鄭月非 張愛玲

（太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院，太原 030024）

1 引言

2SD315AI是瑞士CONCEPT公司為高壓IGBT的可靠工作和安全運(yùn)行而設(shè)計(jì)的驅(qū)動模塊，可驅(qū)動1200～1700V的 IGBT。2SD315AI集成了智能驅(qū)動、自檢、狀態(tài)反饋、DC/DC電源等功能，并將控制部分與功率部分完全隔離。該模塊采用脈沖變壓器隔離方式，加上相應(yīng)的外圍電路之后，能同時產(chǎn)生兩路IGBT驅(qū)動信號，可提供15V的驅(qū)動電壓和15A的峰值電流，具有準(zhǔn)確可靠的驅(qū)動功能與靈活可調(diào)的過流保護(hù)功能， 同時可對電源電壓進(jìn)行欠壓檢測，工作頻率可達(dá)100kHz以上；電氣隔離可達(dá)到4000V AC。

2SD315AI應(yīng)用于逆變器、電機(jī)驅(qū)動、開關(guān)電源、DC/DC電源。其擁有兩種工作模式：直接模式和半橋模式。在直接模式中，兩個通道之間沒有任何連接，需有兩路輸入信號。當(dāng)用于半橋方式時，只需一路輸入信號就可以直接產(chǎn)生具有任何死區(qū)時間PWM波。

2SD315AI 與其他驅(qū)動器相比具有以下幾個顯著的特點(diǎn)：

（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(hù)功能。

（4）具有欠壓監(jiān)測功能。

（5）可動態(tài)設(shè)定短路保護(hù)閾值。

從目前檢索到的文獻(xiàn)來看，有關(guān)2SD315AI應(yīng)用的報道較多，但對以其為核心所構(gòu)成的驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)及調(diào)試方法的報道卻不多見。本文設(shè)計(jì)了以2SD315AI為核心的外圍電路，并介紹了其調(diào)試方法。該方法在不接IGBT的情況下，可以對驅(qū)動電路進(jìn)行調(diào)試，從而可以防止直接接IGBT時，因驅(qū)動電路設(shè)計(jì)或調(diào)試方法不當(dāng)，對IGBT所產(chǎn)生的不必要的損壞。

2 驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的以2SD315AI為核心的 IGBT的驅(qū)動電路如圖1所示。

圖中INA、INB為驅(qū)動信號輸入端，其具有施密特觸發(fā)特性，能夠?qū)斎胄盘柌ㄐ芜M(jìn)行整形，提高了對輸入信號的抗干擾能力。C1、G1、E1 ，C2、G2、E2為驅(qū)動電路的輸出端，分別接至IGBT的集電極C，柵極G，發(fā)射極E，Gx，Ex之間的電壓即為IGBT的柵極驅(qū)動電壓，以下用Vgex表示。Vgex有+15V、-15V兩種電平，+15V使IGBT導(dǎo)通，-15V使IGBT可靠關(guān)斷。

圖1 2SD315AI驅(qū)動電路

輸入端VL/Reset決定了2SD315AI的邏輯電平，當(dāng)其為高電平時，執(zhí)行VL（Voltage Level）功能，設(shè)其電壓為VL，則輸入端INA、INB的高電平為2/3VL～VDD，低電平為0～1/3VL；當(dāng)其為低電平時，執(zhí)行復(fù)位功能，對驅(qū)動芯片進(jìn)行復(fù)位。

驅(qū)動電路的故障輸出為SO1、SO2，分別對應(yīng)于通道1 和2，當(dāng)相應(yīng)通道發(fā)生故障時，對應(yīng)故障輸出端為低電平。同時封鎖驅(qū)動芯片輸出（Vgex=-15V），封鎖時間為1s左右。

發(fā)光二極管LED4、LED3分別是通道1、2的工作指示燈。此指示燈和電阻串聯(lián)后接在管腳LSx和Visox之間，正常工作時，Visox輸出+16V電壓，相應(yīng)的發(fā)光二極管發(fā)光；反之熄滅。

值得注意的是LSx引腳極為敏感，所以在設(shè)計(jì)電路時LED發(fā)光二極管和33K電阻應(yīng)盡可能的靠近Visox、LSx引腳。同時不需要狀態(tài)指示時，則必須將LSx與COM x短接，否則會引起電磁干擾，致使整個電路不能正常工作。

圖中驅(qū)動芯片工作在獨(dú)立模式下，在這種工作方式下，兩個通道之間沒有任何邏輯聯(lián)系，需有兩路輸入信號，此時MOD引腳接高電平VDD；RC1、RC2接地；輸入端INA、INB分別接相應(yīng)的驅(qū)動信號，相應(yīng)的輸出信號分別為Vge1、Vge2。

在實(shí)際應(yīng)用中，驅(qū)動電路一般要求盡量靠近IGBT模塊，同時盡可能地縮短驅(qū)動裝置輸出PWM脈沖信號到IGBT柵極之間的引線長度，以增強(qiáng)驅(qū)動回路得抗干擾性能。

3 2SD315AI的調(diào)試方法

本文采用下述方法及步驟對圖1所示的驅(qū)動電路進(jìn)行調(diào)試。

3.1 C、E開路，斷開SO1， SO2

正常情況下SO1， SO2如圖1連接，調(diào)試時斷開比較方便觀測。

（1）引腳INA、INB不加輸入信號，此時工作指示燈LED3、LED4亮；故障輸出端SO1、SO2輸出電壓不穩(wěn)定，有時為高電平，有時為低電平；同時輸出電壓Vgex為-15V。

（2）只給INA端加輸入信號，故障輸出端SO1變低，該路指示燈LED4滅，說明該路處于非正常工作狀態(tài)；SO2有時低有時高，狀態(tài)不確定，輸出Vge1為-15V。

綜上所述，C、E開路時Vgex總為-15V，故障輸出及工作指示燈均不能正常工作，驅(qū)動電路處于非正常工作狀態(tài)。

3.2 C、E短路，斷開SO1， SO2

將驅(qū)動電路輸出端Cx、Ex短接，以模擬IGBT負(fù)載，調(diào)試方法如下。

（1）兩路輸入信號都不加，工作指示燈均亮；SO1、SO2有時低，有時高，電平不穩(wěn)定，輸出Vge1、Vge2均為-15V。

（2）第一路INA端加輸入信號，兩路指示燈均亮，SO1高，輸出Vge1的電平為+15或-15V的PWM波；SO2有時高，有時為低，狀態(tài)不確定，輸出Vge2為-15V。

（3）INB、INA都加輸入信號，指示燈均亮，SO1，SO2都為高電平，同時兩路都有相應(yīng)的PWM波輸出，表示該驅(qū)動電路工作正常。

綜上所述，C、E短接時，驅(qū)動電路處于正常工作狀態(tài)；同時只有兩路都加輸入信號時故障輸出端SO1，SO2才能工作正常。

4 柵極電阻Rg的選擇

由IGBT特性可知，柵極電阻Rg增大，則IGBT開通與關(guān)斷時間Ton、Toff增加，但浪涌電流IGP下降。所以Rg的選擇應(yīng)在滿足IGP的前提下盡可能的小，其值可按如下方法計(jì)算。

當(dāng)驅(qū)動電路的輸出電壓Vge由15V變?yōu)?15V時，Rg通過的電流最大，再根據(jù)2SD315AI芯片最大輸出電流為15A，則Rg可按公式（1）確定。

5 過流保護(hù)閾值的調(diào)整

圖2為圖1中2SD315AI通道1過流及短路保護(hù)電路圖。圖中，C3取值1.5nF，C3的取值直接影響到從檢測到Vce超過閾值到過流保護(hù)動作的響應(yīng)時間（Reaction time）。

圖2 2SD315AI芯片過流保護(hù)電路圖

驅(qū)動芯片輸出端C1所接二極管是為了防止電流從IGBT的集電極流向驅(qū)動電路，從而保護(hù)2SD315AI。Rm4為驅(qū)動芯片C1端的輸出電阻，推薦典型值為180Ω。

根據(jù)IGBT特性，當(dāng)其飽和導(dǎo)通時，集電極電流Ic與管壓降Vce成正比，設(shè)飽和時的管壓降用Vcesat來表示，故可根據(jù)Vcesat來判斷Ic是否處于過流狀態(tài)。

由圖2可知，運(yùn)算放大器在芯片內(nèi)部構(gòu)成了一個電壓比較器，其輸出端OVERCURRENT為驅(qū)動芯片內(nèi)部的過流保護(hù)信號。當(dāng)IGBT飽和導(dǎo)通時，如果Vce大于過流保護(hù)電壓Vceoff，U+大于U-，OVERCURRENT為高電平，芯片執(zhí)行過流保護(hù)功能，驅(qū)動電路的輸出Vge1為-15V以關(guān)斷IGBT；同時故障輸出端SO1為低電平。

根據(jù)運(yùn)放虛短虛斷的原理，臨界過流狀態(tài)時公式（2）成立

式中，U+，U-分別為運(yùn)放輸入端正負(fù)極電壓；Vceoff為過流保護(hù)電壓；N為二極管的個數(shù)，式中假設(shè)二極管管壓降為0.6V； Rth5為過流保護(hù)閾值電阻。由上所述，調(diào)節(jié)Rth5的阻值即可調(diào)整過流保護(hù)的閾值。計(jì)算可得閾值電阻Rth5的選取與過流保護(hù)電壓有表1所示的關(guān)系。

表1 閾值電阻R th5的選擇

需要注意的是，過流保護(hù)閾值的調(diào)整必須接IGBT負(fù)載，開始調(diào)試時可以先把Rth5調(diào)低一些，現(xiàn)象調(diào)對后再根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的要求進(jìn)行設(shè)定。

6 結(jié)論

本文介紹了以2SD315AI為核心的驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)及調(diào)試方法，以及門極電阻的選擇及過流保護(hù)閾值的調(diào)整方法。將上述方法用于一臺功率為100kW的逆變電路（選用EUPEC公司的IGBT，型號FF600R12KE3）的調(diào)試，取得了預(yù)期的效果。

[1] 蔣曉春,陳洛忠.高壓IGBT集成驅(qū)動模塊2SD315AI-33的應(yīng)用研究[J].國外電子元器,2003(11).

[2] 曹軍.2SD315AI-33型功率器件驅(qū)動器的性能及應(yīng)用[J].電子元器件應(yīng)用,2004(10).

[3] 李藝. 2SD315AI驅(qū)動模塊在變頻器中應(yīng)用.電氣時代,2008(9).

[4] CT-Concept Technology Ltd. Description and Application Manual for SCALE Drivers. http://www.igbt-driver.com/fileadmin/Public/PDF/Products/ENG/SCALE/Cores/SC ALE_Manual/SCALE_E.pdf

[5] CT- Concept Technology Ltd. Dual SCALE Driver 2SD315AI Dual SCALE Driver Core for IGBTs and Power MOSFETS. http://www.igbt-driver.com/fileadmin/Public/PDF/Products/ENG/SCALE/Cores/2SD315AI/2S D315AI.pdf