2SD315A在光伏并網逆變器中的應用

易臻希

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙，410111)

2SD315A在光伏并網逆變器中的應用

易臻希

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙，410111)

驅動電路是光伏并網逆變器的核心部件，其性能對功率開關器件的工作可靠性至關重要。以集成驅動芯片2SD315A作為驅動電路的基礎，通過采取合理設置柵極驅動電阻及死區時間等措施，實現了功率開關器件的安全可靠驅動。

光伏并網逆變器；驅動電路；雙極性SPWM技術；死區時間

單相全橋并網逆變器的拓撲結構簡單，可適應寬輸入電壓范圍，體積小，質量小，可降低成本和提高效率，常用于家庭應用的單相小功率系統。為了保證逆變器正常工作，功率開關管的安全可靠驅動是必須解決的問題。驅動電路必須有足夠的輸入輸出電隔離能力，具備完善的故障自診斷和自我保護的功能，保護電路能在異常情況下封鎖脈沖輸出。全橋并網逆變器的上半橋和下半橋的兩個功率開關管被串聯在一個支路中，為避免直通，兩器件的開通周期必須不能重疊，需要合理設置死區時間，從而避免功率元件燒毀，以保證并網逆變系統和市電網絡的安全運行。本文結合實際工程應用中一個輸出功率為3 kVA，輸出電流峰值約20 A的并網逆變器，對其驅動電路中的關鍵問題進行研究。

1 功率變換技術

目前使用最廣泛的功率變換技術是PWM（脈寬調制）技術，通過改變輸出方波的占空比來改變等效的輸出電壓。SPWM是Sinusoidal PWM（正弦脈寬調制）的簡稱，是在PWM的基礎上改變了調制脈沖方式，脈沖寬度時間占空比按正弦規率排列，正弦波等效成一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，其脈沖寬度是由正弦波和三角波自然相交生成的，這樣輸出波形經過適當的濾波可以做到正弦波輸出。SPWM技術有雙極性SPWM波形和單極性SPWM波形兩種形式[1]。雙極性SPWM技術的生成原理比較簡單，只需要一路載波即可完成SPWM的生成。采用雙極性調制技術時，4個功率開關管的負荷是相同的，更適合工程應用，本文采用雙極性SPWM技術。雙極性SPWM技術的實現原理如圖1所示，Ur代表正弦調制波，Uc代表正負交變的雙極性三角載波，產生的SPWM波可以作為兩個相同開關狀態的開關管的控制信號，而另外兩路信號與之互補。

圖1 雙極性SPWM波生成原理圖

圖2所示為采用IGBT(絕緣柵極晶體管)作為開關器件的單相全橋逆變電路。在雙極性調制方式下，按照工作狀態，將功率開關管分成兩組，即T1與T4是一組，T2與T3是一組。在T1、T4管同時導通狀態下，T2、T3這兩個開關管同時關斷，此時逆變橋輸出電壓等于+Ud；在T1、T4同時關斷狀態下，T2、T3這兩個開關管同時導通，此時逆變橋輸出電壓等于-Ud。逆變橋輸出方波經過濾波器則變成與電網電壓具有同頻率同相位的交流電。

圖2 單相全橋逆變電路原理圖

2 2SD315A在并網逆變器中的應用

2SD315A是大功率IGBT的集成驅動和保護芯片，能同時驅動兩個IGBT模塊，可提供±15 V的驅動電壓和±15 A的峰值電流，dV/dt抗干擾能力強。具有準確可靠的驅動功能與完善的短路、過流保護和電源監控功能，工作頻率可高于100 kHz，電氣隔離可達AC4 000 V。單相全橋并網逆變器的驅動電路是以2SD315A為基礎，加上適當的外圍電路構成。4只IGBT由2片2SD315A控制，每片2SD315A驅動同一橋臂的上下兩只IGBT，圖3為半橋T1、T2的驅動電路。

2.1 工作模式與死區時間設置

2SD315A模塊輸入引腳MOD接GND，被配置成半橋型工作模式，輸入引腳RC1和RC2分別外接一個RC網絡，這里取R=33 kΩ，C=150 pF，產生約3 μs的死區時間，有效保證半橋電路上、下兩只IGBT不會直通。

圖3 驅動電路原理圖

2.2 模塊異常狀態監控

2SD315A模塊有兩個引腳（SO1與SO2）專門用于輸出模塊的工作狀態。在正常工作時，SO輸出均為高電平；當某一通道被檢測出有故障信號產生時，它所對應的SO引腳的輸出電平立刻被拉低到GND，并將低電平輸入到鎖存電路，同時用鎖存后的信號控制PWM輸入脈沖，這樣一旦出現故障，驅動模塊將自動產生故障信號，驅動模塊立刻進入封鎖狀態，并使該狀態一直持續到控制信號鎖存電路復位。INB輸入通道控制系統輸出的封鎖信號，如出現異常，則使能封鎖信號。當INB輸入為高電平時，兩通道處于正常工作狀態，當INB輸入為低電平時，兩通道同時被封鎖。模塊處于封鎖狀態時，模塊輸出的兩路門極控制電壓都為-15 V，以確保被控制的兩只IGBT都處于安全關斷狀態。

2.3 電源監控及短路與過流保護

2SD315A驅動模塊內集成了低電壓監控電路，一旦電源輸入電壓低于10 V，監控電路就向模塊內部發送故障信號，使整個模塊處于封鎖狀態，以保證系統安全。同時，2SD315A的兩通道輸出端都配備有Uce監測電路。當某一路或兩路的驅動側電力器件出現短路或過流現象時，監測電路會立刻將異常狀態回饋到驅動模塊，產生故障信號并將它鎖存，驅動模塊內部會同時產生一個典型值為1 s的封鎖時間，在封鎖期間，驅動模塊處于封鎖狀態，將兩組IGBT及時截止。同時，狀態輸出端對應的SO引腳也輸出代表出現故障的低電平信號。

2.4 柵極電阻Rg的選擇

合適的柵極電阻Rg對于IGBT的驅動非常重要。Rg太大，會使IGBT通斷狀態變化的過渡過程時間延長，開關損耗增加；Rg越小，柵極電容放電越快，開關時間較快，開關損耗就比較低。但Rg太小，會使IGBT開通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[2]。因此選擇Rg時需要綜合考慮。

通過公式(1)確定Rg可選擇的最小值：

其中：ΔU為柵極正反向偏置電壓之差，即+15-(-15)=30 V，Igmax為驅動電路所能提供的最大驅動電流，2SD315A芯片最大輸出電流為15 A，所以Rgmin=2 Ω，實際應用中Rg取10 Ω。

2.5 參考電阻Rth的選取

2SD315A內部的電流源在Rth引腳提供150 μA的輸出電流，通過參考電阻Rth阻值的選取，可以調整IGBT的電流保護閾值。Rth計算公式見(2)：

其中Rth為IGBT的Uce電壓保護閾值，Ud為IGBT集電極所連接二極管的導通壓降。應用中Rth取27 kΩ。當IGBT過流，Uce超出設定值時，驅動模塊將自動進入保護狀態。

3 實驗結果

在全橋并網逆變電路中，主功率開關管承受的電壓應超過直流輸入側的最大電壓，即450 V，加上回路寄生電感產生的脈沖尖峰，選取600 V等級的功率管。并網逆變器輸出功率為3 kVA，輸出電流峰值約為20 A。考慮3倍安全余量，選擇額定電流值在60 A以上的功率開關管。選取西門子公司IGBT模塊BSM75GB60DLC為開關管，其額定電流為75 A，耐壓為600 V。

圖4 Uge1、Uge4的波形

采用2SD315A驅動模塊構建光伏并網逆變器裝置進行實驗。圖4為Uge1、Uge4的波形，該兩路波形同向且占空比相同。

圖5、圖6為Uge1、Uge2的波形，該兩路波形互補且帶死區，死區時間由圖6可知約為3 μs。

圖7所示的通道門極輸出均為-15 V，表明模塊異常狀態下驅動板封鎖輸出。

圖5 Uge1、Uge2的波形

圖6 死區時間

圖7 輸出封鎖

4 結束語

2SD315A驅動模塊集成度高，工作模式與死區時間可以靈活設置，內部設有電源監控、短路與過流保護電路，外圍電路簡單。實驗結果表明，由2SD315A構成的并網逆變器驅動電路可行，輸入/輸出響應時間短，保護電路動作快速、可靠，保證了逆變器的安全可靠運行。

[1] 崔龍彬.3 kW單相非隔離型光伏并網逆變器的研究[C].華南理工大學碩士學位論文.2011.11.

[2] 孫稚，孫梅生，王磊.大功率IGBT驅動模塊2SD315A的特性及其應用[J].電力電子技術，2002，36(6)：73-75.

[3] 鄭月非，張愛玲.以2SD315AI為核心的IGBT驅動電路的設計與調試[J].電氣技術，2010，(3)：65-67.

[4] 王威，李亮，方昕，康勇.高壓大功率IGBT的驅動保護方案研究.通信電源技術.2005，22(1)：11-14.

The Application of 2SD315A in Photovoltaic Grid-connected Inverter

YI Zhenxi
(The 48thResearch Institute of CETC，Changsha 410111，China)

Driver circuit is the core component of photovoltaic grid inverter，its performance is very important to the work reliability of the power switch device.With integrated driving chip 2SD315A as the basis of drive circuit，by adopting reasonable gate drive resistance and dead band time，achieve the safe and reliable driving of power switch device.

Photovoltaic grid-connected inverter；Driver circuit；Double polarity SPWM technique；Dead band time

TN702

B

1004-4507(2017)02-0039-05

易臻希（1969-），男，高級工程師，從事太陽能光伏產品及應用系統研究。

2016-12-16