李祥來(lái)，顏漸德，謝衛(wèi)才

(湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411104)

0 引言

絕緣柵雙極型晶體管 ( Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT) 作為現(xiàn)代電力電子技術(shù)發(fā)展的重要成果，廣泛應(yīng)用于工業(yè)傳動(dòng)、新能源發(fā)電、新能源汽車、軌道牽引等領(lǐng)域.為了保證其在設(shè)備中安全、可靠、高效地工作,其驅(qū)動(dòng)電路的研究就顯得尤為重要.驅(qū)動(dòng)電路影響著IGBT的通態(tài)壓降、開(kāi)關(guān)損耗、承受電路電流電壓時(shí)間參數(shù)，決定著IGBT工作運(yùn)行中的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)運(yùn)特性以及系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性.需在系統(tǒng)運(yùn)行中提供一定的死區(qū)時(shí)間，并在故障狀態(tài)下可靠地關(guān)閉系統(tǒng)[1-2].而在實(shí)際應(yīng)用運(yùn)行中又要求驅(qū)動(dòng)電路盡可能簡(jiǎn)單，因此IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵.

針對(duì) IGBT 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要求，本文設(shè)計(jì)了基于英飛凌 2ED020I12-FA 驅(qū)動(dòng)芯片的IGBT驅(qū)動(dòng)電路.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該驅(qū)動(dòng)模塊具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、工作可靠等特點(diǎn).

1 IGBT驅(qū)動(dòng)技術(shù)的類型與要求

驅(qū)動(dòng)電路的好壞直接決定了IGBT 模塊能否正常可靠工作，除了隔離傳輸和功率放大作用外，還具備如下功能：減小二極管反向恢復(fù)電流尖峰、降低關(guān)斷過(guò)壓、減小 IGBT 開(kāi)關(guān)損耗、抑制功率回路中的電磁干擾(EMI)，以及在故障情況下確保其運(yùn)行在安全工作區(qū).從控制策略角度出發(fā)，現(xiàn)階段驅(qū)動(dòng)電路可以分為被動(dòng)式和主動(dòng)式[3-4]，而主動(dòng)式又包含開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種控制方式，圖1詳細(xì)列出了IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電路控制技術(shù)分類.

圖1 IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電路控制技術(shù)分類

為了實(shí)現(xiàn)更好的驅(qū)動(dòng)功能,對(duì)驅(qū)動(dòng)電路一般有以下幾個(gè)要求[5-6]:

①提供有效的驅(qū)動(dòng)電壓；②保證合適的開(kāi)關(guān)頻率;③具有較強(qiáng)的抗干擾能力；④完善的保護(hù)功能；⑤功率回路與控制回路的隔離能力；⑥一定的電流驅(qū)動(dòng)能力.

2 2ED020I12-FA隔離芯片的工作原理

2ED020I12-FA采用無(wú)芯變壓器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)控制回路與功率回路的隔離，它是一種雙通道高壓、高速電壓型功率器件柵極驅(qū)動(dòng)器，具有電壓監(jiān)測(cè)、欠壓鎖定、軟關(guān)斷、控制信號(hào)高低壓差分輸入、軌對(duì)軌輸出、功率器件短路檢測(cè)關(guān)斷及米勒有源鉗位等功能.

2.1 輸入與輸出

2ED020I12-FA有兩種輸入模式，一種為正向輸入，此時(shí)需要將 IN-腳接低電平；另一種為反向輸入，這時(shí)需要將 IN + 腳接高電平.在信號(hào)電平輸入方面，內(nèi)部設(shè)有最小脈沖寬度限制，由此便會(huì)消除一定量的高頻脈沖干擾.2ED020I12-FA以推挽方式輸出，內(nèi)部 MOSFET管壓降較低，有效降低了最大電流輸出時(shí)的功率損耗，提高了器件實(shí)際運(yùn)行的可靠性.

2ED020I12-FA初級(jí)具有互鎖功能，可避免由微控制器產(chǎn)生錯(cuò)誤的輸入信號(hào)或EMI同時(shí)開(kāi)關(guān)半橋的高邊和低邊造成短路.

2.2 欠壓鎖定( UVLO)功能

為確保IGBT可靠地開(kāi)通與關(guān)斷，2ED020I12-FA對(duì)供電電壓進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)供電電源VCC1或VCC2的電壓低于內(nèi)部門限電壓VUVL值時(shí)，芯片2ED020I12-FA會(huì)發(fā)出關(guān)斷信號(hào)，直接關(guān)斷IGBT，這時(shí)芯片對(duì)輸入信號(hào)處于無(wú)響應(yīng)狀態(tài)，供電電源恢復(fù)正常后，芯片也接入正常工作狀態(tài).判斷信號(hào)傳輸是否正常，可通過(guò)芯片READY引腳的狀態(tài)指示來(lái)確定.

2.3 過(guò)流保護(hù)與米勒鉗位

IGBT的CE間電流大小與CE間電壓近似成正比.根據(jù)其這一特性，2ED020I12-FA通過(guò)檢測(cè)DESAT引腳CE間的電壓進(jìn)行IGBT短路或過(guò)流的判定，當(dāng)DESAT引腳電壓>9 V時(shí)，可通過(guò)芯片內(nèi)部比較器輸出低電平關(guān)閉驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出，從而確保 IGBT不會(huì)因短路過(guò)熱而燒壞.為不引起系統(tǒng)誤保護(hù)，芯片還設(shè)計(jì)了時(shí)間消隱電路，此功能利用器件內(nèi)部高精度恒流源與外部電容共同實(shí)現(xiàn)[1].

IGBT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了在其CG與GE間存在寄生電容，若在半橋結(jié)構(gòu)中打開(kāi)下橋IGBT時(shí)會(huì)引起上橋IGBT的CE間電壓變化，該電壓變化也會(huì)使GE間的寄生電容充電，當(dāng)CGE上感生的電壓大于IGBT的柵極開(kāi)通電壓時(shí)便會(huì)導(dǎo)致上橋IGBT導(dǎo)通，從而形成上下橋臂直通的惡劣情形.該芯片為了有效消除這一現(xiàn)象 — 米勒效應(yīng)，內(nèi)部設(shè)計(jì)了保護(hù)電路，CLAMP引腳實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上橋IGBT柵極電壓UGE，當(dāng)GE間電壓>2 V時(shí)芯片會(huì)自動(dòng)打開(kāi)內(nèi)部晶體管，迅速釋放CGE上的電荷，有效消除隱患.

3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

3.1 DC/DC電源電路

IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電壓一般要求在±20 V以內(nèi)，超過(guò)這個(gè)范圍，柵-射極間的二氧化硅氧化膜結(jié)構(gòu)就有可能發(fā)生絕緣破壞進(jìn)而造成可靠性下降.所以IGBT開(kāi)通的驅(qū)動(dòng)電壓一般設(shè)計(jì)在12～20 V，本設(shè)計(jì)為15 V.同理，為了更加可靠的關(guān)斷IGBT，通常設(shè)計(jì)負(fù)壓關(guān)斷，根據(jù)IGBT廠家的指導(dǎo)意見(jiàn)，負(fù)壓范圍一般取-5 V至-10 V，本設(shè)計(jì)取-8 V.

驅(qū)動(dòng)電源模塊根據(jù)輸出側(cè)的結(jié)構(gòu)，一般有兩種方案，開(kāi)環(huán)設(shè)計(jì)與閉環(huán)設(shè)計(jì)，所謂開(kāi)環(huán)設(shè)計(jì)，輸出側(cè)的電壓不是恒壓的，電壓隨著驅(qū)動(dòng)輸出功率的大小變化而變化.閉環(huán)設(shè)計(jì)是恒壓輸出，在額定功率輸出內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電壓輸出.雖然閉環(huán)設(shè)計(jì)比開(kāi)環(huán)設(shè)計(jì)電路更加復(fù)雜，但驅(qū)動(dòng)的可靠性和穩(wěn)定性都好于開(kāi)環(huán)方案.本設(shè)計(jì)采用的輸出閉環(huán)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)二次側(cè)+15 V和-8 V的恒定.

下圖2為基于QA151模塊設(shè)計(jì)的隔離型驅(qū)動(dòng)電源，一次側(cè)輸入為DC15 V，二次側(cè)輸出為+15 V和-8 V.

圖2 DC/DC電源模塊

3.2 驅(qū)動(dòng)信號(hào)電路

基于2ED020I12-FA的IGBT驅(qū)動(dòng)電路，如圖3所示，這是一個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)電路.PWM信號(hào)輸入為IN1、IN2，故障信號(hào)輸出為FLT.在IGBT正常工作時(shí)，F(xiàn)LT信號(hào)輸出為高電平，反之為低.驅(qū)動(dòng)電路的狀態(tài)指示燈為L(zhǎng)ED1、LED2，驅(qū)動(dòng)模塊正常工作時(shí)，指示燈亮，反之不亮.

以上橋臂驅(qū)動(dòng)電路為例進(jìn)行分析.上橋驅(qū)動(dòng)的輸入信號(hào)為IN1，信號(hào)首先經(jīng)過(guò)鉗位二極管D7，保證信號(hào)的幅值符合模塊的輸入要求，再經(jīng)過(guò)R6、C14組成的RC濾波電路后，送入模塊2ED020I12-FA的信號(hào)輸入端INHS+, 同時(shí)INHS-端接信號(hào)的參考點(diǎn)GND,系統(tǒng)就形成了同相輸入模式.PWM信號(hào)經(jīng)模塊隔離放大后，從OUTHS端輸出，驅(qū)動(dòng)能力為2 A，該驅(qū)動(dòng)功率能直接驅(qū)動(dòng)150 A以下的IGBT.為了提高驅(qū)動(dòng)功率，在外部加了一級(jí)由Q1、Q2組成的推挽放大大路，經(jīng)過(guò)功率放大后，峰值輸出電流高達(dá)8 A.可以正常驅(qū)動(dòng)600 A/1200 V及以下IGBT.

圖3 基于2ED020I12-FA的半橋IGBT驅(qū)動(dòng)電路

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為驗(yàn)證本文所述IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的正確性，將其做成實(shí)物，在英飛凌IGBT模塊FF450R12ME4上進(jìn)行各項(xiàng)功能測(cè)試，主要包括PWM信號(hào)波的處理、驅(qū)動(dòng)電流放大、故障封鎖和故障反饋等.測(cè)試實(shí)物如圖4所示，實(shí)物器件參數(shù)與電路中所標(biāo)信息一致.

圖4 驅(qū)動(dòng)電路實(shí)物圖

如圖5、圖6所示為IGBT驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)際運(yùn)行波形圖，運(yùn)行結(jié)果表明，該模塊性能良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo).具體表現(xiàn)為柵極驅(qū)動(dòng)輸出開(kāi)通電壓為15 V，關(guān)斷電壓為-7 V，輸出電壓上升有一個(gè)較為明顯的緩沖平臺(tái)，能有效抑制一次回路的過(guò)沖現(xiàn)象.

圖5 PWM輸入輸出波形(10 kHz)

圖6 PWM輸入輸出波形(15 kHz)

5 總結(jié)

本文基于英飛凌公司2ED020I12-FA芯片設(shè)計(jì)了完整的半橋IGBT驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其中包括驅(qū)動(dòng)主電路、DC/DC電源電路、二級(jí)功率放大電路、過(guò)流保護(hù)電路等.經(jīng)過(guò)在礦用機(jī)車感應(yīng)電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用驗(yàn)證，該驅(qū)動(dòng)模塊具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn).