摘 要：IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路是IGBT可靠、穩(wěn)定、高效運(yùn)行的基礎(chǔ)，也是IGBT所構(gòu)成系統(tǒng)可靠運(yùn)行所必不可少的。本文所提出的IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路是應(yīng)用于二極管箝位式的三電平變頻器當(dāng)中，在介紹IGBT主要特性的前提下，介紹應(yīng)用CONCEPT公司的2SD315模塊設(shè)計(jì)具有高可靠性、高集成度，高效率等特點(diǎn)的IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，最后給出以型號(hào)為2SD315AI-33驅(qū)動(dòng)模塊的實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路。
關(guān)鍵詞：IGBT，驅(qū)動(dòng)電路，三電平變頻器，2SD315

1、引言

      IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型功率管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式電力電子器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大;MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低，從而成為當(dāng)今電力電子行業(yè)的首選器件。

      電力電子器件的發(fā)展水平在很大程度上決定了電力電子產(chǎn)品的發(fā)展水平，而目前電力電子器件受電壓、電流水平的限制成為電力電子及電氣傳動(dòng)行業(yè)發(fā)展的瓶頸，而IGBT則是其中一例。在現(xiàn)有的IGBT技術(shù)水平上如何能夠使其發(fā)揮最大功能，這是主要而又關(guān)鍵的問題，除了合理的軟件控制方法外，無疑IGBT的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路是又一重要環(huán)節(jié)。目前，IGBT的控制保護(hù)電路很多，但在集成度，可靠性等方面還不夠完善，本文就此在介紹IGBT基本性能的基礎(chǔ)上介紹一種基于CONCEPT公司的2SD315模塊的IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路。

2、IGBT特性及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

      本文以eupec公司型號(hào)為FF450R17ME3的IGBT為例進(jìn)行說明。通過查找其技術(shù)手冊(cè)可得：在其節(jié)溫為125℃，器件集電極與發(fā)射級(jí)間壓降為UCE=900V，門極驅(qū)動(dòng)電壓UGE=±15V，IC=450A，限流電阻RG=3.3Ω時(shí)Tdon=100ns，Tdoff=1000ns。但在門極電阻RG不同時(shí)，其開關(guān)速度也是不同的，當(dāng)RG小時(shí)，其與門極電容的時(shí)間常數(shù)短，使IGBT深度飽和導(dǎo)通的時(shí)間短，反之則長。而IGBT得開關(guān)速度直接影響系統(tǒng)效率，但是考慮到di/dt與du/dt對(duì)IGBT本身的副作用，又不能使限流電阻過小。一般限流電阻的選擇可參照以下公式：[1]~[2]

圖3  2SD315AI-33外形圖

      4.1  2SD315AI-33是瑞士CONCEPT公司專為3300V高壓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)、外加必需的其它元件組成。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(cè)，工作頻率可達(dá)兆赫茲以上，電氣隔離可達(dá)到6000VAC。

圖4  2SD315AI-33功能框圖

      圖3為2SD315AI-33外形尺寸圖，圖4為2SD315AI-33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 /D C 轉(zhuǎn)換電路的功能是將輸人部分與工作部分進(jìn)行隔離。而其輸入處理電路由LDIO01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，尤其是當(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)輸人的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)輸人端信號(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。將其設(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)生死區(qū)時(shí)間。以上優(yōu)點(diǎn)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(dòng) 輸 出及邏輯保護(hù)電路的核心芯片是IGDOOI。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。每個(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，對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行功率放大，對(duì)IGBT的短路、過流及電源的欠壓檢測(cè)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。

4.2    實(shí)際應(yīng)用電路如圖5所示：

圖5 2SD315AI-33實(shí)際應(yīng)用電路

4.3   實(shí)驗(yàn)波形

      圖6為用本文的方法設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用在三電平變頻器中的門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形。

5  總結(jié)

       對(duì)于正確使用IGBT，除了添加必要的吸收電路外，設(shè)計(jì)好一套良好的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路是尤為關(guān)鍵的。在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路之前，必須仔細(xì)研究開關(guān)器件的關(guān)鍵外部特性，這對(duì)于正確設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路是至關(guān)重要的。本文就是在分析器件的IGBT過渡過程等特性的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的一套驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，借助于2SD315AI-33模塊的高集成性、高可靠性，從而使整體電路達(dá)到一個(gè)高的使用性能。