高压IGBT模块2SD315AI-33的应用研究

介绍了一种新型高性能高压IGBT集成驱动模块2SD315AI-33的管脚功能和工作原理,同时还给出了该模块与同类产品相比的显著性能特点,介绍了2SD315AI-33在“双逆变器-电机”能量互馈式交流传动试验系统中的应用方法,讨论了在实际应用中的注意事项｡

2SD315AI-33是瑞士CONCEPT公司专为3300V高压IGBT的可靠工作和安全运行而设计的驱动模块,它以专用芯片组为基础,外加必需的其它元件组成｡该模块采用脉冲变压器隔离方式,能同时驱动两个IGBT 模块,可提供%26;#177;15V的驱动电压和%26;#177;15A的峰值电流,具有准确可靠的驱动功能与灵活可调的过流保护功能,同时可对电源电压进行欠压检测,工作频率可达兆赫兹以上;电气隔离可达到6000VAC｡

1 2SD315AI-33简介  

1.1 外形及管脚功能  

图1所示为2SD315AI-33的外形图,该芯片共有44个管脚｡具体功能如下:  



1,2脚(VDD):信号电源;
3脚(SO1):通道1状态输出;  
4脚(VL/Reset): 定义逻辑电平/错误信号复位;  
5脚(RC1):通道1死区RC网络;  
6脚(InB):PWM2/ENABLE;  
7脚(RC2):通道2死区RC网络;  
8脚(MOD):模式选择;  
9脚(SO2):通道2状态输出;  
10脚(InA):PWM1/PWM;  
11,12脚(GND):15V电源地;  
13~17脚(VDC):DC/DC驱动电源;  
18~22脚(GND):DC/DC驱动电源地;  
23脚(Ls2):通道2的状态显示端;  
24脚(C2):通道2的集电极检测端;  
25脚(Rth2): 通道2的阈值电阻端;  
26,27脚(E2):通道2的发射极;  
28脚(Viso2): 通道2的DC/DC输出侧电源;  
29,30脚(COM2):通道2的DC/DC输出侧地;  
31,32脚(G2):通道2的栅极;  
33,34脚(NC):未用;  
35脚(Ls1):通道1的状态显示端;  
36脚(C1):通道1的集电极检测端;  
37脚(Rth1):通道1的阈值电阻端;  
38,39脚(E1):通道1的发射极;  
40脚(Viso1):通道1的DC/DC输出侧电源;  
41,42脚(COM1):通道1的DC/DC输出侧地;  
43,44脚(G1):通道1的栅极｡  
1.2 主要参数  
2SD315AI-33的极限参数如下   
●供电电压VDD和VDC:16V;  
●逻辑信号输入电平:VDD;  
●门极峰值电流Iout:%26;#177;18A;  
●内部开关电源输出功率:6W;  
●输入输出隔离电压:6000VAC 50Hz/min ;  
●工作温度:-40~85℃;  
下面是2SD315AI-33的主要电参数  
●输入输出延迟开通时间tpd on :300ns;  
●关断时间tpd(off):350ns;  
●短路或欠压保护阻断时间:1s;  
●输出上升时间tr(out):160ns;  
●输出下降时间tf(out):130ns;  
●最大电压上升率:100kV/μs｡



2 工作原理及性能特点  

2.1 工作原理  

图2为2SD315AI-33的功能框图｡它主要由DC/DC转换电路､输入处理电路､驱动输出及逻辑保护电路组成｡  

DC/DC转换电路的功能是将输入部分与工作部分进行隔离｡而其输入处理电路由LDI001及其外围电路组成｡由于控制电路产生的PWM信号不能直接通过脉冲变压器,尤其是当脉冲信号的频率和占空比变化较大时,尤为困难｡LDI001就是专门为此而设计的,此专用集成芯片的功能主要是对输入的PWM信号进行编码,以使之可通过脉冲变压器进行传输｡由于该器件内部带有施密特触发器,因此对输入端信号无特殊的边沿陡度要求,并能提供准静态的状态信号反馈｡将其设计为集电极开路方式,可以适应任何电平逻辑,并可直接产生死区时间｡以上优点使得接口既易用又灵活,从而省去了其它专用电路所必需的许多外围器件｡  

驱动输出及逻辑保护电路的核心芯片是IGD001｡它将变压器接口､过流短路保护､阻断逻辑生成､反馈状态记录､供电监视和输出阶段识别等功能都已集成在一起｡每个IGD用于一个通道,其具体功能是对脉冲变压器传来的PWM信号进行解码,对PWM信号进行功率放大,对IGBT的短路､过流及电源的欠压检测保护,并向LDI反馈状态,以产生短路保护的响应时间和阻断时间等｡  

2.2 性能特点  

2SD315AI-33与其它驱动器相比具有以下几个显著的特点:  

(1)可灵活定义逻辑电平;  
(2)可自由选择工作模式;  
(3)具有短路和过流保护功能;  
(4)具有欠压监测功能;  
(5)可动态设定短路保护阈值

3 2SD315AI-33在实际中的应用  

3.1 应用实例  

笔者所在实验室中正在设计的“双逆变器-电机”能量互馈式交流传动试验系统由于采用专为电力机车所设计的300kW异步电机,故逆变器和变流器的主开关器件选用的是EUPEC公司的高压IGBT 模块FZ1200R33KF1｡该器件的电压等级为3300V,电流等级为1200A｡根据FZ1200R33KF1对驱动保护电路的要求以及2SD315AI-33驱动模块的性能特点,笔者设计了IGBT的驱动保护电路,具体如图3所示｡  

该电路由输入保护､电源保护､上电复位､死区时间设定及与IGBT的接口电路几部分组成,该电路工作于半桥模式｡以下分别予以介绍:  

输入保护:通常驱动板通过引线与控制电路相连,因此,应对驱动电路的输入InputA和InputB给予适当地保护,以便在掉电或输入信号呈高阻时,输入端能够通过电阻Rx1接地｡电容Cx1的作用是抑制输入端出现的短脉冲或有害的尖峰脉冲｡该电路会产生大约1μs的信号延迟｡  
电源保护:在一定的情况下,如果驱动器外部发生短路(如IGBT毁坏或短路),则驱动模块内部的DC/DC变换器可能会导致电源线短路｡故设计时在VDD端增加了一个熔断器,以保证在出现故障时电路板不致毁坏｡图中的16V稳压管Z2用于过压保护｡  
上电复位:由于上电后的错误信息总是保存在驱动模块的错误寄存器中,因此在驱动电路与控制电路分离的情况下,可通过图3连接于VL/Reset的上电复位电路进行复位｡该电路同时还有欠压保护功能｡VDD>12.7V时,Z1反向击穿,Q1导通,Q2截止,VL为高电平,驱动器开通;而当VDD<12V时,Q1截止,Q2导通,VL为低电平,驱动器关断｡另外,该复位电路还可保证在开启电源后的一个较短时间内使加于所有IGBT器件控制端上的电压均为低,以保证所有IGBT器件均处于关断状态｡  
与IGBT接口:当开通时,驱动电流经RG1和二极管DG流向IGBT,即开通电阻Ron=RG1 关闭时,由于二极管DG的单向导电性, 门极经RG1和RG2放电即关断电阻Roff=RG1+RG2｡这样就使得开通的di/dt､dV/dt和关断的dV/dt可以分别控制,从而改善了开关过程,减少了开关损耗｡  

3.2 设计中需要特别注意的问题  

在任何时候都不能使过流检测管脚CX直接接到IGBT的集电极,而需通过二极管连接｡其反向承受的峰值电压应超过逆变器直流侧电压的60%,以防止高压串入驱动电路｡  

在管脚Visox和Lsx之间需串接一个电阻和发光二极管以指示通道X的工作状态,在正常情况下,发光二极管发光,而在发生短路和欠压故障时,发光二极管熄灭｡但由于制作工艺上的原因,管脚Lsx对于干扰极为敏感,因此,在设计中若要指示状态,应把发光二极管接在电路板上尽量靠近输出端的地方,若不需状态指示,则必须把管脚Lsx和COMx短接｡千万不要通过很长的引线将发光二极管引出,或者将Lsx端悬空,否则会因电磁干扰的引入使整个电路不能正常工作｡  

电容CGEX 是根据高压IGBT开通时的特殊性来实现开通时di/dt､dV/dt的分别控制｡选取时要反复调试,否则会使驱动输出信号发生振荡｡  

3.3 门极驱动布线  

门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,门极布线的设计必须依从以下的原则:  

(1) 布线必须将驱动器的输出级和IGBT之间的寄生电感减至最低,这相当于把门极的连线和发射极的连线之间包围的环路面积减至最低｡  
(2) 必须正确放置门极驱动板,以防止功率电路和控制电路之间的电感耦合｡  
(3) PCB板的条线之间不宜太过靠近,否则IGBT的开关会使其相互电位改变,因为过高的dV/dt会通过寄生电容耦合噪声｡  
(4) 安装时,为缩短连线,应把驱动板直接用螺丝拧在IGBT模块上｡

图3 3300V/1200A IGBT的驱动电路

4 结论  

通过以上介绍可知,高压IGBT驱动模块2SD315A-33具有以下优点:  

(1)只需简单调整MOD脚,就可使该电路在半桥模式和直接模式下运行｡  
(2)该驱动模块的接口非常简单,能处理所有从5V~15V电平的逻辑信号｡由于输入口内部有施密特触发器,它对输入端信号无特殊的边沿陡度要求,而且状态反馈输出端设计为集电极开路,因此,该电路可以适应任何电平逻辑｡  
(3)由于采用双极性的驱动电压(15V),使得任何厂家的各种级别的IGBT模块都可安全运行;负偏置的使用使得电路的抗干扰能力大大增强,这样就很容易实现IGBT模块的并联｡  
(4)内部电压隔离使得即使是多个驱动模块,也可以共用一个驱动电源,这不但省去了人力和资金,而且电磁干扰程度也大大降低｡  
(5)过流保护能准确无误的动作,且简单易调｡同时具有欠压保护功能,并采取与过流保护同样的措施｡  
(6)用变压器作隔离输出级使得该驱动模块可用在控制回路与电力回路电位相差较大或电位变化较大的装置中,同时脉冲变压器的双向工作,既可传输驱动信号,也可传输反馈信号｡