大功率IGBT驅(qū)動(dòng)模塊2ED300的特性及其應(yīng)用

摘要：針對(duì)大功率ICBT的驅(qū)動(dòng)問題，詳細(xì)介紹了一種大功率IGBT專用驅(qū)動(dòng)模塊2ED300的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、參數(shù)設(shè)置及性能特點(diǎn)。以驅(qū)動(dòng)800A／120 0V的IGBT為例，設(shè)計(jì)了2ED300在直接模式下的外圍應(yīng)用電路。并對(duì)應(yīng)用中需要注意的關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析和討論，最后給出了實(shí)際的驅(qū)動(dòng)波形。
關(guān)鍵詞：2ED300；驅(qū)動(dòng)模塊；過流保護(hù)；絕緣柵雙極性晶體管

    功率開關(guān)管的安全可靠驅(qū)動(dòng)是功率變換器必須解決的問題。IGBT常用驅(qū)動(dòng)模塊有TLP250、M57962以及EXB841／840等，而應(yīng)用在大功率或超大功率(75kW～1MW)場合下的IGBT由于其特殊性(瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)電流大，可靠性要求高)，傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路已經(jīng)不能滿足其使用要求，因此2SD300驅(qū)動(dòng)模塊作為大功率IGBT專用驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)運(yùn)而生。

1 2ED300模塊簡介
    2ED300驅(qū)動(dòng)模塊是德國Eupec公司在2004年生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)大功率IGBT的專用集成驅(qū)動(dòng)模塊。它在最近兩年才進(jìn)入中國，因其集成度高、外圍電路設(shè)計(jì)簡單、功能齊全等優(yōu)勢，很快在大功率功率電源領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
    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±16V的驅(qū)動(dòng)電壓和±30A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，并具有動(dòng)態(tài)電壓上升控制功能(“DVRC”功能)，電氣隔離可達(dá)到5000VAC。
1．1 外形及管腳功能
    圖1所示為2ED300模塊外形圖，該模塊共有45個(gè)管腳，具體功能如下：

    1，2，3腳(VDD)：信號(hào)電源；
    4，10腳(Fault)：故障信號(hào)輸出；
    5腳(Reset)：通道A、B邏輯復(fù)位；
    6，8腳(CA，CB)：半橋模式下死區(qū)時(shí)間設(shè)定；
    7，11腳(INB，INA)：PWM輸入；
    9腳(Modus)：模式選擇；
    12，13腳(GND)：信號(hào)地；
    14～18腳(GND)：驅(qū)動(dòng)電源地；
    19～23腳(VDC)：驅(qū)動(dòng)電源；
    24，36腳(E.B，E.A)：外部故障狀態(tài)輸入；
    25，37腳(Vce set B，Vce set A)：IGBT飽和壓降輸入；
    26，38腳(RC B，RC A)：RC參考電位網(wǎng)絡(luò)；
    27，39腳(Sense B，Sense A)：DVRC信號(hào)輸入；
    28，29腳(Vb-，Vb+)：B通道±16V緩沖電容；
    30，31腳(COMB)：B通道±16V參考點(diǎn)；
    32，33腳(Gate B)：B通道驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O；
    40，41腳(Va-，Va+)：A通道±16V緩沖電容；
    42，43腳(COMA)：A通道±16V參考點(diǎn)；
    44，45腳(Gate A)：A通道驅(qū)動(dòng)?xùn)畔?。[!--empirenews.page--]
1．2 主要參數(shù)
    2ED300主要參數(shù)如下：
    ◇供電電壓VDD和VDC：14～16V(推薦15V)；
    ◇邏輯信號(hào)輸入電平：VDD；
    ◇門極峰值電流lout：±30A；
    ◇內(nèi)部開關(guān)電源輸出功率：8W；
    ◇輸入輸出隔離電壓：5000VAC；
    ◇工作溫度：-25～85℃；
    ◇半橋模式最小死區(qū)時(shí)間tTD：1μs；
    ◇脈沖信號(hào)傳輸時(shí)間tpd(on)：650ns；
    ◇最小輸入脈沖寬度tmd：400ns；
    ◇Vce set電壓范圍：2～9V；
    ◇INA／B無PWM輸入復(fù)位時(shí)間：50ms；
    ◇最大電壓上升率：50kV／μs；
    ◇最高工作頻率：60kHz。

2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)
2．1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)
    圖2為2ED300的內(nèi)部功能模塊框圖。它主要由DC／DC轉(zhuǎn)換電路、輸入信號(hào)處理電路、輸出驅(qū)動(dòng)電路及邏輯保護(hù)電路組成。

    (1) DC／DC轉(zhuǎn)換電路
    模塊內(nèi)部集成了專門的DC／DC變換器，用以提供驅(qū)動(dòng)昕需的電壓。變換器輸入為DC14～16V，輸出為±16V，中間有變壓器隔離，功率為8瓦，瞬態(tài)輸出電流最大值為30A。
    (2)輸入信號(hào)處理電路
    主要實(shí)現(xiàn)工作模式選擇、模塊復(fù)位、PWM脈沖的處理、死區(qū)時(shí)間設(shè)置及故障信號(hào)輸出等功能。
    (3)輸出驅(qū)動(dòng)電路
    主要實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)脈沖的整定、故障信號(hào)存儲(chǔ)、功率放大及軟關(guān)斷參數(shù)的設(shè)置等功能。
    (4)邏輯保護(hù)電路
    主要實(shí)現(xiàn)IGBT飽和壓降的檢測、輸出欠壓的監(jiān)測、外部故障信號(hào)監(jiān)測的設(shè)置等功能。[!--empirenews.page--]
2．2 性能特點(diǎn)
    功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)模塊種類繁多，與其他驅(qū)動(dòng)模塊相比，2ED300具有以下顯著特點(diǎn)：
    (1)帶載能力強(qiáng)，可驅(qū)動(dòng)多只并聯(lián)的大功率ICBT；
    (2)可靈活定義邏輯電平，選擇不同工作模式；
    (3)具有欠壓監(jiān)測、短路和過流保護(hù)功能；
    (4)死區(qū)時(shí)間可以任意設(shè)定；
    (5)模塊的復(fù)位與重啟功能；
    (6)IGBT關(guān)斷電壓上升率(dv／dt)的監(jiān)測，可以實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷(SSD)功能。
    (7)可以實(shí)現(xiàn)過熱等外部故障信號(hào)的保護(hù)功能。

3 2ED300在實(shí)際中的應(yīng)用
3．1 應(yīng)用實(shí)例
    筆者曾參與研制了170kW的大功率Boost DC／DC變換器，主功率開關(guān)器件選用的是Eupec公司生產(chǎn)的800A／1200V IGBT-FF800R12KF4，兩只并聯(lián)，下面以此為例對(duì)2ED300的應(yīng)用問題展開分析和討論，應(yīng)用電路如圖3所示。

    (1)模塊輸入端參數(shù)選擇
    ①工作模式選擇
    IGBT工作于直接模式下，9腳(Modus)接地；死區(qū)設(shè)置腳6，8(CA，CB)通過電容C2、G3接地。
    ②保護(hù)信號(hào)、復(fù)位信號(hào)的處理
    故障信號(hào)輸出腳4，10(Fault)通過上拉電阻R1送控制回路；復(fù)位5腳(Reset)直接送控制回路，如果不需要陔功能，接地即可。
    (3)驅(qū)動(dòng)輸入電源的處理
    19～23腳(VDC)和14～18腳(GND)之間應(yīng)接≥220μF電解電容，推薦值為470μF，并盡量靠近模塊。
    (2)模塊輸出端參數(shù)設(shè)計(jì)
    ①IGBT的連接
    主要問題是柵極電阻(R3、R7)的計(jì)算，以及漏極阻斷二極管(D1～D4)的選擇，另外需要注意，柵源極之間應(yīng)接穩(wěn)壓二極管和放電電阻，盡量靠近IGBT。[!--empirenews.page--]
    ②IGBT過流飽和壓降檢測電路參數(shù)計(jì)算
    該參數(shù)的設(shè)置非常重要，包括參考電位Vref和監(jiān)測電位VCE的設(shè)置，主要通過37，38腳的RC參考電位網(wǎng)絡(luò)來設(shè)置，對(duì)應(yīng)IGBT過流時(shí)間和飽和壓降的大小，應(yīng)根據(jù)所驅(qū)動(dòng)IGBT的型號(hào)確定參數(shù)值，圖4是正確的設(shè)置曲線。

    ③軟關(guān)斷參數(shù)設(shè)置
    對(duì)應(yīng)圖中的Sense X引腳，兩路分別由R4、R8來設(shè)置，和IGBT的輸入電容Cies有很大關(guān)系，IGBT越大，該值越小，F(xiàn)F800R12KF4對(duì)應(yīng)的電阻值為7．5K。
    ④輸出電源的處理
    需要特別指出的是28，29腳(Vb-，Vb+)和30，31腳(COMB)之間需要并聯(lián)緩沖電容，否則將嚴(yán)重影響驅(qū)動(dòng)波形，更嚴(yán)重的后果將造成IGBT的損壞。
3．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    圖5是示波器采集到的所設(shè)計(jì)電源的IGBT驅(qū)動(dòng)波形。

    從上圖可以看到，IGBT驅(qū)動(dòng)波形上升下降速度適中，平臺(tái)幅值為±16V。但是高低電平的平臺(tái)有一定斜度，主要原因是2ED300模塊引腳Vb±和COMX之間未加緩沖電容(E2～E5)或取值太小，Ex最好使用鉭電容，推薦值為220μF。
3．3 設(shè)計(jì)中需要注意的問題
    (1)模塊2ED300外圍參數(shù)的設(shè)置取決于應(yīng)用模式和驅(qū)動(dòng)ICBT的型號(hào)
    首先要確定工作于直接模式還是半橋模式，然后根據(jù)所選擇ICBT的型號(hào)查產(chǎn)品手冊確定陔型號(hào)IGBT的Cies值進(jìn)行計(jì)算，并且還要通過實(shí)驗(yàn)對(duì)參數(shù)進(jìn)行整定，得出較適合的參數(shù)才能確保模塊安全可靠工作。
    (2)2ED300與IGBT之間的布線需要特別的注意
    柵極驅(qū)動(dòng)布線對(duì)防止?jié)撛诘恼袷?、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(hù)電路的動(dòng)作次數(shù)有很大的影響。因此，必須將模塊的輸出級(jí)和IGBT之間的寄生電感減至最低，即盡量減小二者之間的距離，并且用絞線傳遞驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

4 結(jié)束語
    2ED300模塊具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)能力，包含有完善的短路過流保護(hù)和電源監(jiān)控功能，外圍路簡單可靠，使用方便靈活，應(yīng)用場合廣泛，是一款性能優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)模塊。設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮其特點(diǎn)，通過合理設(shè)置外同參數(shù)，保證安全可靠的驅(qū)動(dòng)大功率開關(guān)管IGBT工作，可以在工程中推廣應(yīng)用。