0 引言

2SD315AI 是瑞士CONCEPT 公司專為1 200 V和1 700 V 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)，外加必需的其他元件組成。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)MHz以上;電氣隔離可達(dá)到AC4000V。

1 2SD315AI簡介

1.1 外形及管腳功能

圖1 所示為2SD315AI 的外形圖，該芯片共有44個(gè)管腳。具體功能如下：

腳1，2(VDD) 信號(hào)電源;

腳3(SO1) 通道1狀態(tài)輸出;

腳4(VL/Reset)

定義邏輯電平/錯(cuò)誤信號(hào)復(fù)位;

腳5(RC1) 通道1死區(qū)RC 網(wǎng)絡(luò);

腳6(INB) PWM2/ENABLE;

腳7(RC2) 通道2死區(qū)RC網(wǎng)絡(luò);

腳8(MOD) 模式選擇;

腳9(SO2) 通道2狀態(tài)輸出;

腳10(INA) PWM1/PWM;

腳11，12(GND) 信號(hào)電源地;

腳13~17(VDC) DC/DC 驅(qū)動(dòng)電源;

腳18~22(GND) DC/DC 驅(qū)動(dòng)電源地;

腳23(Ls2) 通道2的狀態(tài)顯示端;

腳24(C3) 通道2的集電極檢測端;

腳25(Rth2) 通道2的閾值電阻端;

腳16，27(E2)通道3的發(fā)射極;

腳28(Viso2) 通道3的DC/DC輸出側(cè)電源;

腳29，30(COM2) 通道3的DC/DC 輸出側(cè)地;

腳31.32(G2) 通道2的柵極;

腳33，34(NC)未用;

腳35(Ls1) 通道1的狀態(tài)顯示端;

腳36(C1) 通道1的集電極檢測端;

腳37(Rth1) 通道1的閾值電阻端;

腳38，39(E1)通道1的發(fā)射極;

腳40(Viso1) 通道1的DC/DC輸出側(cè)電源;

腳41，42(COM1) 通道1的DC/DC 輸出側(cè)地;

腳43，44(G1)通道1的柵極。

1.2 主要參數(shù)

1.2.1 2SD315AI 的極限參數(shù)

供電電壓VDD和VDC 16 V;

邏輯信號(hào)輸入電平VDD;

門極峰值電流Iout ±18 A;

內(nèi)部開關(guān)電源輸出功率6 W;

輸入輸出隔離電壓AC 4 000 V 50 Hz/min;

工作溫度-40~85℃。

1.2.2 2SD315AI 的主要電參數(shù)

輸入輸出延遲開通時(shí)間tpdon 300 ns;

關(guān)斷時(shí)間tpdoff 350 ns;

短路或欠壓保護(hù)阻斷時(shí)間1 s;

輸出上升時(shí)間tr out 160 ns;

輸出下降時(shí)間tf out 130 ns;

最大電壓上升率100 kV/μs。

2 工作原理與保護(hù)功能

2.1 工作原理

圖2為2SD315AI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電子接口(邏輯與驅(qū)動(dòng)之間的接口)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，特別是當(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。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)生半橋所需的死區(qū)時(shí)間。

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。一個(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)行解碼和功率放大，實(shí)現(xiàn)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。IGD 所有的保護(hù)、檢測功能(如過流、短路保護(hù)和欠壓保護(hù))都置于次級(jí)，因此，在出現(xiàn)故障時(shí)，電路將立即被關(guān)閉并鎖定。

2.2 2SD315AI 驅(qū)動(dòng)塊的保護(hù)功能及特點(diǎn)

2SD315AI 驅(qū)動(dòng)塊的保護(hù)主要包括短路和過流以及電源檢測。對(duì)于短路和過流保護(hù)，驅(qū)動(dòng)中每路都有一個(gè)Vce檢測電路，Rth為關(guān)斷閥值的參考電阻。在IGBT開通后的一段響應(yīng)時(shí)間內(nèi)，Vce檢測電路不起作用。而當(dāng)Vce出現(xiàn)故障后，鎖定時(shí)間功能開始啟動(dòng)，并在鎖定時(shí)間內(nèi)使驅(qū)動(dòng)器鎖定IGBT，而不再接受輸入信號(hào)。模塊中的各路都具有自己的鎖定功能，并均由各路的LDG001實(shí)現(xiàn)。一旦Vce超過Rth設(shè)定的閥值，鎖定將立即啟動(dòng)。

2SD315AI 驅(qū)動(dòng)塊中每路都具有一個(gè)欠壓檢測電路，當(dāng)電源電壓降至10 V或11 V時(shí)，IGBT將執(zhí)行負(fù)壓關(guān)斷，并進(jìn)行故障報(bào)警。

與其他驅(qū)動(dòng)器相比，2SD315AI 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 2SD315AI在實(shí)際中的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用實(shí)例

筆者所在團(tuán)隊(duì)一同設(shè)計(jì)研發(fā)了一臺(tái)300 kV·A工礦車牽引逆變器，并成功地在上海地鐵現(xiàn)場應(yīng)用。

其主要技術(shù)參數(shù)：

輸入額定電壓DC 550 V(350~660 V);

輸入電壓紋波(峰- 谷值) <15%，(瞬態(tài)電壓允

許700 V，持續(xù)時(shí)間2 s，1 200 V持續(xù)時(shí)間<200μs);

輸出容量300 kV·A;

輸出額定電壓AC 0~400 V。

圖3為功率單元的逆變電路圖。

逆變器的主開關(guān)器件選用的是EUPEC 公司的IGBT 模塊FS450R12KE3。該模塊內(nèi)部集成6 個(gè)IGBT，通過三三并聯(lián)，構(gòu)成上下橋臂，使得電流等級(jí)達(dá)到1 350 A。根據(jù)FS450R12KE3 對(duì)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的要求以及2SD315AI驅(qū)動(dòng)模塊的性能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路如圖4所示。

該電路由INPUTA(INA)和INPUTB(INB)輸入保護(hù)、互鎖，電源保護(hù)、上電復(fù)位、IGBT 的接口電路幾部分組成，該電路工作于直接模式。

輸入保護(hù)驅(qū)動(dòng)板通過光纖與控制電路相連，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RX接地。電容CX的作用是抑制輸入端出現(xiàn)的短脈沖或有害的尖峰脈沖。

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4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>12.7 V時(shí)，Z1反向擊穿，Q4導(dǎo)通，Q5截止，VL為高電平，驅(qū)動(dòng)器開通;而當(dāng)VDD<12 V時(shí)，Q4截止，Q5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較短時(shí)間內(nèi)使加在所有IGBT器件控制端上的電壓均為低電壓，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)Rg2和二極管Dg流向IGBT，即開通電阻Ron=Rg2;關(guān)閉時(shí)，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。這樣就可以對(duì)開通的di/dt、dv/dt和關(guān)斷的dv/dt分別進(jìn)行控制，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)候都不能把過流檢測管腳C 直接接到IGBT的集電極，而須通過二極管連接。其承受的反向峰值電壓應(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 之間須串接一個(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)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。

電容悅X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。選取悅X時(shí)要反復(fù)調(diào)試，否則會(huì)使驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)產(chǎn)生振蕩。

3.3 門極驅(qū)動(dòng)電路的合理布線

對(duì)門極驅(qū)動(dòng)電路的合理布線對(duì)防止電路潛在的振蕩、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，門極電路布線的設(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。

4 結(jié)語

通過采取對(duì)各種電路的保護(hù)措施以及較合理的工藝布局，2SD315AI 驅(qū)動(dòng)模塊在300 kV·A 逆變器的應(yīng)用比較成功，這同時(shí)也為2SD315AI-33中高壓驅(qū)動(dòng)模塊的應(yīng)用和以此做更大功率等級(jí)的逆變器積累了經(jīng)驗(yàn)。