基于2SC0108T的即插即用型IGBT驅(qū)動(dòng)器

摘要：針對(duì)IGBT 驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜且保護(hù)功能不盡完善的問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于2SC0108T的即插即用型IGBT驅(qū)動(dòng)器，以及相應(yīng)的前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路、 后級(jí)功率驅(qū)動(dòng)電路和故障報(bào)警電路。該驅(qū)動(dòng)器具有直接模式和半橋模式、驅(qū)動(dòng)信號(hào)硬件互鎖、硬件死區(qū)時(shí)間可調(diào)節(jié)、IGBT過流及短路保護(hù)、驅(qū)動(dòng)電源過欠壓監(jiān)控和易于安裝的特點(diǎn)。結(jié)合英飛凌EconoDUAL3封裝IGBT模塊，完成了即插即用型IGBT驅(qū)動(dòng)器的硬件設(shè)計(jì)及調(diào)試，有效減小了雙絞線傳輸方式寄生電容及寄生電感的影響。

　　IGBT具有耐壓高、電流大、開關(guān)速度高和低飽和壓降等優(yōu)良特點(diǎn)，在牽引電傳動(dòng)、電能傳輸與變換、有源濾波等電力電子領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

　　IGBT模塊的保護(hù)主要由IGBT驅(qū)動(dòng)器來完成。驅(qū)動(dòng)器是功率主電路與控制電路之間的接口，在充分發(fā)揮IGBT的性能、提高系統(tǒng)可靠性等方面發(fā)揮著重要作用。高性能的驅(qū)動(dòng)器可使IGBT工作在比較理想的開關(guān)狀態(tài)，如開關(guān)延時(shí)小、開關(guān)損耗低等。本文提出的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)采用瑞士CONCEPT公司最新推出的2SC0108T模塊作為核心部件，設(shè)計(jì)了前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路、硬件死區(qū)電路、后級(jí)功率驅(qū)動(dòng)電路、故障信號(hào)調(diào)理電路，試驗(yàn)結(jié)果證明該驅(qū)動(dòng)器具有良好的驅(qū)動(dòng)及保護(hù)能力。

　　1 2SC0108T簡(jiǎn)介

　　2SC0108T是一款高集成度低成本的超小型SCALE-2雙通道驅(qū)動(dòng)器。接口兼容3.3 V～15 V邏輯電平信號(hào)，柵極驅(qū)動(dòng)電壓為+15 V/-8 V，驅(qū)動(dòng)電流為8 A，單通道輸出功率為1 W，可以驅(qū)動(dòng)600 A/1 200 V或 450 A/1 700 V的常規(guī)IGBT模塊或并聯(lián)IGBT模塊，支持3級(jí)或多級(jí)拓?fù)?。具有短路保護(hù)、過流保護(hù)和電源電壓監(jiān)控等功能。延遲時(shí)間為80 ns±4 ns，抖動(dòng)時(shí)間為± 2ns。

　　為了使2SC0108T在主回路中的性能達(dá)到最優(yōu)，必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的外圍硬件電路，如驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)理電路、IGBT功率驅(qū)動(dòng)電路和故障信號(hào)調(diào)理電路，并集成到IGBT驅(qū)動(dòng)器中。由于IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率較高，容易對(duì)其他模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)造成干擾，而且，驅(qū)動(dòng)信號(hào)線寄生電容和寄生電感對(duì)驅(qū)動(dòng)器的性能、可靠性有重要影響，因此，傳統(tǒng)的安裝模式為驅(qū)動(dòng)器和IGBT模塊獨(dú)立安裝，通過雙絞線連接以減少寄生電容、寄生電感的影響。本文從減小信號(hào)線寄生電容、寄生電感和電磁干擾（EMI）方面考慮，設(shè)計(jì)了一個(gè)直接安裝于IGBT模塊上的即插即用型IGBT驅(qū)動(dòng)器。

　　2SC0108T內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要由三個(gè)功能模塊構(gòu)成，即邏輯驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)化接口LDI（Logic-to-Driver Interface）、電氣隔離模塊和智能柵極驅(qū)動(dòng)IGD（Intelligent Gate Driver）。

圖1 2SC0108T內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

　　第一個(gè)功能模塊是由輔助電源和信號(hào)輸入兩部分組成。其中信號(hào)輸入部分主要將控制器的PWM信號(hào)進(jìn)行整形放大，并根據(jù)需要進(jìn)行控制，之后傳遞到信號(hào)變壓器，同時(shí)檢測(cè)從信號(hào)變壓器返回的故障信號(hào)，將故障信號(hào)處理后發(fā)送到故障輸出端；輔助電源的功能是將輸入的直流電壓經(jīng)過單端反激式變換電路，轉(zhuǎn)換成兩路隔離電源供給輸出驅(qū)動(dòng)放大器使用。

　　第二個(gè)功能模塊是電氣隔離模塊，由兩個(gè)傳遞信號(hào)的脈沖變壓器和傳遞功率的電源變壓器組成。防止功率驅(qū)動(dòng)電路中大電流、高電壓對(duì)一次側(cè)信號(hào)的干擾。

　　第三個(gè)功能模塊是驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出模塊，IGD主要對(duì)信號(hào)變壓器的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和放大，對(duì)IGBT的短路和過流進(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)行故障存儲(chǔ)和短路保護(hù)。

　　2 IGBT驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的IGBT驅(qū)動(dòng)器主要由2SC0108T模塊、前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路、后級(jí)功率驅(qū)動(dòng)電路、故障信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)器功能框圖如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)器功能框圖

　　由控制器產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)A和B，經(jīng)過前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路調(diào)理后，分別送入2SC0108T驅(qū)動(dòng)信號(hào)端INA和INB，INA和INB分別控制IGBT模塊的上橋臂和下橋臂。故障報(bào)警信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路輸出。由于需要檢測(cè)IGBT的過流、短路、二次側(cè)電壓等故障狀態(tài)，以增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的觸發(fā)能力并改善IGBT的開關(guān)特性，設(shè)計(jì)了后級(jí)功率驅(qū)動(dòng)電路。

　　2.1 工作模式

　　該驅(qū)動(dòng)器有兩種工作模式：直接模式和半橋模式。在直接模式下，兩個(gè)通道之間相互獨(dú)立，輸入信號(hào)INA 控制通道1，輸入信號(hào)INB控制通道2。在半橋模式下，輸入信號(hào)INA為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，輸入信號(hào)INB為使能信號(hào)。INB信號(hào)為低電平時(shí)， 封鎖輸出通道；INB 信號(hào)為高電平時(shí)， 使能輸出通道。通過模式選擇端（MOD）接地或?qū)Φ亟右粋€(gè)阻值在71K-182K之間的電阻來選擇工作模式。半橋模式下， 死區(qū)時(shí)間Td可以通過MOD的電阻Rm的值來確定，其計(jì)算公式如下：

　　式中Rm的值為73K-182K時(shí)，死區(qū)時(shí)間可以設(shè)置在0.5us-3.8us之間# 當(dāng)Rm取150K時(shí)，IGBT柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)死區(qū)時(shí)間經(jīng)測(cè)試為2.99us與理論計(jì)算值2.84us基本相符。

　　Rb為調(diào)節(jié)阻斷時(shí)間輸入端，Tb端可以用一個(gè)對(duì)地電阻Rb來設(shè)置阻斷時(shí)間，計(jì)算公式如下：

　　式中Rb的值為71K-181K時(shí)，阻斷時(shí)間可以設(shè)置在20ms-130ms之間，選擇Rb為0Ω， 死區(qū)時(shí)間最小可以設(shè)為9us。Tb端不應(yīng)懸空，可在Tb端接一個(gè)參考電壓來設(shè)置阻斷時(shí)間，其計(jì)算公式如下：

　　式中， 參考電壓Ub在1.42v-3.62v范圍內(nèi)時(shí)，可以設(shè)置在20ms-130ms之間。

　　2.2 前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路

　　由于驅(qū)動(dòng)器置于IGBT模塊上，控制器與驅(qū)動(dòng)板之間的邏輯信號(hào)走線相對(duì)較長(zhǎng)。為了提高信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力和抗干擾能力，設(shè)計(jì)了前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路，如圖3所示。

圖3 前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路

　　驅(qū)動(dòng)信號(hào)先后經(jīng)過了電平轉(zhuǎn)換、電平箝位、死區(qū)/互鎖電路和波形整形最終送入2SC0108T模塊。因2SC0108T為高電平驅(qū)動(dòng)方式，所以此功能電路設(shè)計(jì)成輸入信號(hào)相對(duì)輸出信號(hào)為反邏輯，即控制器驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平時(shí)，加在IGBT上的柵壓為正向柵壓來觸發(fā)IGBT導(dǎo)通；反之，IGBT關(guān)斷。當(dāng)控制器上電復(fù)位或出現(xiàn)故障時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平，從而關(guān)斷IGBT，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。[!--empirenews.page--]

　　由Q101、Q102構(gòu)成的電路網(wǎng)絡(luò)主要完成兩路信號(hào)的互鎖和死區(qū)時(shí)間的設(shè)定，兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的死區(qū)時(shí)間可以通過穩(wěn)壓管D108、D109的穩(wěn)壓值來調(diào)節(jié)，直接模式下（Rm=150 k），穩(wěn)壓管D108、D109的穩(wěn)壓值為3.3 V。硬件死區(qū)電路有效時(shí)，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得死區(qū)時(shí)間為5.08 μs，死區(qū)時(shí)間可以滿足實(shí)際工程中的需要。表1為互鎖電路信號(hào)作用表。

　　由表1可知，2SC0108T工作在直接模式下，由于有互鎖電路，避免了IGBT上下直通的可能。

表1 互鎖電路信號(hào)作用表

　　2.3 故障信號(hào)調(diào)理電路

　　故障狀態(tài)輸出端SO1、SO2實(shí)時(shí)顯示IGBT模塊和供電電源的狀態(tài)，并通過故障報(bào)警信號(hào)調(diào)理電路上報(bào)控制器。

　　因故障狀態(tài)輸出端SO1、SO2為集電極開路門電路，外部需接上拉電阻。當(dāng)故障（初級(jí)側(cè)欠壓、二次側(cè)欠壓、IGBT過流或短路）發(fā)生時(shí)，相應(yīng)的SOx輸出低電平；否則，輸出高電平。如果電源電壓欠壓，封鎖驅(qū)動(dòng)器并且兩個(gè)故障輸出端同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，直到電源電壓工作正常。當(dāng)二次側(cè)發(fā)生故障（檢測(cè)到IGBT模塊短路或電源欠壓）時(shí)，相應(yīng)的故障輸出端發(fā)出報(bào)警信號(hào)，在一個(gè)死區(qū)時(shí)間過后，相應(yīng)的故障信號(hào)消失。所有故障狀態(tài)均通過故障信號(hào)調(diào)理電路上報(bào)控制器。因故障狀態(tài)輸出端SO1、SO2為集電極開路門電路，故將兩個(gè)故障輸出端直接短接實(shí)現(xiàn)“或非”邏輯，作為故障報(bào)警信號(hào)公共端。當(dāng)上述任何一種故障發(fā)生時(shí)，均作為有效故障信號(hào)上報(bào)控制器，并做相應(yīng)處理，這樣既可以簡(jiǎn)化電路硬件設(shè)計(jì)又可以提高驅(qū)動(dòng)器的可靠性。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得驅(qū)動(dòng)器的欠壓保護(hù)門限值為12.1 V，清除欠壓故障電壓門限值為12.8 V。

　　2.4 后級(jí)功率驅(qū)動(dòng)電路

　　IGBT后級(jí)驅(qū)動(dòng)電路為驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出通道和IGBT模塊之間的電路接口。二次側(cè)欠壓、IGBT過流或短路故障狀態(tài)的檢測(cè)都是由后級(jí)功率驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。

圖4 后級(jí)功率驅(qū)動(dòng)電路

　　VCE為IGBT集電極檢測(cè)端，為了檢測(cè)IGBT過流或短路，集電極檢測(cè)端須通過圖4所示的電路連接到IGBT的輔助集電極上。GH和GL分別為柵極開啟和關(guān)斷端，通過開啟、關(guān)斷柵極限流串并網(wǎng)絡(luò)連接到IGBT的柵極。柵極限流阻值對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的前后沿陡度和IGBT的開關(guān)特性有影響。當(dāng)阻值增大時(shí)，可以抑制柵極脈沖前后沿陡度、防止寄生振蕩、減小開關(guān)dic/dt值、限制IGBT集電極尖峰電壓；當(dāng)阻值減小時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致G、E之間發(fā)生振蕩以及IGBT集電極dic/dt值增加，引起IGBT集電極尖峰電壓，使IGBT損壞。該功能電路的作用是，若柵極限流電阻發(fā)生開路故障，此電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值會(huì)增加，可以抑制驅(qū)動(dòng)信號(hào)前后沿陡度、減小開關(guān)dic/dt值，可以保證即使柵極限流網(wǎng)絡(luò)發(fā)生開路故障時(shí)，還能夠觸發(fā)IGBT，從而提高柵極后級(jí)驅(qū)動(dòng)電路的可靠性。

　　二極管D1、D2用于二次側(cè)欠壓保護(hù)。當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓欠壓時(shí)，不能觸發(fā)IGBT導(dǎo)通，二極管因承受正向電壓而導(dǎo)通，集電極檢測(cè)端電壓升高到設(shè)定值時(shí)，封鎖相應(yīng)的后級(jí)柵極驅(qū)動(dòng)通道并通過故障輸出端發(fā)出報(bào)警信號(hào)。為了防止誤觸發(fā)，二極管漏電流必須小。因正常導(dǎo)通時(shí)柵極驅(qū)動(dòng)電壓為+15 V，IGBT輔助集電極電壓相對(duì)較低，為防止二極管反向擊穿，其阻斷電壓應(yīng)大于40 V。

　　當(dāng)柵極處于失控狀態(tài)、主電路突加電壓時(shí)，由于集電極-柵極、柵極-發(fā)射極存在寄生電容，集電極電勢(shì)的突然變化，就會(huì)有大小為C·du/dt的電流流過寄生電容（C為寄生電容容值），使柵極電勢(shì)上升，誤觸發(fā)IGBT。為防止上述情況的發(fā)生，在GL和VE之間接一電阻Reg，為IGBT的柵極和發(fā)射極提供一個(gè)低阻抗回路，其阻值要求為22 kΩ或更大。

　　REF端內(nèi)部集成有可以提供150 μA的恒流源，參考電阻Rth的阻值通過如下公式進(jìn)行計(jì)算：

　　式中Vth為關(guān)斷門限值電壓。

　　此驅(qū)動(dòng)器關(guān)少數(shù)民族門限值電壓設(shè)置為2.85V，通過式（4）計(jì)算同參考電阻Rth的阻值為：

　　實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)IGBT模塊的過流倍數(shù)來選取合適的關(guān)斷門限值。

　　CA1、CA2為響應(yīng)時(shí)間電容，其作用是以電阻Rth端電壓為參考，通過與其串聯(lián)電阻的充電時(shí)間特性來確定響應(yīng)時(shí)間。

　　當(dāng)觸發(fā)IGBT導(dǎo)通時(shí)，測(cè)試信號(hào)無效。而IGBT導(dǎo)通需經(jīng)過一定的開通時(shí)間，如果沒有響應(yīng)時(shí)間電容Ca，則在IGBT開通過程中，將導(dǎo)致比較器正極性端電壓高于Vth而誤報(bào)警。若電容選擇合適，在IGBT開通過程中，使電容充電時(shí)間大于開通時(shí)間即可避免上述情況的發(fā)生。通常情況下，不同額定電流值的IGBT模塊導(dǎo)通壓降不同。額定電流為450 A的IGBT的導(dǎo)通壓降一般情況為2 V，若IGBT工作中發(fā)生過流，其集電極電壓會(huì)上升，并且正比于電流值。過流故障發(fā)生前電容Ca的電壓為正常導(dǎo)通壓降，過流時(shí)電容兩端的電壓與時(shí)間的關(guān)系為：y=2e-t/RC+UCE（1-e-t/RC）。當(dāng)響應(yīng)時(shí)間電容為33 pF，電阻R為120 kΩ，Vth為5.85 V，過流導(dǎo)通壓降UCE為10 V時(shí)的MATLAB仿真曲線如圖5所示。

圖5 仿真曲線

　　實(shí)踐中可以通過選擇響應(yīng)時(shí)間電容的容值，關(guān)斷門限值電壓Vth，IGBT過流倍數(shù)來計(jì)算圖5中t1的值：

　　與傳統(tǒng)的IGBT驅(qū)動(dòng)器相比，即插即用型驅(qū)動(dòng)器采用了與IGBT模塊一體化的設(shè)計(jì)思想，減小了驅(qū)動(dòng)信號(hào)線上寄生電容和寄生電感的影響，提高了驅(qū)動(dòng)器的可靠性。本文基于2SC0108的即插即用型IGBT驅(qū)動(dòng)器，通過對(duì)前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路、后級(jí)功率驅(qū)動(dòng)電路及故障信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了多工作模式可選、多種故障狀態(tài)檢測(cè)及保護(hù)等功能。即插即用型IGBT驅(qū)動(dòng)器的調(diào)試、試驗(yàn)和工程應(yīng)用都驗(yàn)證了本驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的有效性和實(shí)用性。