基于2SC0108T的即插即用型IGBT驅(qū)動(dòng)器

摘要：針對(duì)IGBT 驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜且保護(hù)功能不盡完善的問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于2SC0108T的即插即用型IGBT驅(qū)動(dòng)器，以及相應(yīng)的前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路、 后級(jí)功率驅(qū)動(dòng)電路和故障報(bào)警電路。該驅(qū)動(dòng)器具有直接模式和半橋模式、驅(qū)動(dòng)信號(hào)硬件互鎖、硬件死區(qū)時(shí)間可調(diào)節(jié)、IGBT過流及短路保護(hù)、驅(qū)動(dòng)電源過欠壓監(jiān)控和易于安裝的特點(diǎn)。結(jié)合英飛凌EconoDUAL3封裝IGBT模塊，完成了即插即用型IGBT驅(qū)動(dòng)器的硬件設(shè)計(jì)及調(diào)試，有效減小了雙絞線傳輸方式寄生電容及寄生電感的影響。

　　IGBT具有耐壓高、電流大、開關(guān)速度高和低飽和壓降等優(yōu)良特點(diǎn)，在牽引電傳動(dòng)、電能傳輸與變換、有源濾波等電力電子領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

　　IGBT模塊的保護(hù)主要由IGBT驅(qū)動(dòng)器來完成。驅(qū)動(dòng)器是功率主電路與控制電路之間的接口，在充分發(fā)揮IGBT的性能、提高系統(tǒng)可靠性等方面發(fā)揮著重要作用。高性能的驅(qū)動(dòng)器可使IGBT工作在比較理想的開關(guān)狀態(tài)，如開關(guān)延時(shí)小、開關(guān)損耗低等。本文提出的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)采用瑞士CONCEPT公司最新推出的2SC0108T模塊作為核心部件，設(shè)計(jì)了前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路、硬件死區(qū)電路、后級(jí)功率驅(qū)動(dòng)電路、故障信號(hào)調(diào)理電路，試驗(yàn)結(jié)果證明該驅(qū)動(dòng)器具有良好的驅(qū)動(dòng)及保護(hù)能力。

　　1 2SC0108T簡(jiǎn)介

　　2SC0108T是一款高集成度低成本的超小型SCALE-2雙通道驅(qū)動(dòng)器。接口兼容3.3 V～15 V邏輯電平信號(hào)，柵極驅(qū)動(dòng)電壓為+15 V/-8 V，驅(qū)動(dòng)電流為8 A，單通道輸出功率為1 W，可以驅(qū)動(dòng)600 A/1 200 V或 450 A/1 700 V的常規(guī)IGBT模塊或并聯(lián)IGBT模塊，支持3級(jí)或多級(jí)拓?fù)?。具有短路保護(hù)、過流保護(hù)和電源電壓監(jiān)控等功能。延遲時(shí)間為80 ns±4 ns，抖動(dòng)時(shí)間為± 2ns。

　　為了使2SC0108T在主回路中的性能達(dá)到最優(yōu)，必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的外圍硬件電路，如驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)理電路、IGBT功率驅(qū)動(dòng)電路和故障信號(hào)調(diào)理電路，并集成到IGBT驅(qū)動(dòng)器中。由于IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率較高，容易對(duì)其他模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)造成干擾，而且，驅(qū)動(dòng)信號(hào)線寄生電容和寄生電感對(duì)驅(qū)動(dòng)器的性能、可靠性有重要影響，因此，傳統(tǒng)的安裝模式為驅(qū)動(dòng)器和IGBT模塊獨(dú)立安裝，通過雙絞線連接以減少寄生電容、寄生電感的影響。本文從減小信號(hào)線寄生電容、寄生電感和電磁干擾（EMI）方面考慮，設(shè)計(jì)了一個(gè)直接安裝于IGBT模塊上的即插即用型IGBT驅(qū)動(dòng)器。

　　2SC0108T內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要由三個(gè)功能模塊構(gòu)成，即邏輯驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)化接口LDI（Logic-to-Driver Interface）、電氣隔離模塊和智能柵極驅(qū)動(dòng)IGD（Intelligent Gate Driver）。

圖1 2SC0108T內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

　　第一個(gè)功能模塊是由輔助電源和信號(hào)輸入兩部分組成。其中信號(hào)輸入部分主要將控制器的PWM信號(hào)進(jìn)行整形放大，并根據(jù)需要進(jìn)行控制，之后傳遞到信號(hào)變壓器，同時(shí)檢測(cè)從信號(hào)變壓器返回的故障信號(hào)，將故障信號(hào)處理后發(fā)送到故障輸出端；輔助電源的功能是將輸入的直流電壓經(jīng)過單端反激式變換電路，轉(zhuǎn)換成兩路隔離電源供給輸出驅(qū)動(dòng)放大器使用。

　　第二個(gè)功能模塊是電氣隔離模塊，由兩個(gè)傳遞信號(hào)的脈沖變壓器和傳遞功率的電源變壓器組成。防止功率驅(qū)動(dòng)電路中大電流、高電壓對(duì)一次側(cè)信號(hào)的干擾。

　　第三個(gè)功能模塊是驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出模塊，IGD主要對(duì)信號(hào)變壓器的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和放大，對(duì)IGBT的短路和過流進(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)行故障存儲(chǔ)和短路保護(hù)。

　　2 IGBT驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的IGBT驅(qū)動(dòng)器主要由2SC0108T模塊、前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路、后級(jí)功率驅(qū)動(dòng)電路、故障信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)器功能框圖如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)器功能框圖

　　由控制器產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)A和B，經(jīng)過前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路調(diào)理后，分別送入2SC0108T驅(qū)動(dòng)信號(hào)端INA和INB，INA和INB分別控制IGBT模塊的上橋臂和下橋臂。故障報(bào)警信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路輸出。由于需要檢測(cè)IGBT的過流、短路、二次側(cè)電壓等故障狀態(tài)，以增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的觸發(fā)能力并改善IGBT的開關(guān)特性，設(shè)計(jì)了后級(jí)功率驅(qū)動(dòng)電路。

　　2.1 工作模式

　　該驅(qū)動(dòng)器有兩種工作模式：直接模式和半橋模式。在直接模式下，兩個(gè)通道之間相互獨(dú)立，輸入信號(hào)INA 控制通道1，輸入信號(hào)INB控制通道2。在半橋模式下，輸入信號(hào)INA為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，輸入信號(hào)INB為使能信號(hào)。INB信號(hào)為低電平時(shí)， 封鎖輸出通道；INB 信號(hào)為高電平時(shí)， 使能輸出通道。通過模式選擇端（MOD）接地或?qū)Φ亟右粋€(gè)阻值在71K-182K之間的電阻來選擇工作模式。半橋模式下， 死區(qū)時(shí)間Td可以通過MOD的電阻Rm的值來確定，其計(jì)算公式如下：

　　式中Rm的值為73K-182K時(shí)，死區(qū)時(shí)間可以設(shè)置在0.5us-3.8us之間# 當(dāng)Rm取150K時(shí)，IGBT柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)死區(qū)時(shí)間經(jīng)測(cè)試為2.99us與理論計(jì)算值2.84us基本相符。

　　Rb為調(diào)節(jié)阻斷時(shí)間輸入端，Tb端可以用一個(gè)對(duì)地電阻Rb來設(shè)置阻斷時(shí)間，計(jì)算公式如下：

　　式中Rb的值為71K-181K時(shí)，阻斷時(shí)間可以設(shè)置在20ms-130ms之間，選擇Rb為0Ω， 死區(qū)時(shí)間最小可以設(shè)為9us。Tb端不應(yīng)懸空，可在Tb端接一個(gè)參考電壓來設(shè)置阻斷時(shí)間，其計(jì)算公式如下：

　　式中， 參考電壓Ub在1.42v-3.62v范圍內(nèi)時(shí)，可以設(shè)置在20ms-130ms之間。

　　2.2 前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路

　　由于驅(qū)動(dòng)器置于IGBT模塊上，控制器與驅(qū)動(dòng)板之間的邏輯信號(hào)走線相對(duì)較長(zhǎng)。為了提高信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力和抗干擾能力，設(shè)計(jì)了前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路，如圖3所示。

圖3 前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路

　　驅(qū)動(dòng)信號(hào)先后經(jīng)過了電平轉(zhuǎn)換、電平箝位、死區(qū)/互鎖電路和波形整形最終送入2SC0108T模塊。因2SC0108T為高電平驅(qū)動(dòng)方式，所以此功能電路設(shè)計(jì)成輸入信號(hào)相對(duì)輸出信號(hào)為反邏輯，即控制器驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平時(shí)，加在IGBT上的柵壓為正向柵壓來觸發(fā)IGBT導(dǎo)通；反之，IGBT關(guān)斷。當(dāng)控制器上電復(fù)位或出現(xiàn)故障時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平，從而關(guān)斷IGBT，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。