IGBT 集成驅(qū)動(dòng)模塊2SD315AI 的應(yīng)用研究

2.2 2SD315AI 驅(qū)動(dòng)塊的保護(hù)功能及特點(diǎn)

2SD315AI 驅(qū)動(dòng)塊的保護(hù)主要包括短路和過(guò)流以及電源檢測(cè)。對(duì)于短路和過(guò)流保護(hù)，驅(qū)動(dòng)中每路都有一個(gè)Vce檢測(cè)電路，Rth為關(guān)斷閥值的參考電阻。在IGBT開通后的一段響應(yīng)時(shí)間內(nèi)，Vce檢測(cè)電路不起作用。而當(dāng)Vce出現(xiàn)故障后，鎖定時(shí)間功能開始啟動(dòng)，并在鎖定時(shí)間內(nèi)使驅(qū)動(dòng)器鎖定IGBT，而不再接受輸入信號(hào)。模塊中的各路都具有自己的鎖定功能，并均由各路的LDG001實(shí)現(xiàn)。一旦Vce超過(guò)Rth設(shè)定的閥值，鎖定將立即啟動(dòng)。

2SD315AI 驅(qū)動(dòng)塊中每路都具有一個(gè)欠壓檢測(cè)電路，當(dāng)電源電壓降至10 V或11 V時(shí)，IGBT將執(zhí)行負(fù)壓關(guān)斷，并進(jìn)行故障報(bào)警。

與其他驅(qū)動(dòng)器相比，2SD315AI 具有以下幾個(gè)顯著的特點(diǎn)：

1)可靈活定義邏輯電平;

2)可自由選擇工作模式;

3)具有短路和過(guò)流保護(hù)功能;

4)具有欠壓監(jiān)測(cè)功能;

5)可動(dòng)態(tài)設(shè)定短路保護(hù)閾值。

3 2SD315AI在實(shí)際中的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用實(shí)例

筆者所在團(tuán)隊(duì)一同設(shè)計(jì)研發(fā)了一臺(tái)300 kV·A工礦車牽引逆變器，并成功地在上海地鐵現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

其主要技術(shù)參數(shù)：

輸入額定電壓DC 550 V(350~660 V);

輸入電壓紋波(峰- 谷值) 15%，(瞬態(tài)電壓允

許700 V，持續(xù)時(shí)間2 s，1 200 V持續(xù)時(shí)間200μs);

輸出容量300 kV·A;

輸出額定電壓AC 0~400 V。

圖3為功率單元的逆變電路圖。

逆變器的主開關(guān)器件選用的是EUPEC 公司的IGBT 模塊FS450R12KE3。該模塊內(nèi)部集成6 個(gè)IGBT，通過(guò)三三并聯(lián)，構(gòu)成上下橋臂，使得電流等級(jí)達(dá)到1 350 A。根據(jù)FS450R12KE3 對(duì)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的要求以及2SD315AI驅(qū)動(dòng)模塊的性能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路如圖4所示。

該電路由INPUTA(INA)和INPUTB(INB)輸入保護(hù)、互鎖，電源保護(hù)、上電復(fù)位、IGBT 的接口電路幾部分組成，該電路工作于直接模式。

輸入保護(hù)驅(qū)動(dòng)板通過(guò)光纖與控制電路相連，因此，應(yīng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的輸入INPUTA和INPUTB給予適當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)，以便在掉電或輸入信號(hào)呈高阻時(shí)，輸入端能夠通過(guò)電阻RX接地。電容CX的作用是抑制輸入端出現(xiàn)的短脈沖或有害的尖峰脈沖。

上電復(fù)位由于上電后的錯(cuò)誤信息總是保存在驅(qū)動(dòng)模塊的錯(cuò)誤寄存器中，因此在驅(qū)動(dòng)電路與控制電路分離的情況下，可通過(guò)圖4連接于VL/Reset的上電復(fù)位電路進(jìn)行復(fù)位。該電路同時(shí)還有欠壓保護(hù)功能。VDD>12.7 V時(shí)，Z1反向擊穿，Q4導(dǎo)通，Q5截止，VL為高電平，驅(qū)動(dòng)器開通;而當(dāng)VDD12 V時(shí)，Q4截止，Q5導(dǎo)通，VL為低電平，驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷。另外，該復(fù)位電路還可保證在開啟電源后的較短時(shí)間內(nèi)使加在所有IGBT器件控制端上的電壓均為低電壓，以保證所有IGBT器件均處于關(guān)斷狀態(tài)。

與IGBT接口當(dāng)開通時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流經(jīng)Rg2和二極管Dg流向IGBT，即開通電阻Ron=Rg2;關(guān)閉時(shí)，由于二極管Dg的單向?qū)щ娦?，門極經(jīng)Rg1和Rg2放電即關(guān)斷電阻Roff=Rg1+Rg2。這樣就可以對(duì)開通的di/dt、dv/dt和關(guān)斷的dv/dt分別進(jìn)行控制，從而改善了開關(guān)過(guò)程，減少了開關(guān)損耗。

3.2 設(shè)計(jì)中需要特別注意的問(wèn)題

在任何時(shí)候都不能把過(guò)流檢測(cè)管腳C 直接接到IGBT的集電極，而須通過(guò)二極管連接。其承受的反向峰值電壓應(yīng)超過(guò)逆變器直流側(cè)電壓的60%，以防止高壓串入驅(qū)動(dòng)電路。

在管腳Visox 和Lsx 之間須串接一個(gè)電阻和發(fā)光二極管以指示通道X 的工作狀態(tài)，在正常情況下，發(fā)光二極管發(fā)光，而在發(fā)生短路和欠壓故障時(shí)，發(fā)光二極管熄滅。但由于制作工藝上的原因，管腳Lsx對(duì)干擾極為敏感，因此，在設(shè)計(jì)中若要指示狀態(tài)，應(yīng)把發(fā)光二極管接在電路板上盡量靠近輸出端的地方，若不需狀態(tài)指示，則必須把管腳Lsx 和COMx 短接。千萬(wàn)不要通過(guò)很長(zhǎng)的引線將發(fā)光二極管引出，或者將Lsx 端懸空，否則會(huì)因電磁干擾的引入使整個(gè)電路不能正常工作。

電容悅X是根據(jù)高壓IGBT開通時(shí)的特殊性來(lái)實(shí)現(xiàn)開通時(shí)di/dt、dv/dt的分別控制。選取悅X時(shí)要反復(fù)調(diào)試，否則會(huì)使驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)產(chǎn)生振蕩。

3.3 門極驅(qū)動(dòng)電路的合理布線

對(duì)門極驅(qū)動(dòng)電路的合理布線對(duì)防止電路潛在的振蕩、減慢門極電壓的上升、減少噪聲損耗、降低門極電源電壓或減少門極保護(hù)電路的動(dòng)作次數(shù)有很大的影響。因此，門極電路布線的設(shè)計(jì)必須依從以下的原則：

1)布線必須將驅(qū)動(dòng)器的輸出級(jí)和IGBT之間的寄生電感減至最低，這相當(dāng)于把門極的連線和發(fā)射極的連線之間包圍的環(huán)路面積減至最低。

2)必須正確放置門極驅(qū)動(dòng)板，以防止功率電路和控制電路之間的電感耦合。

3)PCB板的條線之間不宜太過(guò)靠近，否則IGBT的開關(guān)會(huì)使其相互電位改變，因?yàn)檫^(guò)高的dv/dt 會(huì)通過(guò)寄生電容耦合噪聲。

4)安裝時(shí)，為縮短連線，應(yīng)把驅(qū)動(dòng)板直接用螺絲擰在IGBT模塊上。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采取對(duì)各種電路的保護(hù)措施以及較合理的工藝布局，2SD315AI 驅(qū)動(dòng)模塊在300 kV·A 逆變器的應(yīng)用比較成功，這同時(shí)也為2SD315AI-33中高壓驅(qū)動(dòng)模塊的應(yīng)用和以此做更大功率等級(jí)的逆變器積累了經(jīng)驗(yàn)。