基于2SC0535的大功率IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)*

文 陽(yáng) ，楊 媛 ，高 勇

（1.西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，具有高耐壓、大電流、開(kāi)關(guān)速度高和低飽和壓降等諸多優(yōu)點(diǎn)的IGBT在機(jī)車(chē)牽引、有源濾波、新能源等電力電子領(lǐng)域有了更為廣泛的應(yīng)用[1]。而IGBT的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)是由IGBT驅(qū)動(dòng)器來(lái)完成的，高性能的驅(qū)動(dòng)器可以讓IGBT工作在較為理想的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，減小開(kāi)關(guān)損耗。應(yīng)用在大功率或者環(huán)境復(fù)雜多變場(chǎng)合下的IGBT，鑒于其特殊性，對(duì)于IGBT驅(qū)動(dòng)器的要求就更為嚴(yán)格，如需具備瞬間驅(qū)動(dòng)電流大、可靠性要求高、有完備的保護(hù)、集成度高等特點(diǎn)[2]。本文介紹了瑞士CONCEPT公司的2SC0535驅(qū)動(dòng)器，并采用其作為核心部件，設(shè)計(jì)了前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路、后級(jí)功率驅(qū)動(dòng)電路、故障信號(hào)指示電路。最終用雙脈沖平臺(tái)和3 300 V/1 200 A IGBT進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證明，該驅(qū)動(dòng)器具有良好的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)功能[3]。

1 2SC0535簡(jiǎn)介

2SC0535裝備了CONCEPT公司最新的SCALE-2芯片組[4]。SCALE-2芯片組是一套專用集成電路（ASIC），包含智能門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)所需的大部分功能。該模塊采用變壓器隔離方式，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)IGBT模塊，提供+15 V、-10 V門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)電壓和±35 A的驅(qū)動(dòng)電流。圖1為2SC0535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[5]。

DC/DC轉(zhuǎn)換電路將輸入部分與工作部分進(jìn)行隔離。輸入處理部分由LDI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(guò)脈沖變壓器，特別是當(dāng)其占空比變化較大時(shí)，最為困難。而LDI主要是對(duì)于輸入的PWM信號(hào)進(jìn)行編碼，便于PWM信號(hào)通過(guò)脈沖變壓器進(jìn)行傳遞。驅(qū)動(dòng)輸出及其邏輯保護(hù)電路的核心芯片是IGD。它集合了變壓器接口、阻斷邏輯生產(chǎn)、狀態(tài)反饋、過(guò)流短路保護(hù)、欠壓檢測(cè)和輸出階段識(shí)別等功能于一身。每一個(gè)IGD用于一個(gè)通道，主要功能是對(duì)變壓器傳來(lái)的信號(hào)進(jìn)行解碼，并對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行功率放大，對(duì)IGBT過(guò)流、短路及副邊電源欠壓檢測(cè)保護(hù)，向LDI反饋副邊狀態(tài)，以產(chǎn)生短路保護(hù)的響應(yīng)時(shí)間和阻斷時(shí)間等。

圖1 2SC0535的功能框圖

2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

2.1 前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路

由于驅(qū)動(dòng)器放置在IGBT模塊上，控制器與驅(qū)動(dòng)板之間的邏輯信號(hào)走線相對(duì)較長(zhǎng)，為了提高信號(hào)的抗干擾能力，在驅(qū)動(dòng)信號(hào)送入模塊前，用光耦進(jìn)行了隔離，設(shè)計(jì)的前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離、波形整形、鎖死/去鎖死，最終送入2SC0535模塊。

圖2 前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路

2.2 信號(hào)鎖存指示

圖3 信號(hào)鎖存指示電路

故障輸出端SO1、SO2為集電極開(kāi)路電路，外部需要接上拉電阻。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，相應(yīng)通道的SOx輸出低電平；否則，輸出高電平。如果電源欠壓，電源欠壓檢測(cè)電路也會(huì)輸出低電平。如圖3所示，當(dāng)有錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，U10A管腳被拉低，U10C、U10D輸出由高電平跳變?yōu)榈碗娖剑珼觸發(fā)器U9在此刻的下降沿將錯(cuò)誤信號(hào)鎖存住，相應(yīng)的錯(cuò)誤指示燈亮。此時(shí)由于U10A與U10B的配合，即使錯(cuò)誤消失，錯(cuò)誤信號(hào)一直被鎖住不變，直到手動(dòng)按鍵S1才能恢復(fù)。利用撥碼開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的鎖死與去鎖死功能。如果將LOCK端與Key1端接在一起，則只要有錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，LOCK端的持續(xù)低電平會(huì)將兩路輸入信號(hào)全部封鎖，確保了IGBT的安全運(yùn)行。如果將unLOCK與Key1連接，則輸入信號(hào)不會(huì)受到另一路錯(cuò)誤信號(hào)的封鎖，而是被全部送到模塊內(nèi)部，由模塊判斷并封鎖對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)。

2.3 死區(qū)時(shí)間和工作模式

2SC0535提供兩種工作模式可供選擇，即直接模式和半橋模式。對(duì)于直接模式，將MOD輸入端連接到GND就可以了。在這種模式下，兩個(gè)通道互不影響。在半橋拓?fù)渲校挥挟?dāng)控制電路產(chǎn)生了足夠的死區(qū)時(shí)間，可以使每個(gè)IGBT都安全工作時(shí)，才能選擇此模式，因?yàn)閮蓚€(gè)IGBT同時(shí)導(dǎo)通或者重疊導(dǎo)通會(huì)導(dǎo)致直流母線短路。當(dāng)MOD端通過(guò)一個(gè) 71 kΩ～181 kΩ電阻 Rm接到 GND后，則選擇了半橋模式。參考圖4，在此模式下，INA作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸入端，而INB則作為信號(hào)的使能端。

圖4 半橋模式中的信號(hào)邏輯

死區(qū)時(shí)間Td可以通過(guò)電阻 Rm來(lái)設(shè)定，見(jiàn)式（1）：

其中，0.6 μs＜Td＜4.1 μs，72 kΩ＜Rm＜182 kΩ。

2.4 有源鉗位保護(hù)

有源鉗位電路的目的是鉗位IGBT的集電極電位，避免關(guān)斷過(guò)程中因Vce過(guò)壓而損壞IGBT。如果關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰太陡，都會(huì)使IGBT受到威脅。IGBT在正常情況關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的電壓尖峰，但是數(shù)值不會(huì)太高。但在變流器過(guò)載或者橋臂短路時(shí)關(guān)斷管子，產(chǎn)生的電壓尖峰則非常高，此時(shí)IGBT非常容易損壞。如圖5所示，其工作原理是：當(dāng)集電極電位過(guò)高時(shí)，TVS被擊穿，電流IAAC流進(jìn)ASIC(專用集成電路)的ACC單元。該電流大于40 mA時(shí)，下管MOSFET開(kāi)始被線性關(guān)斷；當(dāng)電流大于500 mA時(shí)，下管MOSFET完全關(guān)閉。此時(shí)門(mén)極處于開(kāi)路狀態(tài)，Iz會(huì)向門(mén)極電容充電，使門(mén)極電壓從米勒平臺(tái)回到+15 V，從而使關(guān)斷電流變緩慢，達(dá)到電壓鉗位的效果。這個(gè)電路的特點(diǎn)是TVS的負(fù)載非常小，TVS的工作點(diǎn)非常接近額定點(diǎn)，鉗位的準(zhǔn)確度及電路的有效性得到大大提高。在3 300 V的IGBT中，使用了串聯(lián)8個(gè)300 V的TVS，其中7個(gè)單向，1個(gè)雙向，獲得了良好的鉗位效果。

圖5 有源鉗位工作原理圖

2.5 短路保護(hù)

IGBT短路保護(hù)的基本工作原理如圖6所示，電路由一個(gè)比較器和相應(yīng)的電路完成。

圖6 IGBT短路保護(hù)原理圖

(1)比較器的反相輸入端，B點(diǎn)為參考電壓值。具體電壓值為恒流源150μA乘以Rthx。

(2)比較器的同相輸入端，對(duì)于A點(diǎn)，分兩種情況：

①如果IGBT正常導(dǎo)通，則集電極為飽和電壓值，Dm反向截止，Ca無(wú)充電回路，A點(diǎn)電位穩(wěn)定。

②IGBT短路時(shí)，集電極電位升至母線電壓，此時(shí)電流走向如圖6虛線所示，分為兩路。由于RVce的限流作用，15 V電源作為負(fù)載源，使得A點(diǎn)電位通過(guò)Rm給Ca充電而迅速提高，最終等于15 V加上Dm和并減去Rm上的壓降。SCALE-2這種保護(hù)方式比SCALE中的保護(hù)動(dòng)作更快，也更可靠。這時(shí)集電極電壓的高壓主要承受在RVce上。

2SC0535驅(qū)動(dòng)器的每一個(gè)通道都配有Vce檢測(cè)電路。驅(qū)動(dòng)器將會(huì)可靠地進(jìn)行IGBT短路保護(hù)，但是不一定能進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。過(guò)流保護(hù)的時(shí)間優(yōu)先級(jí)較低，可以通過(guò)外電路集中式保護(hù)在控制器中實(shí)現(xiàn)。

圖7 IGBT的開(kāi)通特征

在響應(yīng)時(shí)間內(nèi)，Vce檢測(cè)電路不起作用。響應(yīng)時(shí)間是指從功率半導(dǎo)體開(kāi)通后直至驅(qū)動(dòng)器開(kāi)始檢測(cè)集電極電位所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。如圖7所示，每個(gè)通道的IGBT集電極-發(fā)射極電壓是獨(dú)立檢測(cè)的。在導(dǎo)通狀態(tài)下經(jīng)過(guò)響應(yīng)時(shí)間后再檢測(cè)Vce，以判斷短路或過(guò)流狀況。如果在響應(yīng)時(shí)間結(jié)束時(shí)，測(cè)得Vce超出動(dòng)態(tài)閾值Vcethx，則驅(qū)動(dòng)器判斷為短路或過(guò)流。然后，驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉相應(yīng)IGBT。故障信號(hào)立即傳送到相應(yīng)的SOx輸出端。該IGBT一直保持關(guān)斷，且SOx一直指示故障，直至阻斷時(shí)間Tb結(jié)束。在響應(yīng)時(shí)間區(qū)間外，當(dāng)Vce超過(guò)閾值時(shí)，Tb開(kāi)始計(jì)時(shí)。設(shè)置 RVce的電阻值，以使 RVce流過(guò) 0.6～1 mA的電流，但不能超過(guò)1 mA。

2.6 門(mén)極鉗位保護(hù)

IGBT短路時(shí)會(huì)進(jìn)入線性區(qū)，這就意味著在線性區(qū)內(nèi)，門(mén)極可以強(qiáng)烈地影響短路電流。如果門(mén)極電壓高于15 V，則短路電流會(huì)沖得很高，比Datasheet上給定的短路電流倍數(shù)要高很多，這是很危險(xiǎn)的。在IGBT短路時(shí)，集電極電流Ic急劇增大，由于IGBT存在米勒效應(yīng)，導(dǎo)致門(mén)極電位會(huì)有上升的趨勢(shì)。這種作用是來(lái)自集電極的，并不是來(lái)自驅(qū)動(dòng)電路。如果不對(duì)門(mén)極電位進(jìn)行鉗位，短路電流可能會(huì)沖得很高，IGBT也會(huì)超出短路安全工作(SCSOA),甚至產(chǎn)生閂鎖效應(yīng)，損壞IGBT。為了保證IGBT短路時(shí)，短路電流不超過(guò)規(guī)定范圍，門(mén)極鉗位電路是十分必要的。圖8所示的是基于SCALE-2芯片組的IGBT驅(qū)動(dòng)器門(mén)極鉗位電路。當(dāng)IGBT發(fā)生短路時(shí)，二極管D1會(huì)將門(mén)極電位鉗位在15 V，不至于由于IGBT米勒效應(yīng)而使門(mén)極電位升高，造成短路電流劇烈增加，損壞IGBT。

圖8 門(mén)極鉗位

3 實(shí)驗(yàn)波形

測(cè)試平臺(tái)原理圖如圖9所示。配合雙脈沖，可以方便觀測(cè)IGBT在一個(gè)周期內(nèi)的波形。

圖9 雙脈沖測(cè)試平臺(tái)原理圖

圖10的波形是一個(gè)完整的雙脈沖實(shí)驗(yàn)波形，母線電壓為1 600 V。

圖11是IGBT第一次關(guān)段時(shí)候的波形，可以看出隨著門(mén)極電壓從+15 V下降到-10 V，IGBT的 Vce電壓開(kāi)始上升，Vce上升到1 600 V(峰值1 700 V，與主電路中雜散電感和電流下降速率相關(guān))，IGBT電流從600 A下降到0。

圖10 雙脈沖測(cè)試波形

圖11 第一次關(guān)斷波形

圖12是IGBT第二次開(kāi)通和關(guān)段的波形，當(dāng)門(mén)極電壓從-10 V上升到+15 V，IGBT的 Vce電壓從 1 600 V下降到Vcesat，IGBT電流從0上升到1 000 A。其中清晰可見(jiàn)二極管反向恢復(fù)電流。

圖12 第二次開(kāi)通和關(guān)斷波形

圖13 短路實(shí)驗(yàn)波形

考慮到短路試驗(yàn)的危險(xiǎn)性，將雙脈沖平臺(tái)上管IGBT用一個(gè)很粗的導(dǎo)線短接，而非粗短的銅排，并用了一個(gè)寬度為11μs的脈沖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。波形2為母線電壓 Vce，Vce=1 800 V。從圖13中可以看出，由于短接導(dǎo)線的電感量相對(duì)于銅排的大一些，短路電流的上升速率并不是特別大。從IGBT退飽和到電流被關(guān)斷時(shí)間約為 5μs，關(guān)斷時(shí)刻短路電流最大值達(dá)到了5.85 kA，電壓尖峰達(dá)到2.65 kV，有源鉗位動(dòng)作顯著。

本文根據(jù)IGBT的特性設(shè)計(jì)了基于2SC0535的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路。試驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路性能良好，可在機(jī)車(chē)牽引方面得到廣泛的應(yīng)用。

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