IGBT 集成驅動模塊2SD315AI 的應用研究

2.2 2SD315AI 驅動塊的保護功能及特點

2SD315AI 驅動塊的保護主要包括短路和過流以及電源檢測。對于短路和過流保護，驅動中每路都有一個Vce檢測電路，Rth為關斷閥值的參考電阻。在IGBT開通后的一段響應時間內(nèi)，Vce檢測電路不起作用。而當Vce出現(xiàn)故障后，鎖定時間功能開始啟動，并在鎖定時間內(nèi)使驅動器鎖定IGBT，而不再接受輸入信號。模塊中的各路都具有自己的鎖定功能，并均由各路的LDG001實現(xiàn)。一旦Vce超過Rth設定的閥值，鎖定將立即啟動。

2SD315AI 驅動塊中每路都具有一個欠壓檢測電路，當電源電壓降至10 V或11 V時，IGBT將執(zhí)行負壓關斷，并進行故障報警。

與其他驅動器相比，2SD315AI 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)設定短路保護閾值。

3 2SD315AI在實際中的應用

3.1 應用實例

筆者所在團隊一同設計研發(fā)了一臺300 kV·A工礦車牽引逆變器，并成功地在上海地鐵現(xiàn)場應用。

其主要技術參數(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)時間2 s，1 200 V持續(xù)時間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。

逆變器的主開關器件選用的是EUPEC 公司的IGBT 模塊FS450R12KE3。該模塊內(nèi)部集成6 個IGBT，通過三三并聯(lián)，構成上下橋臂，使得電流等級達到1 350 A。根據(jù)FS450R12KE3 對驅動保護電路的要求以及2SD315AI驅動模塊的性能特點，設計的IGBT驅動保護電路如圖4所示。

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

輸入保護驅動板通過光纖與控制電路相連，因此，應對驅動電路的輸入INPUTA和INPUTB給予適當?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。

上電復位由于上電后的錯誤信息總是保存在驅動模塊的錯誤寄存器中，因此在驅動電路與控制電路分離的情況下，可通過圖4連接于VL/Reset的上電復位電路進行復位。該電路同時還有欠壓保護功能。VDD>12.7 V時，Z1反向擊穿，Q4導通，Q5截止，VL為高電平，驅動器開通;而當VDD12 V時，Q4截止，Q5導通，VL為低電平，驅動器關斷。另外，該復位電路還可保證在開啟電源后的較短時間內(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器件均處于關斷狀態(tài)。

與IGBT接口當開通時，驅動電流經(jīng)Rg2和二極管Dg流向IGBT，即開通電阻Ron=Rg2;關閉時，由于二極管Dg的單向導電性，門極經(jīng)Rg1和Rg2放電即關斷電阻Roff=Rg1+Rg2。這樣就可以對開通的di/dt、dv/dt和關斷的dv/dt分別進行控制，從而改善了開關過程，減少了開關損耗。

3.2 設計中需要特別注意的問題

在任何時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超過逆變器直流側電壓的60%，以防止高壓串入驅動電路。

在管腳Visox 和Lsx 之間須串接一個電阻和發(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對干擾極為敏感，因此，在設計中若要指示狀態(tài)，應把發(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。

電容悅X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。選取悅X時要反復調(diào)試，否則會使驅動輸出信號產(chǎn)生振蕩。

3.3 門極驅動電路的合理布線

對門極驅動電路的合理布線對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電路的動作次數(shù)有很大的影響。因此，門極電路布線的設計必須依從以下的原則：

1)布線必須將驅動器的輸出級和IGBT之間的寄生電感減至最低，這相當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，應把驅動板直接用螺絲擰在IGBT模塊上。

4 結語

通過采取對各種電路的保護措施以及較合理的工藝布局，2SD315AI 驅動模塊在300 kV·A 逆變器的應用比較成功，這同時也為2SD315AI-33中高壓驅動模塊的應用和以此做更大功率等級的逆變器積累了經(jīng)驗。