王佳軍，陳息坤，顧雋楠，李?，摚瑢O 澤

(上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200444)

0 引 言

20世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)了將絕緣柵型場效應(yīng)管(MOSFET)和電力三極晶體管(BJT)通斷機(jī)制相結(jié)合的新一代半導(dǎo)體電力開關(guān)器件——絕緣門極雙極型晶體管(IGBT)。IGBT是一種復(fù)合器件，它的輸入控制部分為MOSFET，輸出級為BJT，因此具有高輸入阻抗、電壓控制、驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)[1]，近年來不斷應(yīng)用于新能源發(fā)電以及變頻整流等領(lǐng)域。

目前，國內(nèi)外各大公司已有大量對于IGBT及其驅(qū)動(dòng)電路的相關(guān)研究設(shè)計(jì)[2-9]。為實(shí)現(xiàn)IGBT正確的導(dǎo)通關(guān)斷以及功率電路的安全穩(wěn)定運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)電路的正確設(shè)計(jì)必不可少。驅(qū)動(dòng)電路輸入輸出的延時(shí)以及驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)功率等性能對于IGBT能否正常工作有著密切的影響，不僅要實(shí)現(xiàn)功率器件正常開通關(guān)斷，同時(shí)也需要可靠的保護(hù)電路以便于在故障狀態(tài)下可靠地關(guān)閉系統(tǒng)。

德州儀器推出的多款隔離型柵極驅(qū)動(dòng)器，如UC21270_Q1、UCC21273_Q1等，可以幫助設(shè)計(jì)師開發(fā)出體積更小的逆變器以及充電裝置；瑞士CONCEPT公司的SCALE系列驅(qū)動(dòng)器較為廣泛地應(yīng)用在大功率場合，其采用獨(dú)創(chuàng)的專用集成電路驅(qū)動(dòng)芯片組；德國英飛凌公司2ED020I12系列等在不同應(yīng)用場景有著極高的可靠性和安全性[2]；安森美半導(dǎo)體的FOD3120是2.5 A輸出電流門的驅(qū)動(dòng)光電耦合器，采用飛兆半導(dǎo)體專有的共面封裝技術(shù)，具有高抗干擾、高共模抑制的特點(diǎn)[11-12]；青銅劍公司的驅(qū)動(dòng)器采用高可靠、高集成度的IGBT驅(qū)動(dòng)技術(shù)，能安全可靠地驅(qū)動(dòng)IGBT。這些國內(nèi)外公司制造的驅(qū)動(dòng)模塊往往依據(jù)本公司產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)，成本價(jià)格方面各有不同。因此，設(shè)計(jì)一款性能良好、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的IGBT驅(qū)動(dòng)器具有重要的意義。

本文在滿足IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，基于英飛凌公司的2ED020I12-F2，設(shè)計(jì)了一款大功率IGBT模塊驅(qū)動(dòng)電路。2ED020I12-F2驅(qū)動(dòng)芯片峰值輸出電流2 A，在驅(qū)動(dòng)一些大功率IGBT模塊時(shí)達(dá)不到驅(qū)動(dòng)能力的要求，因此增加了周邊放大電路，同時(shí)設(shè)計(jì)了低壓反激電源完成隔離電源供給，并且將光纖傳輸技術(shù)用在該驅(qū)動(dòng)電路中，防止驅(qū)動(dòng)信號在傳輸過程中的干擾。最后，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該驅(qū)動(dòng)電路的合理性和正確性。

1 IGBT驅(qū)動(dòng)參數(shù)計(jì)算

1.1 IGBT驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算

IGBT為電壓式驅(qū)動(dòng)器，IGBT的等效模型如圖1所示，其在門極與發(fā)射極、門極與集電極之間均存在等效電容。因此，可以等效為一個(gè)脈沖電壓源對RC電路進(jìn)行充放電的模型，我們需要知道的是其脈沖電壓源功率及峰值電流。

圖1 IGBT等效電路

IGBT作為一種復(fù)合型器件，它的輸入控制部分為MOSFET，在柵極G和發(fā)射極E之間外加足夠的正向電壓使其完全飽和。根據(jù)相應(yīng)的產(chǎn)品手冊，其柵極一般選擇在+15 V左右，可以快速有效地開通IGBT模塊。一旦撤除柵極電壓或者施加一個(gè)反壓(一般在-5 V～-15 V之間)，IGBT模塊將從通態(tài)轉(zhuǎn)入斷態(tài)。

IGBT開通和關(guān)斷過程中，在驅(qū)動(dòng)電阻以及功率器件組成的回路中產(chǎn)生了一些損耗，稱其為驅(qū)動(dòng)功率Pdrive。驅(qū)動(dòng)功率與IGBT的柵極電荷量Qgate、開關(guān)頻率f以及柵極驅(qū)動(dòng)正負(fù)電壓差值ΔU有關(guān)，其計(jì)算過程如下：

Pdrive=f×Qgate×ΔU

(1)

一般情況下柵極電荷量Qgate可以從所選IGBT產(chǎn)品手冊獲取。

柵極的充放電是沒有能量損失的，因此該驅(qū)動(dòng)功率消耗在驅(qū)動(dòng)電阻以及外部電路上。

1.2 柵極電阻RG

柵極電阻的主要作用：

(1)消除振蕩：由圖1可知，IGBT柵極發(fā)射極之間存在等效電容，系統(tǒng)回路之間會存在寄生電感，因此在正常工作情況下會產(chǎn)生強(qiáng)烈振蕩，為減輕或消除振蕩，必須在柵極串入一定阻值的電阻。

(2)轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)器的功率損耗：IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)功率大部分消耗在驅(qū)動(dòng)器的輸出管上，這會產(chǎn)生較高溫升，因此柵極電阻可以有效地轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)器的功率損耗。

(3)調(diào)節(jié)IGBT開關(guān)速度：柵極電阻小，器件開關(guān)速度快，開關(guān)損耗小;柵極電阻大，器件開關(guān)速度慢，開關(guān)損耗大。但開關(guān)速度過快會導(dǎo)致電壓電流變化率大幅度提高，從而產(chǎn)生較大干擾。

因此，選擇合適大小的柵極電阻非常重要。在實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)具體驅(qū)動(dòng)IGBT器件的不同，調(diào)整相應(yīng)的阻值，以達(dá)到最優(yōu)驅(qū)動(dòng)效果。

1.3 驅(qū)動(dòng)電流計(jì)算

驅(qū)動(dòng)器的最大輸出電流IGmax必須要大于實(shí)際柵極驅(qū)動(dòng)電流，驅(qū)動(dòng)器最大輸出電流越大，則開關(guān)管電容充電時(shí)間越短，但不宜選取過大的輸出電流，其計(jì)算公式如下：

(2)

式中：RG和RGint分別是柵極電阻以及IGBT內(nèi)部等效柵極電阻。

1.4 外部放大電路參數(shù)計(jì)算

由于2ED020I12-F2輸出峰值電流為2 A，在實(shí)際應(yīng)用場景中驅(qū)動(dòng)大功率IGBT器件較為困難。如圖2所示，采用額外的外部放大電路可以將其輸出電流擴(kuò)大。此時(shí)，2ED020I12-F2將作為控制器，外部放大推挽電路由分立的NPN/PNP互補(bǔ)輸出級構(gòu)成，NPN/PNP晶體管須滿足較快的開關(guān)速度以及足夠大電流增益。

圖2 外部放大電路

由上述可知，晶體管峰值集電極電流ICM應(yīng)該大于實(shí)際柵極驅(qū)動(dòng)電流:

(3)

在連接外部放大電路后，驅(qū)動(dòng)器的損耗為電源到IGBT柵極消耗的功率即放大晶體管功率以及柵極電阻消耗的功率兩部分。因此可以得知放大晶體管功率計(jì)算公式:

(4)

在使用外部放大電路時(shí)，驅(qū)動(dòng)芯片的輸出電流會大幅度減小，因此在實(shí)際應(yīng)用場合要根據(jù)放大晶體管的增益hFE調(diào)節(jié)基極電阻器RB。最小基極電阻計(jì)算如下：

(5)

式中：Iout為驅(qū)動(dòng)芯片輸出最大峰值電流。

2 2ED020I12-F2介紹

2.1 芯片特點(diǎn)與驅(qū)動(dòng)性能

2ED020I12-F2是英飛凌公司的一款采用無芯變壓器隔離的雙通道隔離式IGBT驅(qū)動(dòng)器，主要用于600 V/1 200 V電壓等級的IGBT，電流能力為2 A軌至軌輸出，同時(shí)具有飽和壓降檢測以及有源米勒鉗制等一些保護(hù)功能。具有兩路獨(dú)立輸出、集成保護(hù)功能以及占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于交流和無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器以及UPS系統(tǒng)等。

2.2 芯片內(nèi)部與外部保護(hù)功能

2ED020I12-F2芯片設(shè)有多種內(nèi)部以及外部保護(hù)功能，用以確保驅(qū)動(dòng)電路正確可靠運(yùn)行。主要保護(hù)功能如下：

(1)欠壓鎖定功能(UVLO)：當(dāng)供電電壓低于內(nèi)部限電壓13 V時(shí)，芯片會自動(dòng)停止工作，并處于鎖死狀態(tài)。若芯片的供電電壓正常，芯片READY引腳輸出高電平，否則READY引腳置低。

(2)去飽和保護(hù)：確保在IGBT短路時(shí)對其進(jìn)行保護(hù)。在IGBT正常工作情況下，DESAT電壓上升到9 V時(shí)，檢測到IGBT發(fā)生短路，輸出被驅(qū)動(dòng)為低電平，同時(shí)FAULT被激活輸出低電平。

(3)米勒鉗位保護(hù)：2ED020I12-F2內(nèi)部存在開關(guān)管，當(dāng)檢測到門極電壓UGE大于2 V時(shí)，內(nèi)部開關(guān)管打開提供一路通道，確保CGE貯存的電荷快速釋放，可以有效消除米勒效應(yīng)。

(4)短路鉗制保護(hù)：在短路期間，由于米勒電容CGC存在，IGBT的柵極電壓上升，為防止上升到開啟電壓，外部附加保護(hù)電路加在OUTXX和CLAMPXX引腳間對其電壓進(jìn)行鉗位。

3 光纖隔離驅(qū)動(dòng)及系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)

3.1 光纖隔離驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

在大功率應(yīng)用場景，高壓大電流會帶來一定的電磁兼容問題，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。傳統(tǒng)的隔離方式如變壓器隔離以及光耦隔離等適用于中小功率，在大功率場合顯得抗干擾能力不足，因此往往采用光纖傳輸驅(qū)動(dòng)信號的方式。光纖傳輸?shù)脑砼c光耦隔離相似，即通過光來傳輸驅(qū)動(dòng)信號，因此可以有效地防止電磁干擾，適用于遠(yuǎn)距離傳輸，提高了驅(qū)動(dòng)的可靠性。

本驅(qū)動(dòng)電路實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的光纖隔離驅(qū)動(dòng)如圖3所示，包括控制器、光纖收發(fā)器、光纖以及驅(qū)動(dòng)器等4部分。

圖3 光纖隔離驅(qū)動(dòng)原理框圖

本驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中光纖收發(fā)器選用的是安高華(AVAGO)公司的產(chǎn)品HFBR-1521和HFBR-2521系列。該系列內(nèi)部為一電流驅(qū)動(dòng)型LED，當(dāng)有電流流經(jīng)LED時(shí)，光纖被點(diǎn)亮，信號得以傳輸；當(dāng)沒有電流流經(jīng)LED時(shí)，光纖熄滅。在光纖接收器電路端，因?yàn)榇嬖谶壿嫹聪?，所以?qū)動(dòng)信號輸出側(cè)接反相器，既有復(fù)原信號，又有整形和放大信號的作用。光纖接收器和光纖發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)電路如圖4、圖5所示。

圖4 光纖發(fā)送器電路

圖5 光纖接收器電路

3.2 驅(qū)動(dòng)電路供電設(shè)計(jì)

由于2ED020I12-F2輸入供電電壓為+5 V，輸出側(cè)供電選擇雙電源供電，分別為兩路相互獨(dú)立的+15 V/-5 V雙極性電源，同時(shí)光纖收發(fā)器供電也為+5 V。為此在滿足供電電壓標(biāo)準(zhǔn)以及隔離供電的條件上設(shè)計(jì)反激電路給驅(qū)動(dòng)電路隔離供電。該反激電源采用UC3842芯片對其進(jìn)行閉環(huán)控制，輸入電壓為+36 V，輸出電壓為分別為+5 V以及兩路+15 V和-5 V。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為測試該驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的可靠性，將其應(yīng)用于英飛凌公司的IGBT模塊FF300R12KT4P，并搭建簡單的電路以驗(yàn)證其驅(qū)動(dòng)正確性，觀察其隔離電源供電、輸入輸出延時(shí)、驅(qū)動(dòng)電壓等性能。其驅(qū)動(dòng)板實(shí)物如圖6所示。

圖6 驅(qū)動(dòng)器實(shí)物圖

圖7～圖9分別為驅(qū)動(dòng)器反激供電電源+5 V、+15 V和-5 V供電波形。由圖7～圖9可知，該反激電源在供電隔離的情況下，供電質(zhì)量較好。將示波器設(shè)置到直流檔可以測出輸出電壓穩(wěn)定在+5 V、+15 V和-5 V。經(jīng)長時(shí)間考核后發(fā)現(xiàn)該輔助電源能有效地給光纖收發(fā)器以及2ED020I12-F2供電。

圖7 +5 V輸出電壓波形

圖8 +15 V輸出電壓波形

圖9 -5 V輸出電壓波形

圖10～圖12分別為控制器輸出到驅(qū)動(dòng)板輸出驅(qū)動(dòng)波形、控制器輸出到驅(qū)動(dòng)板輸出開通延時(shí)、控制器輸出到驅(qū)動(dòng)板輸出關(guān)斷延時(shí)。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，該驅(qū)動(dòng)電路在保證放大驅(qū)動(dòng)能力的同時(shí)驅(qū)動(dòng)延時(shí)在300 ns左右，因此可以有效地開通關(guān)斷大功率IGBT。

圖10 控制器輸出到驅(qū)動(dòng)板輸出驅(qū)動(dòng)波形

圖11 控制器輸出到驅(qū)動(dòng)板輸出開通延時(shí)

圖12 控制器輸出到驅(qū)動(dòng)板輸出關(guān)斷延時(shí)

5 結(jié) 語

IGBT驅(qū)動(dòng)電路的可靠性決定了系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，大功率場合往往需要驅(qū)動(dòng)電路具有足夠的驅(qū)動(dòng)能力。本文在基于2ED020I12-F2驅(qū)動(dòng)芯片的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并制作了一款可應(yīng)用于大功率場合的IGBT模塊驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)光纖傳輸技術(shù)傳輸驅(qū)動(dòng)信號以及反激電源對驅(qū)動(dòng)電路隔離供電，最終通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其驅(qū)動(dòng)可靠性與安全性，具有較好的效果。