摘要:介紹了一種新型高性能高壓IGBT集成驅(qū)動模塊2SD315AI-33的管腳功能和工作原理,同時還給出了該模塊與同類產(chǎn)品相比的顯著性能特點,介紹了2SD315AI-33在“雙逆變器-電機”能量互饋式交流傳動試驗系統(tǒng)中的應(yīng)用方法,討論了在實際應(yīng)用中的注意事項｡ 關(guān)鍵詞:IGBT 驅(qū)動模塊 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行而設(shè)計的驅(qū)動模塊,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(zhǔn)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(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個管腳｡具體功能如下: 1,2腳（VDD）:信號電源; 3腳（SO1）:通道1狀態(tài)輸出; 4腳（VL/Reset）: 定義邏輯電平/錯誤信號復(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)動電源; 18～22腳（GND）DC/DC驅(qū)動電源地; 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間tpdon:300ns; ●關(guān)斷時間tpd（off）:350ns; ●短路或欠壓保護阻斷時間:1s; ●輸出上升時間tr（out）:160ns; ●輸出下降時間tf（out）:130ns; ●最大電壓上升率:100kV/μs｡ 2、工作原理及性能特點 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(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信號不能直接通過脈沖變壓器,尤其是當(dāng)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(shè)計的,此專用集成芯片的功能主要是對輸入的PWM信號進(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,因此對輸入端信號無特殊的邊沿陡度要求,并能提供準(zhǔn)靜態(tài)的狀態(tài)信號反饋｡將其設(shè)計為集電極開路方式,可以適應(yīng)任何電平邏輯,并可直接產(chǎn)生死區(qū)時間｡以上優(yōu)點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｡每個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(jìn)行解碼,對PWM信號進(jìn)行功率放大,對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(yīng)時間和阻斷時間等｡ 2.2 性能特點 2SD315AI-33與其它驅(qū)動器相比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(shè)定短路保護閾值 3、2SD315AI-33在實際中的應(yīng)用 3.1 應(yīng)用實例 筆者所在實驗室中正在設(shè)計的“雙逆變器-電機”能量互饋式交流傳動試驗系統(tǒng)由于采用專為電力機車所設(shè)計的300kW異步電機,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｡該器件的電壓等級為3300V,電流等級為1200A｡根據(jù)FZ1200R33KF1對驅(qū)動保護電路的要求以及2SD315AI-33驅(qū)動模塊的性能特點,筆者設(shè)計了IGBT的驅(qū)動保護電路,具體如圖3所示｡ 該電路由輸入保護､電源保護､上電復(fù)位､死區(qū)時間設(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:通常驅(qū)動板通過引線與控制電路相連,因此,應(yīng)對驅(qū)動電路的輸入InputA和InputB給予適當(dāng)?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｡該電路會產(chǎn)生大約1μs的信號延遲｡ 電源保護:在一定的情況下,如果驅(qū)動器外部發(fā)生短路（如IGBT毀壞或短路）,則驅(qū)動模塊內(nèi)部的DC/DC變換器可能會導(dǎo)致電源線短路｡故設(shè)計時在VDD端增加了一個熔斷器,以保證在出現(xiàn)故障時電路板不致毀壞｡圖中的16V穩(wěn)壓管Z2用于過壓保護｡ 上電復(fù)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｡該電路同時還有欠壓保護功能｡VDD>12.7V時,Z1反向擊穿,Q1導(dǎo)通,Q2截止,VL為高電平,驅(qū)動器開通;而當(dāng)VDD<12V時,Q1截止,Q2導(dǎo)通,VL為低電平,驅(qū)動器關(guān)斷｡另外,該復(fù)位電路還可保證在開啟電源后的一個較短時間內(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,驅(qū)動電流經(jīng)RG1和二極管DG流向IGBT,即開通電阻Ron=RG1 關(guān)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(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)計中需要特別注意的問題 在任何時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)動電路｡ 在管腳Visox和Lsx之間需串接一個電阻和發(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對于干擾極為敏感,因此,在設(shè)計中若要指示狀態(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,否則會因電磁干擾的引入使整個電路不能正常工作｡ 電容CGEX 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｡選取時要反復(fù)調(diào)試,否則會使驅(qū)動輸出信號發(fā)生振蕩｡ 3.3 門極驅(qū)動布線 門極驅(qū)動布線對防止?jié)撛诘恼袷?#65380;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,門極布線的設(shè)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(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(yīng)把驅(qū)動板直接用螺絲擰在IGBT模塊上｡ 4、結(jié)論 通過以上介紹可知,高壓IGBT驅(qū)動模塊2SD315A-33具有以下優(yōu)點: （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行｡ （2）該驅(qū)動模塊的接口非常簡單,能處理所有從5V～15V電平的邏輯信號｡由于輸入口內(nèi)部有施密特觸發(fā)器,它對輸入端信號無特殊的邊沿陡度要求,而且狀態(tài)反饋輸出端設(shè)計為集電極開路,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)動電壓（15V）,使得任何廠家的各種級別的IGBT模塊都可安全運行;負(fù)偏置的使用使得電路的抗干擾能力大大增強,這樣就很容易實現(xiàn)IGBT模塊的并聯(lián)｡ （4）內(nèi)部電壓隔離使得即使是多個驅(qū)動模塊,也可以共用一個驅(qū)動電源,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）過流保護能準(zhǔn)確無誤的動作,且簡單易調(diào)｡同時具有欠壓保護功能,并采取與過流保護同樣的措施｡ （6）用變壓器作隔離輸出級使得該驅(qū)動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,同時脈沖變壓器的雙向工作,既可傳輸驅(qū)動信號,也可傳輸反饋信號｡