基于SiC與IGBT的驅(qū)動電路設(shè)計

摘要：功率半導(dǎo)體器件是電力電子系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件。目前市面上主流的功率半導(dǎo)體器件有絕緣柵雙極型晶體管（insulate-gate bipolar transistor，IGBT）、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor， MOSFET）、碳化硅（silicon carbide，SiC）等，并且其設(shè)計逐漸向大功率、高電壓發(fā)展，此時設(shè)計一種穩(wěn)定可靠的驅(qū)動電路就顯得尤為重要。分析了1ED34x1Mc12M驅(qū)動芯片的各項參數(shù)，并以該芯片為核心設(shè)計了驅(qū)動及保護(hù)電路。該電路可用于驅(qū)動及保護(hù)IGBT和SiC。實驗結(jié)果表明，該驅(qū)動電路輸出功率大、穩(wěn)定性好，可以滿足IGBT和SiC驅(qū)動的實際需求。

關(guān)鍵詞：1ED34x1Mc12M芯片；驅(qū)動電路；絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）；碳化硅（SiC）

中圖分類號：TN322+.8；TN386 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

絕緣柵雙極型晶體管（insulate-gate bipolar transistor，IGBT）和碳化硅（silicon carbide，SiC）具有開關(guān)頻率高、穩(wěn)定性強等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于高功率、大電流相關(guān)領(lǐng)域。高功率、大電流導(dǎo)致工作環(huán)境電熱應(yīng)力高、磁場環(huán)境惡劣，對于驅(qū)動的負(fù)面影響較大，容易對驅(qū)動造成損害。據(jù)不完全統(tǒng)計，驅(qū)動和隔離引起的功率器件損毀在30%以

上[1]，所以有效可靠的驅(qū)動及電路保護(hù)設(shè)計對功率器件的正常穩(wěn)定運行至關(guān)重要。

肖標(biāo)等[2]提出一種面向開關(guān)時序與驅(qū)動電壓自主協(xié)同調(diào)控的混合開關(guān)（hybrid switch，HyS）驅(qū)動電路軟硬件架構(gòu)設(shè)計方法，所設(shè)計的驅(qū)動電路不僅能為HyS提供由不同開關(guān)時序與驅(qū)動電壓組成的3種開關(guān)模式，而且能根據(jù)負(fù)載電流水平實現(xiàn)開關(guān)時序與驅(qū)動電壓的自主協(xié)同調(diào)控。邢鑫怡等[3]提出一種適用于600 V高壓下的三相全橋IGBT驅(qū)動電路，解決多個輸入信號同時輸入導(dǎo)致的高低壓電位之間的串?dāng)_等問題，提高了驅(qū)動電路可靠性。蔣佳琛等[4]設(shè)計了一款基于有源鉗位脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）控制器LM5025的單端有源鉗位反激式高壓大功率IGBT的驅(qū)動電源。吳士濤等[5]基于ACPL-332J芯片設(shè)計了變頻器全控型功率元件IGBT驅(qū)動及其故障保護(hù)電路，并成功應(yīng)用于3 300 V礦用變頻器中。于浪浪等[6]根據(jù)換流回路以及電路工作原理，設(shè)計了中點鉗位（neutral point clamped，NPC）三電平功率模塊的驅(qū)動電路，并給出了增強驅(qū)動電流、防直通以及死區(qū)時間可調(diào)整的驅(qū)動方案。趙柯等[7]通過給驅(qū)動電路引入中間電平的方式，將被控器件關(guān)斷動態(tài)過程與關(guān)斷穩(wěn)態(tài)后的柵極電壓進(jìn)行區(qū)分，以降低SiC MOSFET的閾值電壓漂移量，同時還保留了負(fù)柵極關(guān)斷電壓的優(yōu)勢。

上述文獻(xiàn)所設(shè)計的驅(qū)動電路大多只適用于單一類型的功率器件，市面上很少有適用于多種類型功率器件的通用型驅(qū)動。本文提出了一種可同時適用于SiC和IGBT的驅(qū)動電路，針對不同的功率器件只需通過參考其數(shù)據(jù)手冊更換合適的模塊電源、驅(qū)動集成電路（integrated circuit，IC）輸入端電阻以及門極電阻，即可用于驅(qū)動對應(yīng)的功率器件。

1 電路系統(tǒng)組成與設(shè)計要點

1.1 電路系統(tǒng)組成

驅(qū)動電路原理框圖如圖1所示，由1ED34x1Mc-

12M驅(qū)動芯片、數(shù)字信號處理器（digital signal processor，DSP）控制板和半導(dǎo)體功率器件組成。

1.2 設(shè)計要點

根據(jù)SiC和IGBT的工作特性，對于驅(qū)動電路主要有以下要求。

（1）所提供峰值電流足夠大，能夠提高開關(guān)速度，減小米勒平臺時間。

（2）驅(qū)動電路需具有退飽和保護(hù)（desaturation，DESAT）、有源鉗位保護(hù)、故障反饋等功能。

（3）在故障信號返回時系統(tǒng)要快速響應(yīng)，啟動故障保護(hù)，保護(hù)功率器件。

（4）可以同時適用于驅(qū)動SiC和IGBT。

2 原理分析與驅(qū)動電路設(shè)計

2.1 驅(qū)動芯片選擇

1ED34x1Mc12M驅(qū)動芯片具備5.7 kV的電壓等級和9 A的電流能力，能夠支持驅(qū)動650 V、

1 200 V、1 700 V、2 300 V的IGBT、SiC和MOSFET等功率開關(guān)器件，絕對最大輸出電源電壓為40 V，且具有多種保護(hù)措施，集成了輸入、輸出兩個欠壓鎖定（under voltage lock out，UVLO）模塊、退飽和保護(hù)控制和檢測模塊、有源鉗位控制和檢測模塊以及輸出控制模塊。

1ED34x1Mc12M系列驅(qū)動芯片由隔離的單通道柵極驅(qū)動器IC組成，通過兩個簡單的電阻即可調(diào)整各種參數(shù)，如去飽和檢測的濾波時間、前沿空白時間和軟關(guān)斷電流水平等，這些參數(shù)可以從低壓輸入側(cè)進(jìn)行調(diào)整。所有邏輯輸入/輸出（input/output，I/O）引腳都與3.3 V或5 V供電電壓相關(guān)，與互補金屬氧化物半導(dǎo)體（complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS）兼容，并且可以直接連接微控制器。1ED34x1Mc12M芯片功能框圖如圖2所示。

2.2 驅(qū)動電源設(shè)計

為了正常啟動?xùn)艠O驅(qū)動IC，輸入和輸出側(cè)都需要供電。1ED34x1Mc12M系列驅(qū)動芯片可以適應(yīng)多種輸入和輸出側(cè)的供電配置。輸出側(cè)可以采用單極性供電或雙極性供電方式。在供電方面一般有如下要求。

（1）可以有效隔離一次側(cè)設(shè)備帶來的共模干擾對系統(tǒng)的影響，使負(fù)載能夠穩(wěn)定工作。

（2）母線電壓在傳輸過程中會存在損耗，故輸送到印制電路板（printed circuit board，PCB）的電壓可能會較低，而負(fù)載需要穩(wěn)定的電壓，因此需要寬壓輸入、穩(wěn)壓輸出。

（3）在異常情況下，電源可以通過及時停止供電來保護(hù)系統(tǒng)的負(fù)載和本身不受破壞。

在供電方面采用直流—直流轉(zhuǎn)換器隔離模塊電源，采用隔離式設(shè)計可以對電源系統(tǒng)實現(xiàn)降低噪聲、電壓轉(zhuǎn)換、穩(wěn)壓和保護(hù)等功能，滿足對驅(qū)動芯片的供電需求。

電源開關(guān)期間柵極電阻存在功率損耗，此時柵極驅(qū)動器IC內(nèi)部的功率損耗也較大。每個封裝都可以在不超過最高結(jié)溫時，在一定的工作條件下達(dá)到最大功耗。柵極驅(qū)動器IC的內(nèi)部功率損耗POUT 計算公式：

POUT =PQ+Psource+Psink。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

式中，PQ為驅(qū)動器輸出級的工作功率損耗，Psource為導(dǎo)通損耗，Psink為關(guān)斷損耗。

可以通過VCC2與VEE2引腳之間的工作電源電流IQ2和電源電壓VCC2計算PQ：

PQ = IQ2·VCC2。" " " " " " " nbsp; " " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

可以使用內(nèi)部柵極驅(qū)動器電阻RDS和外部柵極電阻器電阻RG之間的電阻分壓器以及總柵極電荷QG和開關(guān)頻率fsw來計算Psource和Psink：

Psource =" QG·fsw·VCC2· 。 （3）

Psink =" QG·fsw·VCC2· 。 （4）

式中，ON、OFF分別為開通和關(guān)斷，source、sink分別為開通和關(guān)斷狀態(tài)下的功率。

由于IGBT和SiC型號不同，所需要的驅(qū)動電壓也不同，功率的損耗也不同，需根據(jù)所選半導(dǎo)體功率器件的型號，參考其技術(shù)指標(biāo)選取合適的模塊電源。供電電路在輸入端啟示位置設(shè)有穩(wěn)壓二極管保證供電質(zhì)量，然后再通過LC濾波器去除尖峰與毛刺，輸出側(cè)通過大量電容充放電進(jìn)行電能儲能和濾波，保證電路的穩(wěn)定性。

2.3 驅(qū)動電路輸入端設(shè)計

2.3.1 故障檢測與清除機制

故障輸入和故障輸出（FLT_N）狀態(tài)輸出報告顯示逆變器系統(tǒng)中的故障。開漏輸出（open-drain output）向微控制器報告設(shè)備運行相關(guān)的故障，故障輸出為低電平有效。故障關(guān)斷輸入通過故障關(guān)斷功能將柵極驅(qū)動器輸出切換為關(guān)斷，輸入為低電平有效。FLT_N引腳連接到3.3 V I/O的微控制器，并使用一個外部上拉電阻連接VCC1，F(xiàn)LT_N信號以GND1為參考。逆變器中所有柵極驅(qū)動器IC的FLT_N引腳輸出電壓信號后經(jīng)過兩級與門形成單線SO故障信號。SO信號為低有效，SO信號為低電平時表示系統(tǒng)故障，啟動保護(hù)。

就緒狀態(tài)輸出（RDYC）引腳設(shè)計考慮了邏輯輸入和漏極開路輸出，具有3種不同的功能：①RDYC作為所有就緒源極的就緒狀態(tài)輸出；②RDYC作為故障斷開輸入；③RDYC作為故障清除輸入。所有柵極驅(qū)動器IC的RDYC引腳輸出后經(jīng)過兩級與門形成單線RDYC信號。PWM輸入為高電平時，將所有RDYC信號置為高電平，即故障清除。

RDYC狀態(tài)輸出表示柵極驅(qū)動IC正確運行。開漏輸出為高電平有效時，表明設(shè)備運行準(zhǔn)備就緒。故障清除輸入端和故障關(guān)斷輸入端可清除柵極驅(qū)動器故障。RDYC引腳連接到3.3 V I/O的微控制器，并使用一個外部上拉電阻連接到VCC1，RDYC信號以GND1為參考。RDYC信號為高有效，當(dāng)RDYC信號為高電平時，表明系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒。

2.3.2 IN輸入端電路設(shè)計

IN輸入控制門極驅(qū)動IC的輸出，當(dāng)IN置于高電平時，功率器件會被打開。它需要連接到微控制器的PWM輸出，該輸出為5 V或3.3 V。若IN未連接，內(nèi)部的下拉電阻將確保功率器件處于斷開狀態(tài)。此外，將最小的脈沖寬度設(shè)定為103 ns，以確保門驅(qū)動IC對IN端口的毛刺具有抗干擾能力。

IN輸入電路設(shè)計圖如圖3所示，當(dāng)RDYC為高電平、SO信號為低電平時，系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒可正常啟動，輸入的PWM信號首先經(jīng)過SN74LVC1G14DCKR芯片，該芯片是一款具有施密特觸發(fā)功能的“非門”集成電路，可實現(xiàn)數(shù)理邏輯運算。其采用先進(jìn)的CMOS工藝設(shè)計，該設(shè)計具有低功耗和高輸出驅(qū)動能力，它可以將邊沿變化緩慢的周期性信號變換為邊沿較陡的矩形脈沖信號。當(dāng)輸入電壓由低向高增加到一定閾值時，輸出電壓會發(fā)生突變。施密特觸發(fā)器可以對波形整形，消除波形畸變、振蕩現(xiàn)象和噪聲，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.4 驅(qū)動電路輸出端設(shè)計

2.4.1 輸出電源電容選擇

驅(qū)動器輸出電源電容位置的設(shè)計規(guī)則是盡可能接近IC的電源引腳VCC2和VEE2。電容值需要足夠大，以限制電源開關(guān)導(dǎo)通期間的電壓降。電容C的計算公式：

C = ×1.2。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（5）

式中，IQ為門極驅(qū)動器的供電電流，tp為開關(guān)頻率的周期，?Vcc為電壓變化最大允許值。20%的附加裕度涵蓋了電容和門極電荷參數(shù)的典型公差。

輸出端需要并聯(lián)足夠大且合適的電容，并在電路后端設(shè)有鉗位二極管，當(dāng)出現(xiàn)過電壓時，鉗位二極管能夠迅速導(dǎo)通，把電壓鉗制在安全范圍內(nèi)，保護(hù)敏感器件不受損害。

2.4.2 IC輸出電路設(shè)計

IC輸出電路設(shè)計圖如圖4所示。其中，門極驅(qū)動電阻的大小影響功率模塊的開關(guān)損耗以及開關(guān)時間、短路安全工作區(qū)、反向偏壓安全工作區(qū)等，在驅(qū)動電路設(shè)計中，門極驅(qū)動電阻的選擇非常重要。門極驅(qū)動電阻RG的計算公式：

RG =" - RG（int）。 " " " " " " " " " " " " "（6）

式中，VG（on）為正偏電源電壓，VG（off）為負(fù)偏電源電壓，IGM為門極峰值電流，RG（int）為模塊內(nèi)部電阻。

根據(jù)所選功率模塊的不同，通過計算可得到相應(yīng)的電阻值，采用適當(dāng)?shù)碾娮杩梢詼p小開關(guān)的損耗以及驅(qū)動信號上升與下降的時間，從而提高系統(tǒng)的整體效率。另外，本設(shè)計在功率模塊的柵極和發(fā)射極并聯(lián)瞬態(tài)抑制二極管和平衡電阻來防止門極電壓超過閾值，保證系統(tǒng)的安全性與可靠性。

2.5 電路保護(hù)機制

為確保安全操作，柵極驅(qū)動IC配備了輸入和輸出側(cè)的UVLO電路。UVLO電路針對IGBT進(jìn)行了優(yōu)化。去飽和檢測電路在短路情況下可以保護(hù)外部功率器件免受破壞。柵極驅(qū)動IC對DESAT故障做出反應(yīng)，使用可調(diào)的軟關(guān)斷方法將功率器件關(guān)閉，軟關(guān)斷功能在過電流條件下以軟控制方式關(guān)閉外部功率器件，以保護(hù)功率器件免受集電極—發(fā)射極過電壓的損害。主動米勒鉗位功能保護(hù)功率器件免受快速開關(guān)應(yīng)用中的寄生導(dǎo)通。

3 結(jié)論

針對不同型號的IGBT和SiC，選用合適的模塊電源、驅(qū)動IC輸入端電阻以及門極電阻。中央處理器（central processing unit，CPU）可輸出15 kHz、50 kHz、100 kHz等不同頻率的PWM波，再經(jīng)驅(qū)動電路放大后，可用于IGBT和高頻SiC的驅(qū)動。

本文以1ED34x1Mc12M芯片為核心，設(shè)計了一種適用于IGBT和SiC的驅(qū)動電路，針對不同類型的半導(dǎo)體功率器件，根據(jù)其技術(shù)手冊選取合適的模塊電源、驅(qū)動IC輸入端電阻以及門極電阻即可進(jìn)行高效的驅(qū)動。通過對不同類型的半導(dǎo)體功率器件進(jìn)行脈沖測試，驗證了其正常驅(qū)動波形整體性能良好，且具有退飽和保護(hù)、有源鉗位保護(hù)、故障信號反饋等多種保護(hù)功能，保證了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與可靠性。

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