基于2SC0108T的即插即用型IGBT驅動器

摘要：針對IGBT 驅動電路復雜且保護功能不盡完善的問題，設計了一個基于2SC0108T的即插即用型IGBT驅動器，以及相應的前級驅動電路、 后級功率驅動電路和故障報警電路。該驅動器具有直接模式和半橋模式、驅動信號硬件互鎖、硬件死區(qū)時間可調(diào)節(jié)、IGBT過流及短路保護、驅動電源過欠壓監(jiān)控和易于安裝的特點。結合英飛凌EconoDUAL3封裝IGBT模塊，完成了即插即用型IGBT驅動器的硬件設計及調(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、開關速度高和低飽和壓降等優(yōu)良特點，在牽引電傳動、電能傳輸與變換、有源濾波等電力電子領域得到了廣泛的應用。

　　IGBT模塊的保護主要由IGBT驅動器來完成。驅動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。高性能的驅動器可使IGBT工作在比較理想的開關狀態(tài)，如開關延時小、開關損耗低等。本文提出的驅動器設計采用瑞士CONCEPT公司最新推出的2SC0108T模塊作為核心部件，設計了前級驅動電路、硬件死區(qū)電路、后級功率驅動電路、故障信號調(diào)理電路，試驗結果證明該驅動器具有良好的驅動及保護能力。

　　1 2SC0108T簡介

　　2SC0108T是一款高集成度低成本的超小型SCALE-2雙通道驅動器。接口兼容3.3 V～15 V邏輯電平信號，柵極驅動電壓為+15 V/-8 V，驅動電流為8 A，單通道輸出功率為1 W，可以驅動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級或多級拓撲。具有短路保護、過流保護和電源電壓監(jiān)控等功能。延遲時間為80 ns±4 ns，抖動時間為± 2ns。

　　為了使2SC0108T在主回路中的性能達到最優(yōu)，必須設計相應的外圍硬件電路，如驅動信號調(diào)理電路、IGBT功率驅動電路和故障信號調(diào)理電路，并集成到IGBT驅動器中。由于IGBT驅動信號頻率較高，容易對其他模擬信號和數(shù)字信號造成干擾，而且，驅動信號線寄生電容和寄生電感對驅動器的性能、可靠性有重要影響，因此，傳統(tǒng)的安裝模式為驅動器和IGBT模塊獨立安裝，通過雙絞線連接以減少寄生電容、寄生電感的影響。本文從減小信號線寄生電容、寄生電感和電磁干擾（EMI）方面考慮，設計了一個直接安裝于IGBT模塊上的即插即用型IGBT驅動器。

　　2SC0108T內(nèi)部結構圖如圖1所示，主要由三個功能模塊構成，即邏輯驅動轉化接口LDI（Logic-to-Driver Interface）、電氣隔離模塊和智能柵極驅動IGD（Intelligent Gate Driver）。

圖1 2SC0108T內(nèi)部結構圖

　　第一個功能模塊是由輔助電源和信號輸入兩部分組成。其中信號輸入部分主要將控制器的PWM信號進行整形放大，并根據(jù)需要進行控制，之后傳遞到信號變壓器，同時檢測從信號變壓器返回的故障信號，將故障信號處理后發(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，轉換成兩路隔離電源供給輸出驅動放大器使用。

　　第二個功能模塊是電氣隔離模塊，由兩個傳遞信號的脈沖變壓器和傳遞功率的電源變壓器組成。防止功率驅動電路中大電流、高電壓對一次側信號的干擾。

　　第三個功能模塊是驅動信號輸出模塊，IGD主要對信號變壓器的信號進行解調(diào)和放大，對IGBT的短路和過流進行檢測，并進行故障存儲和短路保護。

　　2 IGBT驅動器設計

　　本文設計的IGBT驅動器主要由2SC0108T模塊、前級驅動電路、后級功率驅動電路、故障信號調(diào)理電路構成，驅動器功能框圖如圖2所示。

圖2 驅動器功能框圖

　　由控制器產(chǎn)生的驅動信號A和B，經(jīng)過前級驅動電路調(diào)理后，分別送入2SC0108T驅動信號端INA和INB，INA和INB分別控制IGBT模塊的上橋臂和下橋臂。故障報警信號經(jīng)信號調(diào)理電路輸出。由于需要檢測IGBT的過流、短路、二次側電壓等故障狀態(tài)，以增強驅動信號的觸發(fā)能力并改善IGBT的開關特性，設計了后級功率驅動電路。

　　2.1 工作模式

　　該驅動器有兩種工作模式：直接模式和半橋模式。在直接模式下，兩個通道之間相互獨立，輸入信號INA 控制通道1，輸入信號INB控制通道2。在半橋模式下，輸入信號INA為驅動信號，輸入信號INB為使能信號。INB信號為低電平時， 封鎖輸出通道；INB 信號為高電平時， 使能輸出通道。通過模式選擇端（MOD）接地或對地接一個阻值在71K-182K之間的電阻來選擇工作模式。半橋模式下， 死區(qū)時間Td可以通過MOD的電阻Rm的值來確定，其計算公式如下：

　　式中Rm的值為73K-182K時，死區(qū)時間可以設置在0.5us-3.8us之間# 當Rm取150K時，IGBT柵極驅動信號死區(qū)時間經(jīng)測試為2.99us與理論計算值2.84us基本相符。

　　Rb為調(diào)節(jié)阻斷時間輸入端，Tb端可以用一個對地電阻Rb來設置阻斷時間，計算公式如下：

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

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

　　2.2 前級驅動電路

　　由于驅動器置于IGBT模塊上，控制器與驅動板之間的邏輯信號走線相對較長。為了提高信號的驅動能力和抗干擾能力，設計了前級驅動電路，如圖3所示。

圖3 前級驅動電路

　　驅動信號先后經(jīng)過了電平轉換、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為高電平驅動方式，所以此功能電路設計成輸入信號相對輸出信號為反邏輯，即控制器驅動信號為低電平時，加在IGBT上的柵壓為正向柵壓來觸發(fā)IGBT導通；反之，IGBT關斷。當控制器上電復位或出現(xiàn)故障時，驅動信號為高電平，從而關斷IGBT，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。