隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,，具有高耐壓,、大電流、開關(guān)速度高和低飽和壓降等諸多優(yōu)點(diǎn)的IGBT在機(jī)車牽引,、有源濾波,、新能源等電力電子領(lǐng)域有了更為廣泛的應(yīng)用^[1]。而IGBT的驅(qū)動與保護(hù)是由IGBT驅(qū)動器來完成的,，高性能的驅(qū)動器可以讓IGBT工作在較為理想的開關(guān)狀態(tài),，減小開關(guān)損耗。應(yīng)用在大功率或者環(huán)境復(fù)雜多變場合下的IGBT,，鑒于其特殊性,，對于IGBT驅(qū)動器的要求就更為嚴(yán)格，如需具備瞬間驅(qū)動電流大,、可靠性要求高,、有完備的保護(hù)、集成度高等特點(diǎn)^[2],。本文介紹了瑞士CONCEPT公司的2SC0535驅(qū)動器,，并采用其作為核心部件,，設(shè)計(jì)了前級驅(qū)動電路、后級功率驅(qū)動電路,、故障信號指示電路,。最終用雙脈沖平臺和3 300 V/1 200 A IGBT進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證明,，該驅(qū)動器具有良好的驅(qū)動與保護(hù)功能^[3],。

1 2SC0535簡介

    2SC0535裝備了CONCEPT公司最新的SCALE-2芯片組^[4]。SCALE-2芯片組是一套專用集成電路（ASIC）,，包含智能門級驅(qū)動所需的大部分功能,。該模塊采用變壓器隔離方式，可以同時(shí)驅(qū)動兩個(gè)IGBT模塊,，提供+15 V,、-10 V門級驅(qū)動電壓和±35 A的驅(qū)動電流,。圖1為2SC0535的功能框圖,，它主要由DC/DC轉(zhuǎn)換電路、輸入處理電路,、驅(qū)動輸出及邏輯保護(hù)電路組成^[5],。

    DC/DC轉(zhuǎn)換電路將輸入部分與工作部分進(jìn)行隔離。輸入處理部分由LDI及其外圍電路組成,。由于控制電路產(chǎn)生的PWM信號不能直接通過脈沖變壓器,，特別是當(dāng)其占空比變化較大時(shí)，最為困難,。而LDI主要是對于輸入的PWM信號進(jìn)行編碼,，便于PWM信號通過脈沖變壓器進(jìn)行傳遞。驅(qū)動輸出及其邏輯保護(hù)電路的核心芯片是IGD,。它集合了變壓器接口,、阻斷邏輯生產(chǎn)、狀態(tài)反饋,、過流短路保護(hù),、欠壓檢測和輸出階段識別等功能于一身。每一個(gè)IGD用于一個(gè)通道,，主要功能是對變壓器傳來的信號進(jìn)行解碼,，并對PWM信號進(jìn)行功率放大，對IGBT過流,、短路及副邊電源欠壓檢測保護(hù),，向LDI反饋副邊狀態(tài)，以產(chǎn)生短路保護(hù)的響應(yīng)時(shí)間和阻斷時(shí)間等,。

2 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

2.1 前級驅(qū)動電路

    由于驅(qū)動器放置在IGBT模塊上,，控制器與驅(qū)動板之間的邏輯信號走線相對較長,，為了提高信號的抗干擾能力，在驅(qū)動信號送入模塊前,，用光耦進(jìn)行了隔離,，設(shè)計(jì)的前級驅(qū)動電路如圖2所示。當(dāng)有信號輸入時(shí),，信號經(jīng)過光耦隔離,、波形整形、鎖死/去鎖死,，最終送入2SC0535模塊,。

2.2 信號鎖存指示

    故障輸出端SO1、SO2為集電極開路電路,，外部需要接上拉電阻,。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，相應(yīng)通道的SOx輸出低電平,；否則,，輸出高電平。如果電源欠壓,，電源欠壓檢測電路也會輸出低電平,。如圖3所示，當(dāng)有錯誤發(fā)生時(shí),，U10A管腳被拉低,，U10C、U10D輸出由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，D觸發(fā)器U9在此刻的下降沿將錯誤信號鎖存住,，相應(yīng)的錯誤指示燈亮。此時(shí)由于U10A與U10B的配合,，即使錯誤消失,，錯誤信號一直被鎖住不變，直到手動按鍵S1才能恢復(fù),。利用撥碼開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)信號的鎖死與去鎖死功能,。如果將LOCK端與Key1端接在一起，則只要有錯誤發(fā)生時(shí),，LOCK端的持續(xù)低電平會將兩路輸入信號全部封鎖,，確保了IGBT的安全運(yùn)行。如果將unLOCK與Key1連接,，則輸入信號不會受到另一路錯誤信號的封鎖,，而是被全部送到模塊內(nèi)部，由模塊判斷并封鎖對應(yīng)的輸入信號。

2.3 死區(qū)時(shí)間和工作模式

    2SC0535提供兩種工作模式可供選擇,，即直接模式和半橋模式,。對于直接模式，將MOD輸入端連接到GND就可以了,。在這種模式下,，兩個(gè)通道互不影響。在半橋拓?fù)渲?，只有?dāng)控制電路產(chǎn)生了足夠的死區(qū)時(shí)間,，可以使每個(gè)IGBT都安全工作時(shí)，才能選擇此模式,，因?yàn)閮蓚€(gè)IGBT同時(shí)導(dǎo)通或者重疊導(dǎo)通會導(dǎo)致直流母線短路,。當(dāng)MOD端通過一個(gè)71 kΩ～181 kΩ電阻R_m接到GND后，則選擇了半橋模式,。參考圖4,，在此模式下，INA作為驅(qū)動信號的輸入端,，而INB則作為信號的使能端,。

    死區(qū)時(shí)間T_d可以通過電阻R_m來設(shè)定，見式（1）：

2.4 有源鉗位保護(hù)

    有源鉗位電路的目的是鉗位IGBT的集電極電位,，避免關(guān)斷過程中因V_ce過壓而損壞IGBT,。如果關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰太陡,，都會使IGBT受到威脅,。IGBT在正常情況關(guān)斷時(shí)會產(chǎn)生一定的電壓尖峰，但是數(shù)值不會太高,。但在變流器過載或者橋臂短路時(shí)關(guān)斷管子,，產(chǎn)生的電壓尖峰則非常高，此時(shí)IGBT非常容易損壞,。如圖5所示,，其工作原理是：當(dāng)集電極電位過高時(shí)，TVS被擊穿,，電流I_AAC流進(jìn)ASIC(專用集成電路)的ACC單元,。該電流大于40 mA時(shí)，下管MOSFET開始被線性關(guān)斷,；當(dāng)電流大于500 mA時(shí),，下管MOSFET完全關(guān)閉。此時(shí)門極處于開路狀態(tài),，I_z會向門極電容充電,，使門極電壓從米勒平臺回到+15 V，從而使關(guān)斷電流變緩慢，達(dá)到電壓鉗位的效果,。這個(gè)電路的特點(diǎn)是TVS的負(fù)載非常小,，TVS的工作點(diǎn)非常接近額定點(diǎn)，鉗位的準(zhǔn)確度及電路的有效性得到大大提高,。在3 300 V的IGBT中,，使用了串聯(lián)8個(gè)300 V的TVS，其中7個(gè)單向,，1個(gè)雙向,，獲得了良好的鉗位效果。

2.5 短路保護(hù)

    IGBT短路保護(hù)的基本工作原理如圖6所示,，電路由一個(gè)比較器和相應(yīng)的電路完成,。

    (1)比較器的反相輸入端，B點(diǎn)為參考電壓值,。具體電壓值為恒流源150 μA乘以R_thx,。

    (2)比較器的同相輸入端，對于A點(diǎn),，分兩種情況：

    ①如果IGBT正常導(dǎo)通,，則集電極為飽和電壓值，D_m反向截止,，C_a無充電回路,，A點(diǎn)電位穩(wěn)定。

    ②IGBT短路時(shí),，集電極電位升至母線電壓,，此時(shí)電流走向如圖6虛線所示，分為兩路,。由于R_Vce的限流作用,，15 V電源作為負(fù)載源，使得A點(diǎn)電位通過R_m給C_a充電而迅速提高,，最終等于15 V加上D_m和并減去R_m上的壓降,。SCALE-2這種保護(hù)方式比SCALE中的保護(hù)動作更快，也更可靠,。這時(shí)集電極電壓的高壓主要承受在R_Vce上,。

    2SC0535驅(qū)動器的每一個(gè)通道都配有V_ce檢測電路。驅(qū)動器將會可靠地進(jìn)行IGBT短路保護(hù),，但是不一定能進(jìn)行過流保護(hù),。過流保護(hù)的時(shí)間優(yōu)先級較低，可以通過外電路集中式保護(hù)在控制器中實(shí)現(xiàn),。

    在響應(yīng)時(shí)間內(nèi),，V_ce檢測電路不起作用,。響應(yīng)時(shí)間是指從功率半導(dǎo)體開通后直至驅(qū)動器開始檢測集電極電位所經(jīng)過的時(shí)間。如圖7所示,，每個(gè)通道的IGBT集電極-發(fā)射極電壓是獨(dú)立檢測的,。在導(dǎo)通狀態(tài)下經(jīng)過響應(yīng)時(shí)間后再檢測V_ce，以判斷短路或過流狀況,。如果在響應(yīng)時(shí)間結(jié)束時(shí),，測得V_ce超出動態(tài)閾值V_cethx，則驅(qū)動器判斷為短路或過流,。然后,，驅(qū)動器關(guān)閉相應(yīng)IGBT。故障信號立即傳送到相應(yīng)的SOx輸出端,。該IGBT一直保持關(guān)斷,，且SOx一直指示故障，直至阻斷時(shí)間T_b結(jié)束,。在響應(yīng)時(shí)間區(qū)間外,，當(dāng)V_ce超過閾值時(shí)，T_b開始計(jì)時(shí),。設(shè)置R_Vce的電阻值,，以使R_Vce流過0.6～1 mA的電流，但不能超過1 mA,。

2.6 門極鉗位保護(hù)

    IGBT短路時(shí)會進(jìn)入線性區(qū),，這就意味著在線性區(qū)內(nèi)，門極可以強(qiáng)烈地影響短路電流,。如果門極電壓高于15 V,，則短路電流會沖得很高，比Datasheet上給定的短路電流倍數(shù)要高很多,，這是很危險(xiǎn)的,。在IGBT短路時(shí)，集電極電流I_c急劇增大,，由于IGBT存在米勒效應(yīng)，導(dǎo)致門極電位會有上升的趨勢,。這種作用是來自集電極的,，并不是來自驅(qū)動電路。如果不對門極電位進(jìn)行鉗位,，短路電流可能會沖得很高,，IGBT也會超出短路安全工作(SCSOA),甚至產(chǎn)生閂鎖效應(yīng)，損壞IGBT,。為了保證IGBT短路時(shí),，短路電流不超過規(guī)定范圍，門極鉗位電路是十分必要的。圖8所示的是基于SCALE-2芯片組的IGBT驅(qū)動器門極鉗位電路,。當(dāng)IGBT發(fā)生短路時(shí),，二極管D1會將門極電位鉗位在15 V，不至于由于IGBT米勒效應(yīng)而使門極電位升高,，造成短路電流劇烈增加,，損壞IGBT。

3 實(shí)驗(yàn)波形

    測試平臺原理圖如圖9所示,。配合雙脈沖,，可以方便觀測IGBT在一個(gè)周期內(nèi)的波形。

    圖10的波形是一個(gè)完整的雙脈沖實(shí)驗(yàn)波形,，母線電壓為1 600 V,。

    圖11是IGBT第一次關(guān)段時(shí)候的波形，可以看出隨著門極電壓從+15 V下降到-10 V,，IGBT的V_ce電壓開始上升,，V_ce上升到1 600 V(峰值1 700 V，與主電路中雜散電感和電流下降速率相關(guān)),，IGBT電流從600 A下降到0,。

    圖12是IGBT第二次開通和關(guān)段的波形，當(dāng)門極電壓從-10 V上升到+15 V,，IGBT的V_ce電壓從1 600 V下降到V_cesat,，IGBT電流從0上升到1 000 A。其中清晰可見二極管反向恢復(fù)電流,。

    考慮到短路試驗(yàn)的危險(xiǎn)性,，將雙脈沖平臺上管IGBT用一個(gè)很粗的導(dǎo)線短接，而非粗短的銅排,，并用了一個(gè)寬度為11 μs的脈沖進(jìn)行實(shí)驗(yàn),。波形2為母線電壓V_ce，V_ce=1 800 V,。從圖13中可以看出,，由于短接導(dǎo)線的電感量相對于銅排的大一些，短路電流的上升速率并不是特別大,。從IGBT退飽和到電流被關(guān)斷時(shí)間約為5 μs,，關(guān)斷時(shí)刻短路電流最大值達(dá)到了5.85 kA，電壓尖峰達(dá)到2.65 kV,，有源鉗位動作顯著,。

    本文根據(jù)IGBT的特性設(shè)計(jì)了基于2SC0535的驅(qū)動保護(hù)電路。試驗(yàn)證明,，設(shè)計(jì)的驅(qū)動保護(hù)電路性能良好,，可在機(jī)車牽引方面得到廣泛的應(yīng)用,。

參考文獻(xiàn)

[1] 范立榮，張凱強(qiáng).一種適合中頻感應(yīng)加熱電源的IGBT驅(qū)動技術(shù)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,，2014,，33(8)：22-25.

[2] 周志敏，紀(jì)愛華.高效功率器件驅(qū)動與保護(hù)電路[M].北京：人民郵電出版社,，2009.

[3] 張爭龍,，張浩然.基于變壓器的功率器件驅(qū)動電路的研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2013,，32(2)：19-22.

[4] CONCEPT.2SC0535T description and application manual[EB/OL].(2012-03-08)[2014-06-03].http://igbt-driver.com/sites/default/files/product_document/application_manual/2SC0535T_Manual_0.pdf.

[5] 常文彬.牽引變流器IGBT驅(qū)動特性的研究[D].北京：北京交通大學(xué),，2012.