２ＳＤ３１５Ａ在驅動大功率ＩＧＢＴ中的應用

摘要：討論了IGBT的驅動要求，并從結構特點到使用注意事項及應用實例等方面介紹了用于大功率IGBT驅動電路中的2SD315A模塊。

關鍵詞：IGBT驅動；2SD315A

引言

IGBT常用的驅動模塊有TLP250，以及EXB841/840系列的驅動模塊。但在燃料電池城市客車DC/DC變換器的研制過程中發現，由于車載DC/DC變換器常常工作在大功率或超大功率的狀態中，而處在這種狀態下的IGBT瞬時驅動電流大，要求可靠性要高，使得傳統的驅動電路已經不能滿足其使用要求，經過研究分析，選用瑞士CONCEPT公司生產的用于驅動和保護IGBT或功率MOSFET的專用集成驅動模塊2SD315A作為大功率IGBT(800A/1200V)的驅動器件，該驅動器集成了智能驅動、自檢、狀態反饋、DC/DC電源及控制部分與功率部分完全隔離等功能于一體。經過車載90kW DC/DC變換器實際道路工況運行實驗表，明，效果良好。

IGBT的驅動要求

IGBT的驅動要求與其靜態和動態特性密切相關，即柵極的正偏壓、負偏壓和柵極電阻的大小，對IGBT的通態電壓、開關時間、開關損耗、承受短路能力、開關管C、E極間電壓的變換率等都有不同程度的影響。其開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP晶體管提供基極電流，使IGBT導通。反之，加反向柵極電壓消除溝道，流過反向基極電流，使IGBT關斷。根據這樣的特性，針對它的驅動電路應該滿足：

·IGBT是電壓型驅動，具有2.5～5V的閾值電壓，有一個容性輸入阻抗，因此，IGBT對柵極電荷非常敏感，需要有一條低阻抗值的放電回路，即驅動電路與IGBT的連線要盡量短。

·用內阻小的驅動源對柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓Vge有足夠陡的前后沿，使IGBT的開關損耗盡量小。另外，IGBT開通后，柵極驅動源應能夠提供足夠的功率使IGBT處于飽和狀態，否則IGBT容易遭到損壞。

·當驅動電平+Vge增大時，IGBT通態壓降和開關損耗均下降，但負載短路時的Ic增大，IGBT能承受短路電流的時間減小，對其安全不利。

·在關斷過程中，為盡快抽取PNP管的存儲電荷，須施加一負偏Vge，但它受IGBT的G、E間最大反向耐壓限制。

·IGBT的柵極驅動電路應簡單實用，最好自身帶有對IGBT的保護功能，有較強的抗干擾能力。

·由于IGBT在電力電子設備中多用于高壓場合，故驅動電路與控制電路在電位上應嚴格隔離。

2SD315A驅動模塊

2SD3 15A模塊能夠驅動1200A/1200V的IGBT，DC的開關頻率高于100kHz，可通過±15A的門極電流，實現0-100％的占空比調節。此外，具有完善的對于電源、電流的狀態監測從而實現對于模塊以及功率開關管的保護，該驅動模塊分為接口單元、電氣隔離、驅動單元等幾個部分，每個驅動通道都把控制回路和主功率回路進行了電氣隔離，如圖1所示。

驅動模塊的驅動能力及保護性能是人們較為關心的問題，以下是應用當中的幾點體會：

·由于IGBT的柵極有很高的輸入阻抗，因此在無柵極放電回路的情況下，其柵極易積累電荷，并且柵極氧化層很脆弱，僅能承受±20V的耐壓，容易造成柵源極間的擊穿，使IGBT損壞，在實際電路中采用了±15V的柵源偏壓，從而提高了IGBT的短路耐量。 ·為改善控制脈沖的前后沿陡度和防止振蕩，減小IGBT集電極大的電壓尖脈沖，根據該模塊的使用手冊合理選擇柵極的串聯電阻，既可獲得良好的驅動脈沖，又控制了IGBT通斷狀態變化的過渡時間。

·用外接的電阻R_th來定義功率管導通時的管壓降，當大于定義的最大管壓降時，監測電路便輸出故障報警信號，并關斷功率管，從而保護了IGBT。

·當給驅動模塊供電的電源電壓過低時，則會影響驅動電路的可靠性，監控電路便向模塊內部發送故障信號，使整個模塊處于封鎖狀態，保護了系統的安全。這里，模塊的工作狀態是由模塊上的兩路SO輸出引腳的電平所表示，并經過邏輯關系接入到保護電路中實現狀態檢測。

應用實例

該驅動模塊有兩種工作方式：直接方式和半橋方式。當驅動器工作在直接方式時，驅動器的驅動通道之間沒有聯系，兩個通道總是同時被驅動。而在半橋方式下，MOD輸入端接GND，InA輸入PWM信號，InB輸入使能信號(高電平有效，低電平將所有通道封鎖)。由于兩個狀態輸出端SO₁和SO₂，接在一起，所以兩個驅動通道輸出同一故障信號。死區時間是由模塊上RC₁和RC₂的外接電路來確定，使驅動的兩路輸出信號不會同時為高電平。

利用2SD315A驅動高功率密度IGBT需要注意以下幾點：

·工作模式MOD的設置和參考電阻R_th的選擇是正確使用該驅動模塊的前提，需要注意在半橋工作模式下死區時間的設置以及R_th大小與功率開關管型號的匹配關系。

·合適的柵極電阻R_g對與IGBT的驅動非常重要。R_g太大，會使IGBT通斷狀態變化的過渡過程時間延長，能耗增加；但R_g太小，會使di/dt增大，可能引起門極電壓振蕩，造成觸發誤導通，嚴重時可能會損壞IGBT。通過以下公式確定R_g可選擇的最小值：

R_g(min)=(△U)/I_g(max)

其中(△U為柵極正反向偏置電壓之差；I_g(max)為驅動電路所能提供的最大電流。

·注意驅動模塊與主功率開關管之間的布線。柵極驅動布線對防止潛在的振蕩、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有很大的影響。因此，應盡量減小驅動器的輸出級和IGBT之間的距離，并用絞線傳遞驅動信號。

2SD315A驅動模塊設定在直接模式下，引腳MOD直接接+15V電源；參考電阻選用47kΩ；柵極驅動電阻選用2Ω；得到該驅動模塊應用電路如圖2所示。

圖中S1、S2表示EUPEC的兩只800A/1200V IGBT，圖3為試驗中得到的主功率開關管的驅動波形。由波形的形狀和幅度可以判斷出，IGBT工作正常。

由圖3可以看出，波形的上升、下降沿均較陡峭，從IGBT關斷到開通不到1個微秒，極大的減小了開關損耗；該模塊能向IGBT提供合適的正向柵源電壓，并可靠關斷；這些對IGBT的正常工作均提供了重要的保證。此外，在實驗中發現，為了得到更平直的正負向波形，可在模塊的COMX和Visox引腳兩端并聯適當電容進行調整。

結語

燃料電池城市客車行駛在諸如啟動、變速、剎車等多種路況下時，其車用大功率DC/DC內的IGBT(800A/1200V)常常處在300～400V高壓，或在極短時間內(≤200ms)承受近300A大電流的場合下，功率輸出達幾十千瓦到上百千瓦不等，與之配合使用的2SD315A隔離式驅動模塊，在實際的城市道路工況進行運行試驗中，完全滿足了不同路況下對于功率需求的驅動要求，已經安全無故障行駛總里程超過四萬公里，是一款性能優良的大功率驅動模塊。