李祥來，顏漸德，謝衛(wèi)才

(湖南工程學院 電氣信息學院，湘潭 411104)

0 引言

絕緣柵雙極型晶體管 ( Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT) 作為現(xiàn)代電力電子技術發(fā)展的重要成果，廣泛應用于工業(yè)傳動、新能源發(fā)電、新能源汽車、軌道牽引等領域.為了保證其在設備中安全、可靠、高效地工作,其驅動電路的研究就顯得尤為重要.驅動電路影響著IGBT的通態(tài)壓降、開關損耗、承受電路電流電壓時間參數(shù)，決定著IGBT工作運行中的靜態(tài)與動態(tài)運特性以及系統(tǒng)運行穩(wěn)定性.需在系統(tǒng)運行中提供一定的死區(qū)時間，并在故障狀態(tài)下可靠地關閉系統(tǒng)[1-2].而在實際應用運行中又要求驅動電路盡可能簡單，因此IGBT驅動電路的設計非常關鍵.

針對 IGBT 驅動電路的設計要求，本文設計了基于英飛凌 2ED020I12-FA 驅動芯片的IGBT驅動電路.實驗結果表明，該驅動模塊具有驅動能力強、工作可靠等特點.

1 IGBT驅動技術的類型與要求

驅動電路的好壞直接決定了IGBT 模塊能否正?？煽抗ぷ?，除了隔離傳輸和功率放大作用外，還具備如下功能：減小二極管反向恢復電流尖峰、降低關斷過壓、減小 IGBT 開關損耗、抑制功率回路中的電磁干擾(EMI)，以及在故障情況下確保其運行在安全工作區(qū).從控制策略角度出發(fā)，現(xiàn)階段驅動電路可以分為被動式和主動式[3-4]，而主動式又包含開環(huán)和閉環(huán)兩種控制方式，圖1詳細列出了IGBT柵極驅動電路控制技術分類.

圖1 IGBT柵極驅動電路控制技術分類

為了實現(xiàn)更好的驅動功能,對驅動電路一般有以下幾個要求[5-6]:

①提供有效的驅動電壓；②保證合適的開關頻率;③具有較強的抗干擾能力；④完善的保護功能；⑤功率回路與控制回路的隔離能力；⑥一定的電流驅動能力.

2 2ED020I12-FA隔離芯片的工作原理

2ED020I12-FA采用無芯變壓器技術，實現(xiàn)控制回路與功率回路的隔離，它是一種雙通道高壓、高速電壓型功率器件柵極驅動器，具有電壓監(jiān)測、欠壓鎖定、軟關斷、控制信號高低壓差分輸入、軌對軌輸出、功率器件短路檢測關斷及米勒有源鉗位等功能.

2.1 輸入與輸出

2ED020I12-FA有兩種輸入模式，一種為正向輸入，此時需要將 IN-腳接低電平；另一種為反向輸入，這時需要將 IN + 腳接高電平.在信號電平輸入方面，內部設有最小脈沖寬度限制，由此便會消除一定量的高頻脈沖干擾.2ED020I12-FA以推挽方式輸出，內部 MOSFET管壓降較低，有效降低了最大電流輸出時的功率損耗，提高了器件實際運行的可靠性.

2ED020I12-FA初級具有互鎖功能，可避免由微控制器產(chǎn)生錯誤的輸入信號或EMI同時開關半橋的高邊和低邊造成短路.

2.2 欠壓鎖定( UVLO)功能

為確保IGBT可靠地開通與關斷，2ED020I12-FA對供電電壓進行檢測，當供電電源VCC1或VCC2的電壓低于內部門限電壓VUVL值時，芯片2ED020I12-FA會發(fā)出關斷信號，直接關斷IGBT，這時芯片對輸入信號處于無響應狀態(tài)，供電電源恢復正常后，芯片也接入正常工作狀態(tài).判斷信號傳輸是否正常，可通過芯片READY引腳的狀態(tài)指示來確定.

2.3 過流保護與米勒鉗位

IGBT的CE間電流大小與CE間電壓近似成正比.根據(jù)其這一特性，2ED020I12-FA通過檢測DESAT引腳CE間的電壓進行IGBT短路或過流的判定，當DESAT引腳電壓>9 V時，可通過芯片內部比較器輸出低電平關閉驅動信號輸出，從而確保 IGBT不會因短路過熱而燒壞.為不引起系統(tǒng)誤保護，芯片還設計了時間消隱電路，此功能利用器件內部高精度恒流源與外部電容共同實現(xiàn)[1].

IGBT的內部結構特點決定了在其CG與GE間存在寄生電容，若在半橋結構中打開下橋IGBT時會引起上橋IGBT的CE間電壓變化，該電壓變化也會使GE間的寄生電容充電，當CGE上感生的電壓大于IGBT的柵極開通電壓時便會導致上橋IGBT導通，從而形成上下橋臂直通的惡劣情形.該芯片為了有效消除這一現(xiàn)象 — 米勒效應，內部設計了保護電路，CLAMP引腳實時監(jiān)測上橋IGBT柵極電壓UGE，當GE間電壓>2 V時芯片會自動打開內部晶體管，迅速釋放CGE上的電荷，有效消除隱患.

3 驅動電路設計

3.1 DC/DC電源電路

IGBT的柵極驅動電壓一般要求在±20 V以內，超過這個范圍，柵-射極間的二氧化硅氧化膜結構就有可能發(fā)生絕緣破壞進而造成可靠性下降.所以IGBT開通的驅動電壓一般設計在12～20 V，本設計為15 V.同理，為了更加可靠的關斷IGBT，通常設計負壓關斷，根據(jù)IGBT廠家的指導意見，負壓范圍一般取-5 V至-10 V，本設計取-8 V.

驅動電源模塊根據(jù)輸出側的結構，一般有兩種方案，開環(huán)設計與閉環(huán)設計，所謂開環(huán)設計，輸出側的電壓不是恒壓的，電壓隨著驅動輸出功率的大小變化而變化.閉環(huán)設計是恒壓輸出，在額定功率輸出內都能實現(xiàn)穩(wěn)定電壓輸出.雖然閉環(huán)設計比開環(huán)設計電路更加復雜，但驅動的可靠性和穩(wěn)定性都好于開環(huán)方案.本設計采用的輸出閉環(huán)設計，實現(xiàn)二次側+15 V和-8 V的恒定.

下圖2為基于QA151模塊設計的隔離型驅動電源，一次側輸入為DC15 V，二次側輸出為+15 V和-8 V.

圖2 DC/DC電源模塊

3.2 驅動信號電路

基于2ED020I12-FA的IGBT驅動電路，如圖3所示，這是一個半橋驅動電路.PWM信號輸入為IN1、IN2，故障信號輸出為FLT.在IGBT正常工作時，F(xiàn)LT信號輸出為高電平，反之為低.驅動電路的狀態(tài)指示燈為LED1、LED2，驅動模塊正常工作時，指示燈亮，反之不亮.

以上橋臂驅動電路為例進行分析.上橋驅動的輸入信號為IN1，信號首先經(jīng)過鉗位二極管D7，保證信號的幅值符合模塊的輸入要求，再經(jīng)過R6、C14組成的RC濾波電路后，送入模塊2ED020I12-FA的信號輸入端INHS+, 同時INHS-端接信號的參考點GND,系統(tǒng)就形成了同相輸入模式.PWM信號經(jīng)模塊隔離放大后，從OUTHS端輸出，驅動能力為2 A，該驅動功率能直接驅動150 A以下的IGBT.為了提高驅動功率，在外部加了一級由Q1、Q2組成的推挽放大大路，經(jīng)過功率放大后，峰值輸出電流高達8 A.可以正常驅動600 A/1200 V及以下IGBT.

圖3 基于2ED020I12-FA的半橋IGBT驅動電路

4 實驗測試

為驗證本文所述IGBT驅動電路設計的正確性，將其做成實物，在英飛凌IGBT模塊FF450R12ME4上進行各項功能測試，主要包括PWM信號波的處理、驅動電流放大、故障封鎖和故障反饋等.測試實物如圖4所示，實物器件參數(shù)與電路中所標信息一致.

圖4 驅動電路實物圖

如圖5、圖6所示為IGBT驅動模塊實際運行波形圖，運行結果表明，該模塊性能良好，達到了設計目標.具體表現(xiàn)為柵極驅動輸出開通電壓為15 V，關斷電壓為-7 V，輸出電壓上升有一個較為明顯的緩沖平臺，能有效抑制一次回路的過沖現(xiàn)象.

圖5 PWM輸入輸出波形(10 kHz)

圖6 PWM輸入輸出波形(15 kHz)

5 總結

本文基于英飛凌公司2ED020I12-FA芯片設計了完整的半橋IGBT驅動系統(tǒng)，其中包括驅動主電路、DC/DC電源電路、二級功率放大電路、過流保護電路等.經(jīng)過在礦用機車感應電機拖動系統(tǒng)中的應用驗證，該驅動模塊具有結構簡單、安裝方便、工作穩(wěn)定可靠等特點.