利用2SD315AI设计的驱动大功率IGBT原理

引言

IGBT常用的驱动模块有TLP250，以及EXB841/840系列的驱动模块。但在燃料电池城市客车DC/DC变换器的研制过程中发现，由于车载DC/DC变换器常常工作在大功率或超大功率的状态中，而处在这种状态下的IGBT瞬时驱动电流大，要求可靠性要高，使得传统的驱动电路已经不能满足其使用要求，经过研究分析，选用瑞士CONCEPT公司生产的用于驱动和保护IGBT或功率MOSFET的专用集成驱动模块2SD315A作为大功率IGBT(800A/1200V)的驱动器件，该驱动器集成了智能驱动、自检、状态反馈、DC/DC电源及控制部分与功率部分完全隔离等功能于一体。经过车载90kW DC/DC变换器实际道路工况运行实验表明，效果良好。

 IGBT的驱动要求

IGBT的驱动要求与其静态和动态特性密切相关，即栅极的正偏压、负偏压和栅极电阻的大小，对IGBT的通态电压、开关时间、开关损耗、承受短路能力、开关管C、E极问电压的变换率等都有不同程度的影响。其开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向栅极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT关断。根据这样的特性，针对它的驱动电路应该满足：

·IGBT是电压型驱动，具有2.5～5V的阈值电压，有一个容性输入阻抗，因此，IGBT对栅极电荷非常敏感，需要有一条低阻抗值的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线要尽量短。

·用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压Vge有足够陡的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外，IGBT开通后，栅极驱动源应能够提供足够的功率使IGBT
处于饱和状态，否则IGBT容易遭到损坏。

·当驱动电平+Vge增大时，IGBT通态压降和开关损耗均下降，但负载短路时的Ic增
大，IGBT能承受短路电流的时间减小，对其安全不利。

·在关断过程中，为尽快抽取PNP管的存储电荷，须施加一负偏Vge，但它受IGBT的G、
E间最大反向耐压限制。

·IGBT的栅极驱动电路应简单实用，最好自身带有对IGBT的保护功能，有较强的抗干
扰能力。

·由于IGBT在电力电子设备中多用于高压场合，故驱动电路与控制电路在电位上应严
格隔离。
 

2SD315A驱动模块

2SD315A模块能够驱动1200A/1200V的IGBT，DC的开关频率高于100kHz，可通过±15A的门极电流，实现0-100％的占空比调节。此外，具有完善的对于电源、电流的状态监测从而实现对于模块以及功率开关管的保护；该驱动模块分为接口单元、电气隔离、驱动单元等几个部分，每个驱动通道都把控制回路和主功率回路进行了电气隔离，如图1所示。 [p]

驱动模块的驱动能力及保护性能是人们较为关心的问题，以下是应用当中的几点体会：

·由于IGBT的栅极有很高的输入阻抗，因此在无栅极放电回路的情况下，其栅极易积累电荷，并且栅极氧化层很脆弱，仅能承受±20V的耐压，容易造成栅源极问的击穿，使IGBT损坏，在实际电路中采用了±15V的栅源偏压，从而提高了IGBT的短路耐量。

·为改善控制脉冲的前后沿陡度和防止振荡，减小IGBT集电极大的电压尖脉冲，根据该模块的使用手册合理选择栅极的串联电阻，既可获得良好的驱动脉冲，又控制了IGBT通断状态变化的过渡时间。

·用外接的电阻Rth来定义功率管导通时的管压降，当大于定义的最大管压降时，监测电路便输出故障报警信号，并关断功率管，从而保护了IGBT。

·当给驱动模块供电的电源电压过低时，则会影响驱动电路的可靠性，监控电路便向模块
内部发送故障信号，使整个模块处于封锁状态，保护了系统的安全。这里，模块的工作状态是由模块上的两路SO输出引脚的电平所表示，并经过逻辑关系接入到保护电路中实现状态检测。
 

应用实例

该驱动模块有两种工作方式：直接方式和半桥方式。当驱动器工作在直接方式时，驱动器的驱动通道之间没有联系，两个通道总是同时被驱动。而在半桥方式下，MOD输入端接GND，InA输入PWM信号，InB输入使能信号(高电平有效，低电平将所有通道封锁)。由于两个状态输出端SO1和SO2接在一起，所以两个驱动通道输出同一故障信号。死区时间是由模块上RC1和RC2的外接电路来确定，使驱动的两路输出信号不会同时为高电平。

利用2SD315A驱动高功率密度IGBT需要注意以下几点：

·工作模式MOD的设置和参考电阻Rth的选择是正确使用该驱动模块的前提，需要注意
在半桥工作模式下死区时间的设置以及Rth大小与功率开关管型号的匹配关系。

·合适的栅极电阻Rg对与IGBT的驱动非常重要。Rg太大，会使IGBT通断状态变化的过渡过程时间延长，能耗增加；但Rg太小，会使di/dt增大，可能引起门极电压振荡，造成触
发误导通，严重时可能会损坏IGBT。通过以下公式确定Rg可选择的最小值：

[p]

其中△U为栅极正反向偏置电压之差；Ig(max)为驱动电路所能提供的最大电流。

·注意驱动模块与主功率开关管之间的布线。栅极驱动布线对防止潜在的振荡、减慢门极电压的上升、减少噪声损耗、降低门极电源电压或减少门极保护电路的动作次数有很大的影响。因此，应尽量减小驱动器的输出级和IGBT之间的距离，并用绞线传递驱动信号。

2SD315A驱动模块设定在直接模式下，引脚MOD直接接+15V电源；参考电阻选用47kΩ；栅极驱动电阻选用2Ω；得到该驱动模块应用电路如图2所示。

图中S1、S2表示EUPEC的两只800A/1200V IGBT，图3为试验中得到的主功率开关管的驱动波形。由波形的形状和幅度可以判断出，IGBT工作正常。

由图3可以看出，波形的上升、下降沿均较陡峭，从IGBT关断到开通不到1个微秒，极大的减小了开关损耗；该模块能向IGBT提供合适的正向栅源电压，并可靠关断；这些对IGBT的正常工作均提供了重要的保证。此外，在实验中发现，为了得到更平直的正负向波形，可在模块的COMx和Visox引脚两端并联适当电容进行调整。
 

燃料电池城市客车行驶在诸如启动、变速、刹车等多种路况下时，其车用大功率DC/DC内的IGBT(800A/1200V)常常处在300～400V高压，或在极短时间内(≤200ms)承受近300A大电流的场合下，功率输出达几十千瓦到上百千瓦不等，与之配合使用的2SD315A隔离式驱动模块，在实际的城市道路工况进行运行试验中，完全满足了不同路况下对于功率需求的驱动要求，已经安全无故障行驶总里程超过四万公里，是一款性能优良的大功率驱动模块。