羅志清 劉 慶 袁漢祖 趙小波

（武漢船舶通信研究所 武漢 430079）

1 引言

IGBT具有高耐壓、大電流、高速和低飽和壓降等良好特點，故應用廣泛［1］。驅(qū)動電路作為控制電路與功率半導體器件之間的橋梁，在充分利用IGBT的性能，提高系統(tǒng)可靠性等方面發(fā)揮著關鍵作用［2～4］。IGBT驅(qū)動電路的設計除了考慮提供良好的驅(qū)動性能與可靠保護以外，還必須關注IGBT的寄生效應、電磁兼容性、絕緣電壓、開關速度的優(yōu)化、成本與集成度等問題［5～6］。設計高可靠性、高穩(wěn)定性的IGBT驅(qū)動電路是一項復雜的系統(tǒng)工程［7］。

本文以CONCEPT公司的新型智能化IGBT驅(qū)動模塊2SC0435T為例，分析了此驅(qū)動器的設計要點，給出了該驅(qū)動器的外圍應用電路，并對應用中需要注意的關鍵問題進行了分析和討論。

2 2SC0435T簡介

2SC0435T是瑞士CONCEPT公司為高壓IGBT的可靠工作和安全運行而設計的第二代驅(qū)動模塊［9］。這款基于SCALE－2驅(qū)動內(nèi)核的雙通道驅(qū)動器集低成本、超緊湊于一身，而且有非常寬的應用范圍［10］。2SC0435T驅(qū)動器專門為要求高可靠性的應用領域而設計，其集成了智能驅(qū)動、自檢、狀態(tài)反饋、有源箝位、DC／DC隔離電源等功能，并將控制部分與功率部分完全隔離，克服了傳統(tǒng)驅(qū)動電路在大電壓情況下電源隔離難的問題［11］。該模塊采用脈沖變壓器隔離方式，加上相應的外圍電路之后，能同時產(chǎn)生兩路IGBT驅(qū)動信號，具有準確可靠的驅(qū)動功能、靈活可調(diào)的過流保護與有源箝位功能，同時可對電源電壓進行欠壓檢測；其工作頻率可達100kHz，電氣隔離可達到4000VAC。

2SC0435T內(nèi)部包含有兩路IGBT驅(qū)動電路，可用于驅(qū)動兩路IGBT，且具有安全性、智能性與易用性等特點。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)生具有死區(qū)時間PWM波。

3 IGBT驅(qū)動電路設計

筆者曾參與研制電力電子變流裝置，主功率開關器件選用的是infineon公司的IGBT模塊，下面以此為例來對2SC0435T的應用問題進行一些分析和討論。以2SC0435T為核心的IGBT的驅(qū)動電路如圖1所示。

在圖1中，INA、INB為驅(qū)動信號的輸入端，SO1、SO2為驅(qū)動電路的故障輸出端，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。

IGBT驅(qū)動器通常處于強電磁場環(huán)境，如果輸入信號采用電纜傳輸，此時輸入信號的處理需要比較謹慎。如果驅(qū)動器INA，INB前端使用長線進行傳輸，窄脈沖抑制電路非常必要。這里需要選用施密特觸發(fā)器，這樣跳沿會陡峭，并且門電路要就近接入INA，INB，具體電路如圖2所示。

圖1 2SC0435T驅(qū)動外圍電路典型電路圖

圖2 驅(qū)動器輸入信號處理圖

MOD端為模式選擇端，該管腳通過一個電阻接地的方式來選擇工作模式。當該輸入端直接接地時，為直接模式。在該模式下，兩個通道各自獨立，相互沒有影響，輸入INA對應1通道，INB對應2通道。

當MOD端通過一個電阻接地時，驅(qū)動工作在半橋模式。在該模式下，輸入INA、INB具有以下功能：INB作為使能輸入，INA為驅(qū)動信號輸入。

當輸入INB為低電平時，兩個通道同時閉鎖；當INB變?yōu)楦唠娖?，則兩個通道都被使能，輸出信號由INA決定。當INA信號由低變高時，2通道的門極信號關斷，1通道在經(jīng)過一個死區(qū)時間TD后導通，其信號示意圖如圖3所示。

圖3 半橋模式信號示意圖

死區(qū)時間的值可以通過電阻RM來確定，根據(jù)以下公式：

其中0.6μs＜TD＜4.1μs，72kΩ＜RM＜182kΩ。

TB管腳可以通過一個電阻RB接地來設置阻斷時間。電阻RB與阻斷時間TB的關系式如下：

其中20ms＜TD＜130ms，71kΩ＜RB＜181kΩ。

當RB＝0Ω時，阻斷時間的最小典型值為9μs，但是管腳TB一定不能懸空。

狀態(tài)輸出端SOX（X代表通道名稱，1或者2，下同）為集電極開路輸出，由于報錯信號SO的管腳直接連到ASIC中，其內(nèi)部為漏極開路電路，因此這個管腳對噪聲比較敏感。如果有噪聲進入這個管腳，會導致錯誤出現(xiàn)。對于SO信號的處理，有以下方法：

1）SO信號必須有明確的電位，最好就近上拉；

2）SO信號經(jīng)過長線傳輸時，可以考慮配合門電路，以提高電壓信號抗擾能力，且接收端要配合阻抗合適的下拉電阻；

3）SO接10Ω電阻，再用肖特基二極管做上下拉鉗位保護；控制器端用電阻上拉。

當驅(qū)動器未檢測到故障，其輸出為高阻態(tài)。當驅(qū)動器檢測IGBT模塊過流、短路或者供電電源欠壓時，相對應的狀態(tài)輸出口SOX變?yōu)榈碗娖?。在?jīng)過一個阻斷時間TB之后，通過激勵信號的邊沿觸發(fā)來自動復位SOX端口。

4 應用關鍵問題與分析

4.1 有源箝位

有源鉗位電路的目標是鉗住IGBT的集電極電位，使其不要到達太高的水平，如果關斷時產(chǎn)生的電壓尖峰太高，或者太陡，都會使IGBT受到威脅。其原因是隨著系統(tǒng)的功率變大，IGBT的di／dt會增大，且雜散電感也會越大，因此電壓尖峰會越高。

在IGBT短路時，關斷短路電流的di／dt會更高，比關斷額定電流要高很多，因此短路時電壓尖峰更高。所以有可能出現(xiàn)，驅(qū)動器發(fā)現(xiàn)了IGBT的短路現(xiàn)象，并且也及時關斷，但是由于di／dt太高，產(chǎn)生了非常高的電壓尖峰，在關斷該短路電流后仍然可以損壞IGBT。這時，有源鉗位電路就非常必要。

基本的有源箝位電路的實現(xiàn)方法是在IGBT的集電極和門極之間用瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS）建立一個反饋通道。圖4所示為CONCEPT公司推出的基于SCALE－2芯片組的有源箝位的功能示意圖。

圖4 有源箝位功能示意圖

當TVS被擊穿時，電流IAAC會流進ASIC（專用集成電路）的AAC單元。該單元會根據(jù)IAAC的大小操縱下管MOSFET。當該電流大于40mA時，下管MOSFET開始被線性地關斷，當電流大于500mA時，下管MOSFET完全關閉。

此時門極處于開路狀態(tài)，Iz會向門極電容充電，使門極電壓從米勒平臺回到＋15V，從而使關斷電流變緩慢，達到電壓鉗位的效果。這個電路的特點是TVS的負載非常小，TVS的工作點非常接近額定點，鉗位的準度大大提高。

4.2 VCE監(jiān)控／短路保護

2SC0435T的兩個通道都有VCE監(jiān)控電路，在圖1的電路中，電阻Rthx用于定義關斷的參考值，流過電阻Rthx的電流的典型值是150μA。

為了使2SC0435T具有通用性，設置響應時間的定時電容Cax沒有被集成到驅(qū)動器內(nèi)部，而需要在外部連接。在響應時間區(qū)域內(nèi)，VCE監(jiān)控電路不起作用。響應時間的定義是：從IGBT開通時刻起，到集電極電壓檢測生效的這個時間區(qū)間，如圖5中所示。

圖5 功率器件開通關斷過程圖

兩個通道IGBT的VCE檢測電路是各自獨立的。在IGBT開通后，經(jīng)過一段響應時間，就開始檢測VCE，以此來判斷是否出現(xiàn)短路或過流，如果在響應時間的結(jié)束時刻，檢測到VCE超過了設定的門檻電壓，驅(qū)動器即認為發(fā)生短路或過流，并將該通道的IGBT驅(qū)動信號關斷，故障信號會馬上傳到相應的SOX狀態(tài)輸出口上，該通道的驅(qū)動信號會一直保持關斷狀態(tài)，直到阻斷時間TB結(jié)束。每個通道的阻斷時間TB是各自獨立的，TB的起始時刻是：VCE超過了檢測電路的門檻值的時刻，且TB是在響應時間區(qū)間以外的。

響應時間的數(shù)值由定時電容Cax的大小決定，它們的關系如表1所示。

表1 參考電阻（電壓）與響應時間關系

4.3 二極管檢測IGBT退飽和保護

2SC0435T可以利用二極管檢測功率器件C、E之間飽和壓降來進行保護，典型電路如圖6所示。

圖6 二極管檢測IGBT退飽和保護典型電路

Rax用于設定合適的響應時間，其阻值可以由以下式子計算：

VGLx為驅(qū)動器關斷電壓，2SC0435T關斷電壓為－10V。Cax和Rax的推薦值為

Vce監(jiān)控的門檻電壓值等于REFx管腳的電位（150μA流過Rthx）減去180Ω的電阻的壓降再減去D1、D2的導通壓降。當IGBT關斷時，VCEx的電位被拉低到COMx，IGBT開通時，電流流過Rax，并且電流的大小主要由Rax的阻值決定。

在這需要注意的就是，IGBT的最短關斷時間不能短于Tmin［ns］＝1400＊Cax［nF］，目的是不減少下一個開通脈沖到來時的響應時間。

4.4 IGBT柵極電阻的選擇

IGBT的開關特性受柵極電容的再充電控制，柵極電容的再充電可以通過柵極電阻控制。IGBT的動態(tài)性能可以通過柵極電阻值來調(diào)整。柵極電阻影響IGBT的開關時間、開關損耗、反向偏置安全運行區(qū)域（RBSOA）、短路電流安全運行區(qū)域（SCSOA）、EMI、dv／dt、di／dt和續(xù)流二極管的反向恢復電流。柵極電阻必須按照各個應用參數(shù)仔細選擇和優(yōu)化。所以在實際應用中要綜合考慮，折衷選擇驅(qū)動柵極電阻。在一般的應用中，遵循以下幾個原則：

1）通常情況下，額定電流大的IGBT模塊將采用較小的柵極電阻驅(qū)動；同樣的，額定電流小的IGBT模塊，將需要較大的柵極電阻。

2）一般而言，最優(yōu)的柵極電阻值將介于IGBT數(shù)據(jù)手冊中所列的值和大約兩倍于數(shù)據(jù)表中所列值之間。

3）在大多數(shù)的應用中，導通柵極電阻RG（on）比關斷柵極電阻RG（off）小。根據(jù)各自的參數(shù)，RG（off）約為RG（on）的兩倍。

4）在應用中應使寄生電感最小，尤其是在直流環(huán)節(jié)電路中。保持IGBT關斷過電壓在IGBT數(shù)據(jù)表的指定范圍內(nèi)是必要的，特別是在短路情況下。

5）由于柵級電阻功率較大，建議使用電阻并聯(lián)的形式。這將產(chǎn)生一個冗余，如果一個柵極電阻損壞，系統(tǒng)可臨時運行，但開關損耗較大。采用柵級電阻并聯(lián)的方式，也有利于增強熱擴散。柵級電阻并聯(lián)的布局必須保證柵極電阻所產(chǎn)生的過大熱量不會使安裝在附近的元件過熱。在考慮布局時，必須為柵極電阻留出足夠大的冷卻區(qū)域。

6）柵極電阻電路和IGBT模塊之間的距離應盡可能短。距離長會在柵極－發(fā)射極的通道上產(chǎn)生較大的電感。結(jié)合IGBT的輸入電容，該線路電感將形成一個LC電路。

5 應用實例

本文以驅(qū)動infineon公司的IGBT為例，給出了驅(qū)動電路際波形；同時還給出驅(qū)動器在不同門極關斷電阻情況下的輸出波形。

圖7 驅(qū)動輸出波形圖

圖7是驅(qū)動電路帶載輸出波形圖，其中RG（on）＝1.5Ω，RG（off）＝2Ω。從圖中可看出，驅(qū)動激勵信號與驅(qū)動輸出脈寬基本一致，延時較小。圖8分別是在不同的柵極關斷電阻下，驅(qū)動電路的輸出波形圖，其中RG（on）＝1.5Ω。

圖8 不同門極關斷電阻下輸出波形

從圖中可看出，隨著柵極關斷電阻逐漸減小，驅(qū)動輸出的下降時間逐漸變短，也即關斷變快。

同時，將該驅(qū)動電路應用到工程實踐上，其能穩(wěn)定、可靠工作。在發(fā)生過流等故障時，驅(qū)動電路能及時、有效地起到保護的作用。

6 結(jié)語

本文介紹了一種以新型IGBT驅(qū)動器2SC0435T為核心的驅(qū)動電路的設計及應用。通過工程實踐，證明該驅(qū)動器具有較強的動態(tài)驅(qū)動能力，而且包含有完善的短路過流保護、有源箝位功能和電源監(jiān)控功能。此外，該驅(qū)動器外圍電路簡單可靠，使用方便靈活，應用場合廣泛，是一款性能優(yōu)良的驅(qū)動模塊。

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［9］CT－Concept Technology Ltd.Description and Application Manual for SCALE Drivers.http：／／www.igbt－driver.com／en／produtcs／scale－2／scale－2－cores／2sc0435t.pdf.

［10］CT－Concept Technology Ltd.Description and Application Manual for SCALE Drivers.http：／／www.igbt－driver.com／en／produtcs／scale－2／scale－2－pnp.pdf.

［11］CT－Concept Technology Ltd.Description and Application Manual for SCALE Drivers.http：／／www.igbt－driver.com／en／produtcs／scale－2／scale－2－cores.pdf.