基于2SC0108T的即插即用型IGBT驅(qū)動(dòng)器

　　由Q101、Q102構(gòu)成的電路網(wǎng)絡(luò)主要完成兩路信號(hào)的互鎖和死區(qū)時(shí)間的設(shè)定，兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的死區(qū)時(shí)間可以通過(guò)穩(wěn)壓管D108、D109的穩(wěn)壓值來(lái)調(diào)節(jié)，直接模式下（Rm=150 k），穩(wěn)壓管D108、D109的穩(wěn)壓值為3.3 V。硬件死區(qū)電路有效時(shí)，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得死區(qū)時(shí)間為5.08 μs，死區(qū)時(shí)間可以滿(mǎn)足實(shí)際工程中的需要。表1為互鎖電路信號(hào)作用表。

　　由表1可知，2SC0108T工作在直接模式下，由于有互鎖電路，避免了IGBT上下直通的可能。

表1 互鎖電路信號(hào)作用表

　　2.3 故障信號(hào)調(diào)理電路

　　故障狀態(tài)輸出端SO1、SO2實(shí)時(shí)顯示IGBT模塊和供電電源的狀態(tài)，并通過(guò)故障報(bào)警信號(hào)調(diào)理電路上報(bào)控制器。

　　因故障狀態(tài)輸出端SO1、SO2為集電極開(kāi)路門(mén)電路，外部需接上拉電阻。當(dāng)故障（初級(jí)側(cè)欠壓、二次側(cè)欠壓、IGBT過(guò)流或短路）發(fā)生時(shí)，相應(yīng)的SOx輸出低電平；否則，輸出高電平。如果電源電壓欠壓，封鎖驅(qū)動(dòng)器并且兩個(gè)故障輸出端同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，直到電源電壓工作正常。當(dāng)二次側(cè)發(fā)生故障（檢測(cè)到IGBT模塊短路或電源欠壓）時(shí)，相應(yīng)的故障輸出端發(fā)出報(bào)警信號(hào)，在一個(gè)死區(qū)時(shí)間過(guò)后，相應(yīng)的故障信號(hào)消失。所有故障狀態(tài)均通過(guò)故障信號(hào)調(diào)理電路上報(bào)控制器。因故障狀態(tài)輸出端SO1、SO2為集電極開(kāi)路門(mén)電路，故將兩個(gè)故障輸出端直接短接實(shí)現(xiàn)“或非”邏輯，作為故障報(bào)警信號(hào)公共端。當(dāng)上述任何一種故障發(fā)生時(shí)，均作為有效故障信號(hào)上報(bào)控制器，并做相應(yīng)處理，這樣既可以簡(jiǎn)化電路硬件設(shè)計(jì)又可以提高驅(qū)動(dòng)器的可靠性。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得驅(qū)動(dòng)器的欠壓保護(hù)門(mén)限值為12.1 V，清除欠壓故障電壓門(mén)限值為12.8 V。

　　2.4 后級(jí)功率驅(qū)動(dòng)電路

　　IGBT后級(jí)驅(qū)動(dòng)電路為驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出通道和IGBT模塊之間的電路接口。二次側(cè)欠壓、IGBT過(guò)流或短路故障狀態(tài)的檢測(cè)都是由后級(jí)功率驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。

圖4 后級(jí)功率驅(qū)動(dòng)電路

　　VCE為IGBT集電極檢測(cè)端，為了檢測(cè)IGBT過(guò)流或短路，集電極檢測(cè)端須通過(guò)圖4所示的電路連接到IGBT的輔助集電極上。GH和GL分別為柵極開(kāi)啟和關(guān)斷端，通過(guò)開(kāi)啟、關(guān)斷柵極限流串并網(wǎng)絡(luò)連接到IGBT的柵極。柵極限流阻值對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的前后沿陡度和IGBT的開(kāi)關(guān)特性有影響。當(dāng)阻值增大時(shí)，可以抑制柵極脈沖前后沿陡度、防止寄生振蕩、減小開(kāi)關(guān)dic/dt值、限制IGBT集電極尖峰電壓；當(dāng)阻值減小時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致G、E之間發(fā)生振蕩以及IGBT集電極dic/dt值增加，引起IGBT集電極尖峰電壓，使IGBT損壞。該功能電路的作用是，若柵極限流電阻發(fā)生開(kāi)路故障，此電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值會(huì)增加，可以抑制驅(qū)動(dòng)信號(hào)前后沿陡度、減小開(kāi)關(guān)dic/dt值，可以保證即使柵極限流網(wǎng)絡(luò)發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，還能夠觸發(fā)IGBT，從而提高柵極后級(jí)驅(qū)動(dòng)電路的可靠性。

　　二極管D1、D2用于二次側(cè)欠壓保護(hù)。當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓欠壓時(shí)，不能觸發(fā)IGBT導(dǎo)通，二極管因承受正向電壓而導(dǎo)通，集電極檢測(cè)端電壓升高到設(shè)定值時(shí)，封鎖相應(yīng)的后級(jí)柵極驅(qū)動(dòng)通道并通過(guò)故障輸出端發(fā)出報(bào)警信號(hào)。為了防止誤觸發(fā)，二極管漏電流必須小。因正常導(dǎo)通時(shí)柵極驅(qū)動(dòng)電壓為+15 V，IGBT輔助集電極電壓相對(duì)較低，為防止二極管反向擊穿，其阻斷電壓應(yīng)大于40 V。

　　當(dāng)柵極處于失控狀態(tài)、主電路突加電壓時(shí)，由于集電極-柵極、柵極-發(fā)射極存在寄生電容，集電極電勢(shì)的突然變化，就會(huì)有大小為C·du/dt的電流流過(guò)寄生電容（C為寄生電容容值），使柵極電勢(shì)上升，誤觸發(fā)IGBT。為防止上述情況的發(fā)生，在GL和VE之間接一電阻Reg，為IGBT的柵極和發(fā)射極提供一個(gè)低阻抗回路，其阻值要求為22 kΩ或更大。

　　REF端內(nèi)部集成有可以提供150 μA的恒流源，參考電阻Rth的阻值通過(guò)如下公式進(jìn)行計(jì)算：

　　式中Vth為關(guān)斷門(mén)限值電壓。

　　此驅(qū)動(dòng)器關(guān)少數(shù)民族門(mén)限值電壓設(shè)置為2.85V，通過(guò)式（4）計(jì)算同參考電阻Rth的阻值為：

　　實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)IGBT模塊的過(guò)流倍數(shù)來(lái)選取合適的關(guān)斷門(mén)限值。

　　CA1、CA2為響應(yīng)時(shí)間電容，其作用是以電阻Rth端電壓為參考，通過(guò)與其串聯(lián)電阻的充電時(shí)間特性來(lái)確定響應(yīng)時(shí)間。

　　當(dāng)觸發(fā)IGBT導(dǎo)通時(shí)，測(cè)試信號(hào)無(wú)效。而IGBT導(dǎo)通需經(jīng)過(guò)一定的開(kāi)通時(shí)間，如果沒(méi)有響應(yīng)時(shí)間電容Ca，則在IGBT開(kāi)通過(guò)程中，將導(dǎo)致比較器正極性端電壓高于Vth而誤報(bào)警。若電容選擇合適，在IGBT開(kāi)通過(guò)程中，使電容充電時(shí)間大于開(kāi)通時(shí)間即可避免上述情況的發(fā)生。通常情況下，不同額定電流值的IGBT模塊導(dǎo)通壓降不同。額定電流為450 A的IGBT的導(dǎo)通壓降一般情況為2 V，若IGBT工作中發(fā)生過(guò)流，其集電極電壓會(huì)上升，并且正比于電流值。過(guò)流故障發(fā)生前電容Ca的電壓為正常導(dǎo)通壓降，過(guò)流時(shí)電容兩端的電壓與時(shí)間的關(guān)系為：y=2e-t/RC+UCE（1-e-t/RC）。當(dāng)響應(yīng)時(shí)間電容為33 pF，電阻R為120 kΩ，Vth為5.85 V，過(guò)流導(dǎo)通壓降UCE為10 V時(shí)的MATLAB仿真曲線如圖5所示。

圖5 仿真曲線

　　實(shí)踐中可以通過(guò)選擇響應(yīng)時(shí)間電容的容值，關(guān)斷門(mén)限值電壓Vth，IGBT過(guò)流倍數(shù)來(lái)計(jì)算圖5中t1的值：

　　與傳統(tǒng)的IGBT驅(qū)動(dòng)器相比，即插即用型驅(qū)動(dòng)器采用了與IGBT模塊一體化的設(shè)計(jì)思想，減小了驅(qū)動(dòng)信號(hào)線上寄生電容和寄生電感的影響，提高了驅(qū)動(dòng)器的可靠性。本文基于2SC0108的即插即用型IGBT驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)對(duì)前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路、后級(jí)功率驅(qū)動(dòng)電路及故障信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了多工作模式可選、多種故障狀態(tài)檢測(cè)及保護(hù)等功能。即插即用型IGBT驅(qū)動(dòng)器的調(diào)試、試驗(yàn)和工程應(yīng)用都驗(yàn)證了本驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的有效性和實(shí)用性。