SCALE™-2 IGBT門(mén)極驅(qū)動(dòng)器能輕松實(shí)現(xiàn)可再生能源逆變器系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)

新款2SP0325 IGBT 門(mén)極驅(qū)動(dòng)器（CONCEPT 推出的SCALE™-2 即插即用門(mén)極驅(qū)動(dòng)器家族的新成員）能夠在太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用中，為Mitsubishi 生產(chǎn)的New Mega Power Dual IGBT模塊提供高效的驅(qū)動(dòng)。該驅(qū)動(dòng)器具有較高的集成度和優(yōu)越的抗EMI 性能，便于實(shí)現(xiàn)緊湊且高可靠性的功率變換器設(shè)計(jì)，是一種靈活且即時(shí)可用的解決方案。

隨著可再生能源市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電逆變器應(yīng)用需要使用功能更強(qiáng)大的IGBT模塊。理想情況下，所需要的IGBT 模塊數(shù)必須盡量保持最少，以便降低系統(tǒng)的成本及復(fù)雜度，同時(shí)還應(yīng)保持高可靠性。為響應(yīng)這一市場(chǎng)需求，Mitsubishi 推出了New Mega Power Dual 模塊，該IGBT 模塊系列實(shí)現(xiàn)了在MW級(jí)應(yīng)用中，三相逆變器的每一相只需使用一個(gè)半橋IGBT模塊，而無(wú)需并聯(lián)多個(gè)IGBT 模塊。有兩種類(lèi)型的IGBT 可用：一種是專(zhuān)門(mén)針對(duì)太陽(yáng)能逆變器設(shè)計(jì)的1200V/2500A 模塊(CM2500DY-24S)，另一種是針對(duì)風(fēng)力發(fā)電逆變器設(shè)計(jì)的1700V/1800A 模塊(CM1800DY-34S)。通過(guò)采用CSTBT™（載流子儲(chǔ)存的溝槽柵雙極晶體管）技術(shù)，結(jié)合極低電感的內(nèi)部布線，并使用先進(jìn)的鋁基板以?xún)?yōu)化模塊的冷卻性能，該 IGBT 模塊的性能得以?xún)?yōu)化[1]。

圖1：2SP0325T 用螺絲固定到New Mega Power Dual IGBT 模塊上

本文將介紹2SP0325 SCALE™-2 驅(qū)動(dòng)器的主要功能，該驅(qū)動(dòng)器專(zhuān)門(mén)針對(duì)New Mega Power Dual IGBT 模塊而開(kāi)發(fā)。該驅(qū)動(dòng)器系列提供兩種版本：

● 2SP0325T 驅(qū)動(dòng)器--采用電氣接口，具有較高的性?xún)r(jià)比，適用于對(duì)成本敏感的應(yīng)用。

● 2SP0325V 驅(qū)動(dòng)器--包含一組光纖接口，適用于需要使用光纖的應(yīng)用。

這兩種版本的驅(qū)動(dòng)器都是安全、緊湊且可靠的解決方案，能夠縮短變換器的設(shè)計(jì)周期。

適應(yīng)嚴(yán)苛EMI 環(huán)境的設(shè)計(jì)

門(mén)極驅(qū)動(dòng)器是實(shí)現(xiàn)緊湊且高可靠性太陽(yáng)能或風(fēng)力發(fā)電逆變器的關(guān)鍵元件。驅(qū)動(dòng)器不僅控制著變換器系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)特性和相關(guān)性能，而且還負(fù)責(zé)確保IGBT 在安全的工作限值內(nèi)進(jìn)行工作，即使在過(guò)載或短路情況下也是如此。

IGBT 模塊內(nèi)部的電感保持在相對(duì)較低的水平，這是因?yàn)橹苯釉?SP0325 驅(qū)動(dòng)器下方沿著模塊縱向放置了一個(gè)母排。驅(qū)動(dòng)器上感應(yīng)到的電磁干擾(EMI)在正常工作條件下相對(duì)較低，原因是母排中的電流變化出現(xiàn)在兩個(gè)方向，從而形成一個(gè)較小的外部磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)通常對(duì)于直接放置在IGBT 模塊上方的驅(qū)動(dòng)器不會(huì)構(gòu)成問(wèn)題。但在出現(xiàn)IGBT 短路時(shí)，磁場(chǎng)變化就會(huì)非常大，這是因?yàn)榱鹘?jīng)IGBT 模塊的電流非常大。IGBT 驅(qū)動(dòng)器的一項(xiàng)重要功能是能夠在發(fā)生短路時(shí)在短時(shí)間內(nèi)(<10μs)將IGBT 可靠關(guān)斷。因此，必須對(duì)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，使其能夠在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中正常工作，特別是在IGBT 短路情況下也能正常工作。

2SP0325 的布局在設(shè)計(jì)之初已經(jīng)過(guò)充分考慮，使用相應(yīng)的鋪地層以確保能夠?qū)︱?qū)動(dòng)器的電子元件進(jìn)行適當(dāng)屏蔽，同時(shí)對(duì)功耗相對(duì)較高的元件進(jìn)行最合理的散熱，從而降低驅(qū)動(dòng)器工作溫度并相應(yīng)的提高了可靠性。電氣接口的版本(2SP0325T)針對(duì)15V 邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步提高驅(qū)動(dòng)器的信噪比。分立元件經(jīng)過(guò)精心選擇，確保更長(zhǎng)的使用壽命和更高的可靠性。例如，CONCEPT 產(chǎn)品中不使用電解電容。

高度集成的SCALE-2 芯片組結(jié)合以上所述的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得驅(qū)動(dòng)器能夠直接在IGBT 模塊上方安全工作，而無(wú)需在IGBT 模塊與驅(qū)動(dòng)器之間采取任何屏蔽措施。

成熟的SCALE-2 技術(shù)

SCALE-2 芯片組在原方芯片LDI（邏輯驅(qū)動(dòng)接口）和副方芯片IGD（智能門(mén)極驅(qū)動(dòng)器）中集成了雙通道門(mén)極驅(qū)動(dòng)核的全部功能。該芯片組具有極高的集成度，因此可以極大地減少分立元件的使用，從而帶來(lái)成本和可靠性?xún)?yōu)勢(shì)[2]。

圖2：2SP0325T SCALE-2 驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部框圖

原方ASIC LDI 主要執(zhí)行以下功能：

● 將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為變壓器脈沖（電氣接口）。

● 接收驅(qū)動(dòng)器副方生成的故障信號(hào)，并傳遞至驅(qū)動(dòng)器的原方接口。如果存在故障，驅(qū)動(dòng)器在阻斷時(shí)間內(nèi)保持阻斷狀態(tài)（對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器通道保持關(guān)斷狀態(tài)）。

● 生成DC/DC 變換器的開(kāi)關(guān)信號(hào)。

● 監(jiān)控原方電源。在出現(xiàn)電源欠壓時(shí)，同時(shí)關(guān)閉兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器通道，并生成故障信號(hào)。

● 可以選擇兩種工作模式：在直接模式下，用戶(hù)可以對(duì)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器通道進(jìn)行獨(dú)立控制（死區(qū)時(shí)間必須從外部生成）。在半橋模式下，LDI 在兩個(gè)通道之間自動(dòng)生成死區(qū)時(shí)間。

副方ASIC IGD 執(zhí)行以下功能：

● 將變壓器信號(hào)轉(zhuǎn)換成+15V/-10V 門(mén)極-發(fā)射極電壓。

● 短路監(jiān)控 —— 在短路期間，相應(yīng)的IGBT 關(guān)斷，故障信號(hào)傳遞至原方接口。

● 高級(jí)有源鉗位（將在本文后面詳細(xì)介紹）限制Vce 關(guān)斷過(guò)壓。

● 監(jiān)控驅(qū)動(dòng)器副方電源電壓。在電源發(fā)生欠壓時(shí)，IGBT 安全關(guān)斷，生成故障信號(hào)并傳回驅(qū)動(dòng)器原方（電氣接口）。

驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置了DC-DC 變壓器，用來(lái)將門(mén)極驅(qū)動(dòng)器所需的能量傳輸至副方。DC-DC 電源和信號(hào)變壓器都符合EN 50178 的安全隔離標(biāo)準(zhǔn)，驅(qū)動(dòng)器的原方與任何一個(gè)副方都可達(dá)到級(jí)防護(hù)等級(jí)。

靈活的解決方案

由于 2SP0325 驅(qū)動(dòng)器裝備了具有監(jiān)控和控制功能的SCALE-2 芯片組，全部功能已經(jīng)具備，客戶(hù)無(wú)需外加任何器件（如門(mén)極電阻），即使雜散電感高達(dá)35nH，驅(qū)動(dòng)器也能應(yīng)付自如。用戶(hù)只需為驅(qū)動(dòng)器提供15V 的非隔離電源電壓，并向門(mén)極驅(qū)動(dòng)器提供對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)（電氣或光纖連接器）即可。

高級(jí)有源鉗位功能

IGBT 驅(qū)動(dòng)器2SP0325 的一個(gè)關(guān)鍵功能是控制IGBT 關(guān)斷過(guò)壓。在設(shè)計(jì)即插即用的驅(qū)動(dòng)器時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)是，如何設(shè)置驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)以使其適合各種變換器系統(tǒng)，而無(wú)需更改門(mén)極電阻或其他驅(qū)動(dòng)器參數(shù)。

圖3：帶dv/dt 反饋的動(dòng)態(tài)高級(jí)有源鉗位

大家熟悉的基本有源鉗位（圖3 中的方框AC）在關(guān)斷時(shí)可限制IGBT 的集電極-發(fā)射極電壓。這種鉗位電路是將IGBT 的集電極電位通過(guò)瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS)反饋到IGBT 門(mén)極的單反饋電路。IGBT 會(huì)在集電極-發(fā)射極電壓超過(guò)預(yù)設(shè)的閾值時(shí)立即部分導(dǎo)通，然后維持在線性區(qū)內(nèi)工作，因此可降低集電極電流的下降速率，進(jìn)而限制集電極-發(fā)射極過(guò)壓。

在SCALE-2 技術(shù)中，高級(jí)有源鉗位(AAC)功能（圖3 中的方框AC 和AAC）是由驅(qū)動(dòng)器的副方ASIC 實(shí)現(xiàn)的。只要電阻R2 右側(cè)的電位因有源鉗位動(dòng)作而升高，與GL 相連的驅(qū)動(dòng)器的推動(dòng)級(jí)的關(guān)斷MOSFET 就會(huì)被逐步關(guān)斷。這樣會(huì)減少?gòu)腎GBT 門(mén)極流出并流入COM 的電荷，該電荷流經(jīng)關(guān)斷門(mén)極電阻Rg,off。其作用是減小IGBT 關(guān)斷時(shí)集電極-發(fā)射極過(guò)壓，并降低TVS 損耗[3]。

dv/dt 反饋

2SP0325 驅(qū)動(dòng)器中額外增加了dv/dt 反饋功能（圖3）。其作用是，在正常開(kāi)關(guān)工作中實(shí)現(xiàn)非常有效的關(guān)斷過(guò)壓限制，而不會(huì)造成TVS 熱過(guò)載。在集電極-發(fā)射極電壓升高時(shí)，會(huì)有電流（可根據(jù)等式計(jì)算得出）流入與TVS 并聯(lián)的dv/dt 反饋電容。該電流將進(jìn)一步為高級(jí)有源鉗位提供支持，因?yàn)樗魅胪粋€(gè)驅(qū)動(dòng)器端子，但會(huì)早于高級(jí)有源鉗位的TVS 動(dòng)作。通過(guò)采用這種額外的驅(qū)動(dòng)方法，VCE 電壓鉗位變得更有效，TVS 損耗更低。因此，可以提高IGBT 的開(kāi)關(guān)頻率，或者可以在更大的直流母線雜散電感下開(kāi)關(guān)IGBT 模塊，而不會(huì)超出IGBT的反向偏置安全工作區(qū)(RBSOA)。并且，不需要使用吸收電容。

圖4：CM2500DY-24S 的關(guān)斷比較，Lσ=15nH 和30nH (IC=2500A, VDC=800V, TA=25°C)

圖5：CM2500DY-24S 的關(guān)斷比較，Lσ=15nH 和30nH (IC=5000A, VDC=800V, TA=25°C)

通過(guò)在不同的集電極電流和直流母線雜散電感Lσ 條件下，對(duì)CM2500DY-24S IGBT 模塊進(jìn)行的關(guān)斷測(cè)量， SCALE-2 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)得到了充分展現(xiàn)。高級(jí)有源鉗位和dv/dt 反饋將IGBT 關(guān)斷速度控制到盡可能最大，而不會(huì)超出RBSOA。這在圖4 中的針對(duì)額定電流的關(guān)斷峰值過(guò)壓測(cè)量(Vce,peak=1086V @ Lσ=15nH, Vce,peak=1090V @ Lσ=30nH)和在圖5 中的針對(duì)兩倍額定電流的關(guān)斷峰值過(guò)壓測(cè)量(Vce,peak=1097V @ Lσ=15nH, Vce,peak=1085V @ Lσ=30nH)中清晰可見(jiàn)，這兩個(gè)測(cè)量的結(jié)果幾乎相同。門(mén)極-發(fā)射極電壓的振蕩與鉗位電路的控制反饋有關(guān)并且是完全正常的。在集電極-發(fā)射極電壓上升階段開(kāi)始時(shí)，我們可以清晰地看到與dv/dt 反饋相關(guān)的門(mén)極-發(fā)射極電壓抬升。在第二部分，門(mén)極-發(fā)射極電壓抬升與集電極關(guān)斷電流的高di/dt 有關(guān)，這可以激活高級(jí)有源鉗位功能。

該測(cè)量是在半橋電路中采用雙脈沖測(cè)量方法完成，并且由2SP0325T 為CM2500DY-24S 提供驅(qū)動(dòng)。在測(cè)量中使用特定的1μF/1250V 緩沖電容將雜散電感降至最小值15nH。測(cè)量結(jié)果顯示，在整個(gè)母線電壓VDC=800V 下，驅(qū)動(dòng)器可以安全關(guān)斷IGBT 模塊兩倍額定的電流。測(cè)得的關(guān)斷過(guò)壓低于1200V 限值，具有足夠的安全裕量。圖4 和圖5 中的測(cè)量在25°C 下完成。85°C（這是門(mén)極驅(qū)動(dòng)器的最大工作環(huán)境溫度限值）環(huán)境溫度下，VCE 關(guān)斷過(guò)壓提高了60V，但仍明顯處于IGBT 模塊的RBSOA 內(nèi)。

動(dòng)態(tài)高級(jí)有源鉗位

CONCEPT 的動(dòng)態(tài)高級(jí)有源鉗位(DA2C)是在2SP0325 驅(qū)動(dòng)器基礎(chǔ)上的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。在有源鉗位回路中增加了額外的TVS（圖3 中的方框DA2C），與高級(jí)有源鉗位中使用的TVS 串聯(lián)。從IGBT 導(dǎo)通開(kāi)始，到IGBT 發(fā)出關(guān)斷指令后的大約15-20us 內(nèi)，輔助IGBT Q0 都處于打開(kāi)狀態(tài)，將這個(gè)額外的TVS 短接，以降低有源鉗位的門(mén)檻值，確保獲得高效的有源鉗位（在IGBT關(guān)斷時(shí)額外的TVS 不工作）。在經(jīng)過(guò)該15-20us 的延遲時(shí)間后，輔助IGBT Q0 關(guān)斷，這個(gè)加裝的TVS 被激活，驅(qū)動(dòng)器的有源鉗位的門(mén)檻值被提高，這樣可以允許直流母線電壓在IGBT 關(guān)斷期間上升到更高的值。舉例來(lái)說(shuō)，緊急停機(jī)后變換器系統(tǒng)的輸出電感會(huì)消磁，從而導(dǎo)致不可避免的直流母線電壓短時(shí)升高，動(dòng)態(tài)高級(jí)有源鉗位允許這種情況發(fā)生。

IGBT 短路保護(hù)

圖6：2SP0325T 與CM2500DY-24S 在半橋拓?fù)渲械亩搪?/span>

2SP0325 驅(qū)動(dòng)器中的短路檢測(cè)采用與其他SCALE-2 驅(qū)動(dòng)器相同的可靠原理實(shí)現(xiàn)：在IGBT 導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)對(duì)IGBT 的飽和電壓進(jìn)行監(jiān)控。該電路檢查集電極-發(fā)射極電壓在導(dǎo)通后的給定時(shí)間內(nèi)是否降低到了預(yù)設(shè)水平。如果集電極-發(fā)射極電壓未低于該水平，或者稍后在IGBT 導(dǎo)通時(shí)高于該水平，則檢測(cè)出短路故障，驅(qū)動(dòng)器將在IGBT 的RBSOA 內(nèi)安全關(guān)斷IGBT。

圖7：短路檢測(cè)電路

在IGBT 關(guān)斷狀態(tài)下，圖7 中驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部MOSFET T1 將管腳VCE 連接到管腳COM。然后，電容Ca 放電至負(fù)電源電壓。在IGBT 開(kāi)通過(guò)程以及導(dǎo)通狀態(tài)下，驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部MOSFET T1關(guān)斷，Ca 將從COM 電位被充電至IGBT 飽和電壓。如果集電極-發(fā)射極電壓（藍(lán)圈）高于預(yù)設(shè)水平，則Ca 電壓（紅圈）會(huì)升高到參考電壓（綠圈）以上，IGBT 即處于短路狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)器將立即關(guān)斷IGBT。

使用電阻網(wǎng)絡(luò)的退飽和保護(hù)功能比使用二極管的傳統(tǒng)解決方案更具優(yōu)勢(shì)。VCE 檢測(cè)不再受到高壓二極管的寄生電容或其顯著的溫度特性的影響。此外，IGBT 飽和導(dǎo)通期間的濾波時(shí)間常數(shù)相對(duì)較高 —— 在50μs 的范圍內(nèi)。這種濾波可避免在IGBT 處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)因VCE 在短時(shí)內(nèi)突然升高而出現(xiàn)誤保護(hù)。

此外，SCALE-2 驅(qū)動(dòng)器可在IGBT 處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)提供非常穩(wěn)定的+15V 門(mén)極電壓。該功能在II 類(lèi)短路條件下特別具有優(yōu)勢(shì)。在此故障模式下出現(xiàn)的高集電極-發(fā)射極dv/dt 可將數(shù)量相當(dāng)大的電荷注入門(mén)極電路（密勒效應(yīng)）。這會(huì)造成門(mén)極電壓升高，從而導(dǎo)致過(guò)高水平的短路電流。這可能會(huì)給IGBT 模塊帶來(lái)危險(xiǎn)，特別是在短路時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)。SCALE-2 驅(qū)動(dòng)器使用一個(gè)肖特基二極管進(jìn)行鉗位，將門(mén)極-發(fā)射極電壓限定在安全值。穩(wěn)定的15V 電源可吸收密勒效應(yīng)反饋的電荷，并保證IGBT 的安全工作。

結(jié)論

由于采用高集成度的SCALE-2 芯片組，2SP0325 CONCEPT 門(mén)極驅(qū)動(dòng)器能夠?yàn)镸itsubishi 生產(chǎn)的New Mega Power Dual IGBT 模塊提供高性?xún)r(jià)比及可靠的驅(qū)動(dòng)方案。該驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，能滿(mǎn)足該IGBT 大多數(shù)應(yīng)用的要求。這種即時(shí)可用的解決方案可使驅(qū)動(dòng)器在安裝到IGBT 模塊后立即投入運(yùn)行。因此，可輕松縮短設(shè)計(jì)周期并降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)為New Mega Power Dual IGBT 模塊推出的即插即用驅(qū)動(dòng)器系列，CONCEPT 再次展示出成熟的SCALE-2芯片組的卓越性能，該芯片組可令最新一代的IGBT 模塊在強(qiáng)EMI 環(huán)境中實(shí)現(xiàn)最優(yōu)運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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