高壓IGBT模塊2SD315AI-33的應(yīng)用研究
關(guān)鍵詞：IGBT 驅(qū)動(dòng)模塊 2SD315AI-33 逆變器
２ＳＤ３１５ＡＩ－３３是瑞士ＣＯＮＣＥＰＴ公司專為３３００Ｖ高壓ＩＧＢＴ的可靠工作和安全運(yùn)行而設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)模塊，它以專用芯片組為基礎(chǔ)，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(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)ＩＧＢＴ 模塊，可提供±１５Ｖ的驅(qū)動(dòng)電壓和±１５Ａ的峰值電流，具有準(zhǔn)確可靠的驅(qū)動(dòng)功能與靈活可調(diào)的過流保護(hù)功能，同時(shí)可對(duì)電源電壓進(jìn)行欠壓檢測，工作頻率可達(dá)兆赫茲以上；電氣隔離可達(dá)到６０００ＶＡＣ。
１ ２ＳＤ３１５ＡＩ－３３簡介
１．１ 外形及管腳功能
圖１所示為２ＳＤ３１５ＡＩ－３３的外形圖，該芯片共有４４個(gè)管腳。具體功能如下：
１，２腳（ＶＤＤ）：信號(hào)電源；
３腳（ＳＯ１）：通道１狀態(tài)輸出；
４腳（ＶＬ／Ｒｅｓｅｔ）： 定義邏輯電平／錯(cuò)誤信號(hào)復(fù)位；
５腳（ＲＣ１）：通道１死區(qū)ＲＣ網(wǎng)絡(luò)；
６腳（ＩｎＢ）：ＰＷＭ２／ＥＮＡＢＬＥ；
７腳（ＲＣ２）：通道２死區(qū)ＲＣ網(wǎng)絡(luò)；
８腳（ＭＯＤ）：模式選擇；
９腳（ＳＯ２）：通道２狀態(tài)輸出；
１０腳（ＩｎＡ）：ＰＷＭ１／ＰＷＭ；
１１，１２腳（ＧＮＤ）：１５Ｖ電源地；
１３～１７腳（ＶＤＣ）：ＤＣ／ＤＣ驅(qū)動(dòng)電源；
１８～２２腳（ＧＮＤ）：ＤＣ／ＤＣ驅(qū)動(dòng)電源地；
２３腳（Ｌｓ２）：通道２的狀態(tài)顯示端；
２４腳（Ｃ２）：通道２的集電極檢測端；
２５腳（Ｒｔｈ２）： 通道２的閾值電阻端；
２６，２７腳（Ｅ２）：通道２的發(fā)射極；
２８腳（Ｖｉｓｏ２）： 通道２的ＤＣ／ＤＣ輸出側(cè)電源；
２９，３０腳（ＣＯＭ２）：通道２的ＤＣ／ＤＣ輸出側(cè)地；
３１，３２腳（Ｇ２）：通道２的柵極；
３３，３４腳（ＮＣ）：未用；
３５腳（Ｌｓ１）：通道１的狀態(tài)顯示端；
３６腳（Ｃ１）：通道１的集電極檢測端；
３７腳（Ｒｔｈ１）：通道１的閾值電阻端；
３８，３９腳（Ｅ１）：通道１的發(fā)射極；
４０腳（Ｖｉｓｏ１）：通道１的ＤＣ／ＤＣ輸出側(cè)電源；
４１，４２腳（ＣＯＭ１）：通道１的ＤＣ／ＤＣ輸出側(cè)地；
４３，４４腳（Ｇ１）：通道１的柵極。
１．２ 主要參數(shù)
２ＳＤ３１５ＡＩ－３３的極限參數(shù)如下?
●供電電壓ＶＤＤ和ＶＤＣ：１６Ｖ；
●邏輯信號(hào)輸入電平：ＶＤＤ；
●門極峰值電流Ｉｏｕｔ：±１８Ａ；
●內(nèi)部開關(guān)電源輸出功率：６Ｗ；
●輸入輸出隔離電壓：６０００ＶＡＣ?５０Ｈｚ／ｍｉｎ?；
●工作溫度：－４０～８５℃；
下面是２ＳＤ３１５ＡＩ－３３的主要電參數(shù)?
●輸入輸出延遲開通時(shí)間ｔｐｄ?ｏｎ?：３００ｎｓ；
●關(guān)斷時(shí)間ｔｐｄ(ｏｆｆ)：３５０ｎｓ；
●短路或欠壓保護(hù)阻斷時(shí)間：１ｓ；
●輸出上升時(shí)間ｔｒ(ｏｕｔ)：１６０ｎｓ；
●輸出下降時(shí)間ｔｆ(ｏｕｔ)：１３０ｎｓ；
●最大電壓上升率：１００ｋＶ／μｓ。
２ 工作原理及性能特點(diǎn)
２．１ 工作原理
圖２為２ＳＤ３１５ＡＩ－３３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(dòng)輸出及邏輯保護(hù)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(jìn)行隔離。而其輸入處理電路由ＬＤＩ００１及其外圍電路組成。由于控制電路產(chǎn)生的ＰＷＭ信號(hào)不能直接通過脈沖變壓器，尤其是當(dāng)脈沖信號(hào)的頻率和占空比變化較大時(shí)，尤為困難。ＬＤＩ００１就是專門為此而設(shè)計(jì)的，此專用集成芯片的功能主要是對(duì)輸入的ＰＷＭ信號(hào)進(jìn)行編碼，以使之可通過脈沖變壓器進(jìn)行傳輸。由于該器件內(nèi)部帶有施密特觸發(fā)器，因此對(duì)輸入端信號(hào)無特殊的邊沿陡度要求，并能提供準(zhǔn)靜態(tài)的狀態(tài)信號(hào)反饋。將其設(shè)計(jì)為集電極開路方式，可以適應(yīng)任何電平邏輯，并可直接產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間。以上優(yōu)點(diǎn)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(dòng)輸出及邏輯保護(hù)電路的核心芯片是ＩＧＤ００１。它將變壓器接口、過流短路保護(hù)、阻斷邏輯生成、反饋狀態(tài)記錄、供電監(jiān)視和輸出階段識(shí)別等功能都已集成在一起。每個(gè)ＩＧＤ用于一個(gè)通道，其具體功能是對(duì)脈沖變壓器傳來的ＰＷＭ信號(hào)進(jìn)行解碼，對(duì)ＰＷＭ信號(hào)進(jìn)行功率放大，對(duì)ＩＧＢＴ的短路、過流及電源的欠壓檢測保護(hù)，并向ＬＤＩ反饋狀態(tài)，以產(chǎn)生短路保護(hù)的響應(yīng)時(shí)間和阻斷時(shí)間等。
２．２ 性能特點(diǎn)
２ＳＤ３１５ＡＩ－３３與其它驅(qū)動(dòng)器相比具有以下幾個(gè)顯著的特點(diǎn)：
（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(hù)功能；
（４）具有欠壓監(jiān)測功能；
（５）可動(dòng)態(tài)設(shè)定短路保護(hù)閾值
３?。玻樱模常保担粒桑常吃趯?shí)際中的應(yīng)用
３．１ 應(yīng)用實(shí)例
筆者所在實(shí)驗(yàn)室中正在設(shè)計(jì)的“雙逆變器－電機(jī)”能量互饋式交流傳動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)由于采用專為電力機(jī)車所設(shè)計(jì)的３００ｋＷ異步電機(jī)，故逆變器和變流器的主開關(guān)器件選用的是ＥＵＰＥＣ公司的高壓ＩＧＢＴ 模塊ＦＺ１２００Ｒ３３ＫＦ１。該器件的電壓等級(jí)為３３００Ｖ，電流等級(jí)為１２００Ａ。根據(jù)ＦＺ１２００Ｒ３３ＫＦ１對(duì)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的要求以及２ＳＤ３１５ＡＩ－３３驅(qū)動(dòng)模塊的性能特點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)了ＩＧＢＴ的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，具體如圖３所示。
該電路由輸入保護(hù)、電源保護(hù)、上電復(fù)位、死區(qū)時(shí)間設(shè)定及與ＩＧＢＴ的接口電路幾部分組成，該電路工作于半橋模式。以下分別予以介紹：
輸入保護(hù)：通常驅(qū)動(dòng)板通過引線與控制電路相連，因此，應(yīng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的輸入ＩｎｐｕｔＡ和ＩｎｐｕｔＢ給予適當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)，以便在掉電或輸入信號(hào)呈高阻時(shí)，輸入端能夠通過電阻Ｒｘ１接地。電容Ｃｘ１的作用是抑制輸入端出現(xiàn)的短脈沖或有害的尖峰脈沖。該電路會(huì)產(chǎn)生大約１μｓ的信號(hào)延遲。
電源保護(hù)：在一定的情況下，如果驅(qū)動(dòng)器外部發(fā)生短路（如ＩＧＢＴ毀壞或短路），則驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部的ＤＣ／ＤＣ變換器可能會(huì)導(dǎo)致電源線短路。故設(shè)計(jì)時(shí)在ＶＤＤ端增加了一個(gè)熔斷器，以保證在出現(xiàn)故障時(shí)電路板不致毀壞。圖中的１６Ｖ穩(wěn)壓管Ｚ２用于過壓保護(hù)。
上電復(fù)位：由于上電后的錯(cuò)誤信息總是保存在驅(qū)動(dòng)模塊的錯(cuò)誤寄存器中，因此在驅(qū)動(dòng)電路與控制電路分離的情況下，可通過圖３連接于ＶＬ／Ｒｅｓｅｔ的上電復(fù)位電路進(jìn)行復(fù)位。該電路同時(shí)還有欠壓保護(hù)功能。ＶＤＤ＞１２．７Ｖ時(shí)，Ｚ１反向擊穿，Ｑ１導(dǎo)通，Ｑ２截止，ＶＬ為高電平，驅(qū)動(dòng)器開通；而當(dāng)ＶＤＤ＜１２Ｖ時(shí)，Ｑ１截止，Ｑ２導(dǎo)通，ＶＬ為低電平，驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷。另外，該復(fù)位電路還可保證在開啟電源后的一個(gè)較短時(shí)間內(nèi)使加于所有ＩＧＢＴ器件控制端上的電壓均為低，以保證所有ＩＧＢＴ器件均處于關(guān)斷狀態(tài)。
與ＩＧＢＴ接口：當(dāng)開通時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流經(jīng)ＲＧ１和二極管ＤＧ流向ＩＧＢＴ，即開通電阻Ｒｏｎ＝ＲＧ１? 關(guān)閉時(shí)，由于二極管ＤＧ的單向?qū)щ娦裕?門極經(jīng)ＲＧ１和ＲＧ２放電?即關(guān)斷電阻Ｒｏｆｆ＝ＲＧ１＋ＲＧ２。這樣就使得開通的ｄｉ／ｄｔ、ｄＶ／ｄｔ和關(guān)斷的ｄＶ／ｄｔ可以分別控制，從而改善了開關(guān)過程，減少了開關(guān)損耗。
３．２ 設(shè)計(jì)中需要特別注意的問題
在任何時(shí)候都不能使過流檢測管腳ＣＸ直接接到ＩＧＢＴ的集電極，而需通過二極管連接。其反向承受的峰值電壓應(yīng)超過逆變器直流側(cè)電壓的６０％，以防止高壓串入驅(qū)動(dòng)電路。
在管腳Ｖｉｓｏｘ和Ｌｓｘ之間需串接一個(gè)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(shí)，發(fā)光二極管熄滅。但由于制作工藝上的原因，管腳Ｌｓｘ對(duì)于干擾極為敏感，因此，在設(shè)計(jì)中若要指示狀態(tài)，應(yīng)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(huì)因電磁干擾的引入使整個(gè)電路不能正常工作。
電容ＣＧＥＸ 是根據(jù)高壓ＩＧＢＴ開通時(shí)的特殊性來實(shí)現(xiàn)開通時(shí)ｄｉ／ｄｔ、ｄＶ／ｄｔ的分別控制。選取時(shí)要反復(fù)調(diào)試，否則會(huì)使驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)發(fā)生振蕩。
３．３ 門極驅(qū)動(dòng)布線
門極驅(qū)動(dòng)布線對(duì)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(hù)電路的動(dòng)作次數(shù)有很大的影響。因此，門極布線的設(shè)計(jì)必須依從以下的原則：
（１） 布線必須將驅(qū)動(dòng)器的輸出級(jí)和ＩＧＢＴ之間的寄生電感減至最低，這相當(dāng)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(dòng)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(guān)會(huì)使其相互電位改變，因?yàn)檫^高的ｄＶ／ｄｔ會(huì)通過寄生電容耦合噪聲。
（４） 安裝時(shí)，為縮短連線，應(yīng)把驅(qū)動(dòng)板直接用螺絲擰在ＩＧＢＴ模塊上。
圖3 3300V/1200A IGBT的驅(qū)動(dòng)電路
４ 結(jié)論
通過以上介紹可知，高壓ＩＧＢＴ驅(qū)動(dòng)模塊２ＳＤ３１５Ａ－３３具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（１）只需簡單調(diào)整ＭＯＤ腳，就可使該電路在半橋模式和直接模式下運(yùn)行。
（２）該驅(qū)動(dòng)模塊的接口非常簡單，能處理所有從５Ｖ～１５Ｖ電平的邏輯信號(hào)。由于輸入口內(nèi)部有施密特觸發(fā)器，它對(duì)輸入端信號(hào)無特殊的邊沿陡度要求，而且狀態(tài)反饋輸出端設(shè)計(jì)為集電極開路，因此，該電路可以適應(yīng)任何電平邏輯。
（３）由于采用雙極性的驅(qū)動(dòng)電壓（１５Ｖ），使得任何廠家的各種級(jí)別的ＩＧＢＴ模塊都可安全運(yùn)行；負(fù)偏置的使用使得電路的抗干擾能力大大增強(qiáng)，這樣就很容易實(shí)現(xiàn)ＩＧＢＴ模塊的并聯(lián)。
（４）內(nèi)部電壓隔離使得即使是多個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊，也可以共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)電源，這不但省去了人力和資金，而且電磁干擾程度也大大降低。
（５）過流保護(hù)能準(zhǔn)確無誤的動(dòng)作，且簡單易調(diào)。同時(shí)具有欠壓保護(hù)功能，并采取與過流保護(hù)同樣的措施。
（６）用變壓器作隔離輸出級(jí)使得該驅(qū)動(dòng)模塊可用在控制回路與電力回路電位相差較大或電位變化較大的裝置中，同時(shí)脈沖變壓器的雙向工作，既可傳輸驅(qū)動(dòng)信號(hào)，也可傳輸反饋信號(hào)。
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