大功率IGBT驱动模块特性分析及应用—姜.doc

大功率IGBT驱动模块特性分析及应用姜大功率IGBT驱动模块特性分析及应用姜涛、王政翱 2011年08月15日重要提醒：系统检测到您的帐号可能存在被盗风险，请尽快查看风险提示，并立即修改密码。 | 关闭 网易博客安全提醒：系统检测到您当前密码的安全性较低，为了您的账号安全，建议您适时修改密码 立即修改 | 关闭 大功率IGBT驱动模块特性分析及应用姜涛、王政翱 2011-08-15 00:24:02| 分类： 默认分类| 标签：|字号大中小 订阅 随着电力电子技术的发展，IGBT（尽缘栅双极性晶体管）得到了广泛应用。IGBT具有耐高压、耐大电流、高速和低饱和压降等特点,在高压变频器、风机变流器、太阳能并网逆变器等电力电子产品中得到广泛应用。驱动电路作为控制电路和功率半导体器件之间的桥梁,其性能决定着系统的可靠性,驱动电路设计不仅要有极高的可靠性和良好的电气隔离,还必须要关注电磁兼容、成本等诸多因素。本文详细分析瑞士CONCEPT公司第二代IGBT驱动模块2SC0435T特性及原理,并介绍其典型应用和设计要点。 1. 2SC0435T基本功能 2SC0435T是瑞士CONCEPT公司推出的基于其SCALE-2驱动内核的双通道、大功率驱动模块,与该公司广泛应用的上一代产品2SD315A相比,体积更小、有效管脚更少、集成度更高、可靠性更高、驱动能力更强、功能更多,有更广泛的应用范围及前景,能驱动目前市面上所有耐压小于1700V的IGBT,这款驱动模块内嵌的并联功能使得它支持驱动模块的并联,同时它还支持多电平拓扑结构,可应用于大功率高压变频器、逆变电源等行业。该驱动模块主要由输进逻辑驱动转化接口（LDI）、智能门级驱动（IGD）和隔离型DC/DC电源变换三部分组成。驱动模块内部基本框图如图1所示。LDI是将驱动模块输进的PWM信号进行整形和调制处理后,将驱动信号传递到变压器,通过变压器传递到IGBT侧驱动电路部分,同时也把通过变压器传递过来的IGBT侧驱动电路故障信息解析；LDO是将驱动信号进行解调和放大以驱动IGBT,在驱动IGBT的同时通过集成电路启动对IGBT的过流和短路保护等功能；隔离型DC/DC电源变换器是为驱动电路提供直流电源,最大驱动功率为4W, 输出驱动峰值电流可达到35A,隔离型DC/DC电源具有隔离交流4000V的能力。 图1 2SC0435T驱动模块内部框图 2. 关键技术分析 2.1专业集成电路 作为IGBT驱动电路的核心元件,2SC0435T采用了SCALE-2驱动内核,相比其上一代同产品2SD315A,具有更高的集成度,采用的全新设计的专业集成电路（ASIC）,分离元件降低了60%以上,降低成本的同时亦降低EMI,提高性价比。标有615N的芯片是infineon公司的双路N沟道MOSFET,应用于隔离型DC/DC电源原边变换电路中,标有2101S芯片是CONCEPT公司专门设计的LDI芯片,该芯片集成度极高,包括了模式选择、逻辑控制、死区时间产生、脉冲调制、封锁时间设置及故障锁存等任务,标有2114S的是IGD芯片,其主要功能是脉冲调制、放大、过流及短路保护、有源钳位等,标有220NO3MD的芯片是infineon公司的双路N沟道MOSFET,应用于隔离型DC/DC电源副边变换电路中5。ASIC芯片数量较第一代驱动内核产品有了明显减少,从而 PCB板设计上有更大的灵活性,在驱动模块顶层放置元件,在驱动模块底层放置大面积覆铜来提升散热性能和优化电磁兼容设计。 2.2有源钳位功能 2SC0435T较该公司第一代产品新增加的重要功能是有源钳位,有源钳位是一种钳位技术,即当IGBT的集电极和发射极之间电压即Vce超过一个预设门槛,有源钳位电路将会把功率管部分地打开,从而令功率管的集电极和发射极之间电压得到抑制,使得功率管保持工作在线性区,基本的有源钳位方法是在IGBT的集电极和门极之间用瞬态抑制二极管（TVS）建立一个反馈通道。2SC0435T设计了公司特有的高级有源钳位功能,方法是将反馈信号同时送进驱动模块IGBT侧的ACLx管脚,图2是2SC0435T应用电路中IGBT侧电路,分析电路,当图2中20电阻右端的电位超过1.3V时,驱动模块内部的MOSFET就会渐进地进进关断状态,这样可以增加有源钳位的有效性,而且也可以减少TVS管的损耗,当图2中20电阻右端的电位超过20V时,内部的MOSFET就会全部关闭。二极管D31、D41、D51选择耐压超过35V和整流电流值大于1A的肖特基二极管,D11和D21选择TVS管,根据IGBT电压等级和直流母线电压选择,选择不同的Rac1和Cac1可以得到不同的有源钳位的效果,在实际应用中确定这两个元件的选型以优化有源钳位效果。 图2 2SC0435T应用电路图 2.3驱动信号一致性传输和隔离 IGBT通常工作在大电流和高电压应用场合,在实际应用中,驱动模块直接和高压侧IGBT相连接,由于IGBT工作期间和非常大,干扰严重,从而在电路设计中,必须将IGBT驱动侧电路和驱动信号输进侧电路进行电气隔离,隔离方式多采用磁隔离或者光纤隔离,在驱动模块设计中,鉴于磁隔离（一般采用变压器）具有延时时间短、工作寿命长、一致性好等优点,大功率驱动模块多采用磁隔离的方式。由于驱动模块输进的PWM信号频率范围很宽,可以从0HZ到100kHZ以上,变压器难以无失真传输这种宽频率范围的信号,所以必须对输进信号进行调制,2SC0435T驱动模块沿用了第一代内核产品,采用边缘调制的方法实现信号传输,在边缘调制基础上,内嵌的并联功能使得该驱动模块非常适合应用于IGBT并联设计,驱动信号延时上,2SC0435T采用了全新设计SCALE-2驱动内核,延时时间降低为80ns4ns,较其SCALE-1驱动内核的350ns延迟有明显降低。图3是用示波器捕捉到的2SC0435T输进信号波形和输出信号波形以测量模块输进信号和输出信号延迟时间,示波器使用带宽200MHZ泰克四通道隔离示波器,曲线3是驱动模块输进驱动信号波形,该波形高电平大约在+15V,即驱动IGBT导通电平是+15V,该波形低电平大约在-10V,即驱动IGBT关闭电平是-10V，曲线2是驱动模块输出驱动信号波形,两者之间时间上差大约80nS,即模块延迟时间大约80nS。 图3 输进信号和输出信号延时时间 2.4保护及故障输出 理想情况下IGBT等效电路如图4所示,是一对PNP双极性晶体管和功率MOSFET进行达林顿连接后形成的单片型Bi-MOS晶体管,在门极和发射极加正电压使功率MOSFET导通,PNP晶体管的基极和集电极间就等于连接上了低电阻,从而使PNP晶体管处于导通状态,此外如果在门极和发射极加0V或者负压,则MOSFET关闭,从而使PNP晶体管处于关闭状态,IGBT应用设计中必须引进门极和发射极过压保护,集电极和发射极过压保护以及IGBT过流和短路保护。 图4 IGBT等效原理图 2SC0435T内部集成了有源钳位电路,这样在应用电路设计中按照图2所示的电路参考图即可实现有源钳位功能,从而实现了集电极和发射极过压保护。 IGBT过流或者短路故障将导致集电极电流Ic迅速增大,集电极和发射极之间电压Vce与集电极电流Ic成正比。2SC0435T通过检测Vce实现IGBT的过流和短路保护,电路原理图如图5所示。 ASIC芯片2114S内部集成了一个比较器和一个150A恒流源。比较器的同向端通过电阻电容及二极管电阻检测Vce电压,比较器反向端电位阀值Vth是通过外接电阻Rth设定的,比较器反向端电位阀值Vth计算公式是： VthV = Rthk150A （1） 在IGBT关闭时三极管Q1导通,电容Ca放电,而在IGBT开通时三极管Q1关闭,如果IGBT过流或者短路故障发生,集电极电压Vce将上升,通过Rce和Rvce给电容Ca充电,二极管Dm阴极接到VISO电源+15V处,二极管阳极电位最高在大约15.3V,电容Ca直接与比较器同向端接在一起,比较器同相端电位随集电极电压Vce的继续升高而升高,当该电位超过比较器反向端电位阀值时,比较器翻转,输出高电平,保护电路关断IGBT。 图5 过流与短路保护原理图 为使驱动模块2SC0435T更具有通用性,设置响应时间的电容Ca没有集成在驱动模块内部,响应时间即从IGBT开通时刻起,到集电极电压检测到故障生效的这个时间区域,响应时间的设定是为了防止IGBT在刚导通但尚未饱和时过流保护电路误动作,一般设置在10S之内。电阻Rth用来设定比较器关断的阀值,推荐选择门槛大约在10V,根据不同的母线电压选择电阻Rce,使得它流过的电流在0.6mA-1mA,Dm选择耐压值大于40V且漏电流小的肖特基二极管,电阻Rvce选择120K,电容Ca根据响应时间按照实际需要和电阻Rth配合选择,图6是用示波器捕捉的驱动信号波形和驱动模块输出波形以测量响应时间,曲线2是驱动模块输进驱动信号,曲线3是在响应时间内驱动模块输出驱动信号,Rth选择75 k,电容Ca选择33pF,脉冲宽度大约是9S,即响应时间大约是9S。 图6 输进信号和响应时间 3.典型应用设计及应用要点 随着大功率电力电子逆变技术的迅速发展,在交流电机驱动领域,大容量的中高压变频调速技术得到了普遍的应用,高压电动机一般指额定电压超过3kV的电机,利用高压变频器可以实现无级调速,既能满足负荷对调速系统的需要,还可以大幅度节约能源和降低成本。高压变频器拓扑结构主要由多管直接串联两电平型、铁路机动车辆通用标准 电气器械二极管钳位型、飞跨电容型和单元级联型等。级联型高压变频器以其控制方式简单、输出谐波含量低和可靠性高等因素得到了广泛的应用,图7是该类型高压变频器功率单元的主电路图,二极管D1-D6组成了三相全桥整流电路,电阻R1-R3一般选择大功率水泥电阻,起到直流均压和提供放电回路作用,电容C1-C3一般选择400V电解电容,起到滤波和为负载提供无功功率的作用,Q1-Q4组成全桥逆变电路,Q1和Q2一般封装在一个IGBT内构成逆变电路左桥臂,Q3和Q4组成逆变电路右桥臂,功率单元最大输出电流取决于选择的IGBT集电极电流最大值。 2SC0435T作为一种大功率驱动模块,适合驱动中、大功率的IGBT,输出驱动峰值电流可以达到35A,功率可以达到4W,有两个通道,可以驱动一个桥臂的上下桥臂,上下桥臂不允许同时开通,即要存在死区时间,通过将MOD管脚直接接地即选择了直接模式,在该模式下两个通道各自独立,需要外部控制器添加死区时间,如果将MOD管脚通过电阻R接地,驱动模块就选择了半桥模式,这种模式下,INA管脚是驱动信号,INB管脚是使能信号,死区时间TD由MOD脚的接地电阻R决定,计算公式是： Rk = 31.5TDS + 52.7 图7 高压变频器功率单元主电路图 漏极开路的SO1,SO2管脚反应了故障状态,在没有故障时,该管脚输出高阻态,如果发生IGBT过流或者短路等故障,保护电路动作,故障将立刻传递到SO1,SO2管脚上,该管脚输出低电平,由于是漏极开路,可以将这两个脚接在一起反映一个桥臂的故障状态,也可以单独连接以能准确找到故障通道。故障信号输出到SO管脚之后,经过一个阻断时间TB,故障输出管脚SO将自动复位至高阻态,阻断时间是通过在TB管脚和地之间接进一个电阻RB,通过电阻RB阻值的不同设置阻断时间TB,计算公式是： RBk = 1.0RB mS + 51 在2SC0435T实际应用设计中还应该注意以下几点： （1）虽然此驱动模块内部集成了电源短路保护,但在实际调试过程中,功率管615N还是比较容易损坏,在应用中要注意。 （2）在选择决定响应时间的电容Ca时,要选择温度漂移小、精度高的电容,电容容值不易过小,否则容易受干扰而引起驱动模块保护电路的误动作。 （3）驱动模块输出到IGBT的连接线要尽量短,如果采用电缆连接,最好选择扁平电缆或者双绞线,要使得线路杂散电感尽量小,必要时可以在电缆上加磁环 （4）在设计IGBT并联时,驱动模块和IGBT尽量要选择一个批次的产品,这样一致性较好,不推荐使用驱动模块的一个输出通道驱动两个IGBT功率管,否则在抗干扰和隔离上很难做好。笔者在利用IGBT并联技术设计高压变频器850A功率单元时取得了很好的效果,用两个驱动模块输出通道分别驱动IGBT,输进驱动