極管Dg流向IGBT，即開通電阻Ron=Rg2;關閉時，由于二極管Dg的單向?qū)щ娦?，門極經(jīng)Rg1和Rg2放電即關斷電阻Roff=Rg1+Rg2。這樣就可以對開通的di/dt、dv/dt和關斷的dv/dt分別進行控制，從而改善了開關過程，減少了開關損耗。

3.2 設計中需要特別注意的問題

在任何時候都不能把過流檢測管腳C 直接接到IGBT的集電極，而須通過二極管連接。其承受的反向峰值電壓應超過逆變器直流側(cè)電壓的60%，以防止高壓串入驅(qū)動電路。

在管腳Visox 和Lsx 之間須串接一個電阻和發(fā)光二極管以指示通道X 的工作狀態(tài)，在正常情況下，發(fā)光二極管發(fā)光，而在發(fā)生短路和欠壓故障時，發(fā)光二極管熄滅。但由于制作工藝上的原因，管腳Lsx對干擾極為敏感，因此，在設計中若要指示狀態(tài)，應把發(fā)光二極管接在電路板上盡量靠近輸出端的地方，若不需狀態(tài)指示，則必須把管腳Lsx 和COMx 短接。千萬不要通過很長的引線將發(fā)光二極管引出，或者將Lsx 端懸空，否則會因電磁干擾的引入使整個電路不能正常工作。

電容悅X是根據(jù)高壓IGBT開通時的特殊性來實現(xiàn)開通時di/dt、dv/dt的分別控制。選取悅X時要反復調(diào)試，否則會使驅(qū)動輸出信號產(chǎn)生振蕩。

3.3 門極驅(qū)動電路的合理布線

對門極驅(qū)動電路的合理布線對防止電路潛在的振蕩、減慢門極電壓的上升、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，門極電路布線的設計必須依從以下的原則：

1)布線必須將驅(qū)動器的輸出級和IGBT之間的寄生電感減至最低，這相當于把門極的連線和發(fā)射極的連線之間包圍的環(huán)路面積減至最低。

2)必須正確放置門極驅(qū)動板，以防止功率電路和控制電路之間的電感耦合。

3)PCB板的條線之間不宜太過靠近，否則IGBT的開關會使其相互電位改變，因為過高的dv/dt 會通過寄生電容耦合噪聲。

4)安裝時，為縮短連線，應把驅(qū)動板直接用螺絲擰在IGBT模塊上。

4 結(jié)語

通過采取對各種電路的保護措施以及較合理的工藝布局，2SD315AI 驅(qū)動模塊在300 kV·A 逆變器的應用比較成功，這同時也為2SD315AI-33中高壓驅(qū)動模塊的應用和以此做更大功率等級的逆變器積累了經(jīng)驗。