摘要：針對IGBT 驅(qū)動電路復雜且保護功能不盡完善的問題，設計了一個基于2SC0108T的即插即用型IGBT驅(qū)動器，以及相應的前級驅(qū)動電路、 后級功率驅(qū)動電路和故障報警電路。該驅(qū)動器具有直接模式和半橋模式、驅(qū)動信號硬件互鎖、硬件死區(qū)時間可調(diào)節(jié)、IGBT過流及短路保護、驅(qū)動電源過欠壓監(jiān)控和易于安裝的特點。結合英飛凌EconoDUAL3封裝IGBT模塊，完成了即插即用型IGBT驅(qū)動器的硬件設計及調(diào)試，有效減小了雙絞線傳輸方式寄生電容及寄生電感的影響。

　　IGBT具有耐壓高、電流大、開關速度高和低飽和壓降等優(yōu)良特點，在牽引電傳動、電能傳輸與變換、有源濾波等電力電子領域得到了廣泛的應用。

　　IGBT模塊的保護主要由IGBT驅(qū)動器來完成。驅(qū)動器是功率主電路與控制電路之間的接口，在充分發(fā)揮IGBT的性能、提高系統(tǒng)可靠性等方面發(fā)揮著重要作用。高性能的驅(qū)動器可使IGBT工作在比較理想的開關狀態(tài)，如開關延時小、開關損耗低等。本文提出的驅(qū)動器設計采用瑞士CONCEPT公司最新推出的2SC0108T模塊作為核心部件，設計了前級驅(qū)動電路、硬件死區(qū)電路、后級功率驅(qū)動電路、故障信號調(diào)理電路，試驗結果證明該驅(qū)動器具有良好的驅(qū)動及保護能力。

　　1 2SC0108T簡介

　　2SC0108T是一款高集成度低成本的超小型SCALE-2雙通道驅(qū)動器。接口兼容3.3 V～15 V邏輯電平信號，柵極驅(qū)動電壓為+15 V/-8 V，驅(qū)動電流為8 A，單通道輸出功率為1 W，可以驅(qū)動600 A/1 200 V或 450 A/1 700 V的常規(guī)IGBT模塊或并聯(lián)IGBT模塊，支持3級或多級拓撲。具有短路保護、過流保護和電源電壓監(jiān)控等功能。延遲時間為80 ns±4 ns，抖動時間為± 2ns。

　　為了使2SC0108T在主回路中的性能達到最優(yōu)，必須設計相應的外圍硬件電路，如驅(qū)動信號調(diào)理電路、IGBT功率驅(qū)動電路和故障信號調(diào)理電路，并集成到IGBT驅(qū)動器中。由于IGBT驅(qū)動信號頻率較高，容易對其他模擬信號和數(shù)字信號造成干擾，而且，驅(qū)動信號線寄生電容和寄生電感對驅(qū)動器的性能、可靠性有重要影響，因此，傳統(tǒng)的安裝模式為驅(qū)動器和IGBT模塊獨立安裝，通過雙絞線連接以減少寄生電容、寄生電感的影響。本文從減小信號線寄生電容、寄生電感和電磁干擾（EMI）方面考慮，設計了一個直接安裝于IGBT模塊上的即插即用型IGBT驅(qū)動器。

　　2SC0108T內(nèi)部結構圖如圖1所示，主要由三個功能模塊構成，即邏輯驅(qū)動轉(zhuǎn)化接口LDI（Logic-to-Driver Interface）、電氣隔離模塊和智能柵極驅(qū)動IGD（Intelligent Gate Driver）。

圖1 2SC0108T內(nèi)部結構圖

　　第一個功能模塊是由輔助電源和信號輸入兩部分組成。其中信號輸入部分主要將控制器的PWM信號進行整形放大，并根據(jù)需要進行控制，之后傳遞到信號變壓器，同時檢測從信號變壓器返回的故障信號，將故障信號處理后發(fā)送到故障輸出端；輔助電源的功能是將輸入的直流電壓經(jīng)過單端反激式變換電路，轉(zhuǎn)換成兩路隔離電源供給輸出驅(qū)動放大器使用。

　　第二個功能模塊是電氣隔離模塊，由兩個傳遞信號的脈沖變壓器和傳遞功率的電源變壓器組成。防止功率驅(qū)動電路中大電流、高電壓對一次側信號的干擾。

　　第三個功能模塊是驅(qū)動信號輸出模塊，IGD主要對信號變壓器的信號進行解調(diào)和放大，對IGBT的短路和過流進行檢測，并進行故障存儲和短路保護。

　　2 IGBT驅(qū)動器設計

　　本文設計的IGBT驅(qū)動器主要由2SC0108T模塊、前級驅(qū)動電路、后級功率驅(qū)動電路、故障信號調(diào)理電路構成，驅(qū)動器功能框圖如圖2所示。

圖2 驅(qū)動器功能框圖

　　由控制器產(chǎn)生的驅(qū)動信號A和B，經(jīng)過前級驅(qū)動電路調(diào)理后，分別送入2SC0108T驅(qū)動信號端INA和INB，INA和INB分別控制IGBT模塊的上橋臂和下橋臂。故障報警信號經(jīng)信號調(diào)理電路輸出。由于需要檢測IGBT的過流、短路、二次側電壓等故障狀態(tài)，以增強驅(qū)動信號的觸發(fā)能力并改善IGBT的開關特性，設計了后級功率驅(qū)動電路。

　　2.1 工作模式

　　該驅(qū)動器有兩種工作模式：直接模式和半橋模式。在直接模式下，兩個通道之間相互獨立，輸入信號INA 控制通道1，輸入信號INB控制通道2。在半橋模式下，輸入信號INA為驅(qū)動信號，輸入信號INB為使能信號。INB信號為低電平時， 封鎖輸出通道；INB 信號為高電平時， 使能輸出通道。通過模式選擇端（MOD）接地或?qū)Φ亟右粋€阻值在71K-182K之間的電阻來選擇工作模式。半橋模式下， 死區(qū)時間Td可以通過MOD的電阻Rm的值來確定，其計算公式如下：

　　式中Rm的值為73K-182K時，死區(qū)時間可以設置在0.5us-3.8us之間# 當Rm取150K時，IGBT柵極驅(qū)動信號死區(qū)時間經(jīng)測試為2.99us與理論計算值2.84us基本相符。

　　Rb為調(diào)節(jié)阻斷時間輸入端，Tb端可以用一個對地電阻Rb來設置阻斷時間，計算公式如下：

　　式中Rb的值為71K-181K時，阻斷時間可以設置在20ms-130ms之間，選擇Rb為0Ω， 死區(qū)時間最小可以設為9us。Tb端不應懸空，可在Tb端接一個參考電壓來設置阻斷時間，其計算公式如下：

　　式中， 參考電壓Ub在1.42v-3.62v范圍內(nèi)時，可以設置在20ms-130ms之間。

　　2.2 前級驅(qū)動電路

　　由于驅(qū)動器置于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。為了提高信號的驅(qū)動能力和抗干擾能力，設計了前級驅(qū)動電路，如圖3所示。

圖3 前級驅(qū)動電路

　　驅(qū)動信號先后經(jīng)過了電平轉(zhuǎn)換、電平箝位、死區(qū)/互鎖電路和波形整形最終送入2SC0108T模塊。因2SC0108T為高電平驅(qū)動方式，所以此功能電路設計成輸入信號相對輸出信號為反邏輯，即控制器驅(qū)動信號為低電平時，加在IGBT上的柵壓為正向柵壓來觸發(fā)IGBT導通；反之，IGBT關斷。當控制器上電復位或出現(xiàn)故障時，驅(qū)動信號為高電平，從而關斷IGBT，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。[!--empirenews.page--]

　　由Q101、Q102構成的電路網(wǎng)絡主要完成兩路信號的互鎖和死區(qū)時間的設定，兩路驅(qū)動信號的死區(qū)時間可以通過穩(wěn)壓管D108、D109的穩(wěn)壓值來調(diào)節(jié)，直接模式下（Rm=150 k），穩(wěn)壓管D108、D109的穩(wěn)壓值為3.3 V。硬件死區(qū)電路有效時，經(jīng)試驗測得死區(qū)時間為5.08 μs，死區(qū)時間可以滿足實際工程中的需要。表1為互鎖電路信號作用表。

　　由表1可知，2SC0108T工作在直接模式下，由于有互鎖電路，避免了IGBT上下直通的可能。

表1 互鎖電路信號作用表

　　2.3 故障信號調(diào)理電路

　　故障狀態(tài)輸出端SO1、SO2實時顯示IGBT模塊和供電電源的狀態(tài)，并通過故障報警信號調(diào)理電路上報控制器。

　　因故障狀態(tài)輸出端SO1、SO2為集電極開路門電路，外部需接上拉電阻。當故障（初級側欠壓、二次側欠壓、IGBT過流或短路）發(fā)生時，相應的SOx輸出低電平；否則，輸出高電平。如果電源電壓欠壓，封鎖驅(qū)動器并且兩個故障輸出端同時發(fā)出報警信號，直到電源電壓工作正常。當二次側發(fā)生故障（檢測到IGBT模塊短路或電源欠壓）時，相應的故障輸出端發(fā)出報警信號，在一個死區(qū)時間過后，相應的故障信號消失。所有故障狀態(tài)均通過故障信號調(diào)理電路上報控制器。因故障狀態(tài)輸出端SO1、SO2為集電極開路門電路，故將兩個故障輸出端直接短接實現(xiàn)“或非”邏輯，作為故障報警信號公共端。當上述任何一種故障發(fā)生時，均作為有效故障信號上報控制器，并做相應處理，這樣既可以簡化電路硬件設計又可以提高驅(qū)動器的可靠性。經(jīng)試驗測得驅(qū)動器的欠壓保護門限值為12.1 V，清除欠壓故障電壓門限值為12.8 V。

　　2.4 后級功率驅(qū)動電路

　　IGBT后級驅(qū)動電路為驅(qū)動信號輸出通道和IGBT模塊之間的電路接口。二次側欠壓、IGBT過流或短路故障狀態(tài)的檢測都是由后級功率驅(qū)動電路實現(xiàn)，如圖4所示。

圖4 后級功率驅(qū)動電路

　　VCE為IGBT集電極檢測端，為了檢測IGBT過流或短路，集電極檢測端須通過圖4所示的電路連接到IGBT的輔助集電極上。GH和GL分別為柵極開啟和關斷端，通過開啟、關斷柵極限流串并網(wǎng)絡連接到IGBT的柵極。柵極限流阻值對驅(qū)動信號的前后沿陡度和IGBT的開關特性有影響。當阻值增大時，可以抑制柵極脈沖前后沿陡度、防止寄生振蕩、減小開關dic/dt值、限制IGBT集電極尖峰電壓；當阻值減小時，可能會導致G、E之間發(fā)生振蕩以及IGBT集電極dic/dt值增加，引起IGBT集電極尖峰電壓，使IGBT損壞。該功能電路的作用是，若柵極限流電阻發(fā)生開路故障，此電阻網(wǎng)絡的阻值會增加，可以抑制驅(qū)動信號前后沿陡度、減小開關dic/dt值，可以保證即使柵極限流網(wǎng)絡發(fā)生開路故障時，還能夠觸發(fā)IGBT，從而提高柵極后級驅(qū)動電路的可靠性。

　　二極管D1、D2用于二次側欠壓保護。當柵極驅(qū)動信號電壓欠壓時，不能觸發(fā)IGBT導通，二極管因承受正向電壓而導通，集電極檢測端電壓升高到設定值時，封鎖相應的后級柵極驅(qū)動通道并通過故障輸出端發(fā)出報警信號。為了防止誤觸發(fā)，二極管漏電流必須小。因正常導通時柵極驅(qū)動電壓為+15 V，IGBT輔助集電極電壓相對較低，為防止二極管反向擊穿，其阻斷電壓應大于40 V。

　　當柵極處于失控狀態(tài)、主電路突加電壓時，由于集電極-柵極、柵極-發(fā)射極存在寄生電容，集電極電勢的突然變化，就會有大小為C·du/dt的電流流過寄生電容（C為寄生電容容值），使柵極電勢上升，誤觸發(fā)IGBT。為防止上述情況的發(fā)生，在GL和VE之間接一電阻Reg，為IGBT的柵極和發(fā)射極提供一個低阻抗回路，其阻值要求為22 kΩ或更大。

　　REF端內(nèi)部集成有可以提供150 μA的恒流源，參考電阻Rth的阻值通過如下公式進行計算：

　　式中Vth為關斷門限值電壓。

　　此驅(qū)動器關少數(shù)民族門限值電壓設置為2.85V，通過式（4）計算同參考電阻Rth的阻值為：

　　實際應用中，設計者可以根據(jù)IGBT模塊的過流倍數(shù)來選取合適的關斷門限值。

　　CA1、CA2為響應時間電容，其作用是以電阻Rth端電壓為參考，通過與其串聯(lián)電阻的充電時間特性來確定響應時間。

　　當觸發(fā)IGBT導通時，測試信號無效。而IGBT導通需經(jīng)過一定的開通時間，如果沒有響應時間電容Ca，則在IGBT開通過程中，將導致比較器正極性端電壓高于Vth而誤報警。若電容選擇合適，在IGBT開通過程中，使電容充電時間大于開通時間即可避免上述情況的發(fā)生。通常情況下，不同額定電流值的IGBT模塊導通壓降不同。額定電流為450 A的IGBT的導通壓降一般情況為2 V，若IGBT工作中發(fā)生過流，其集電極電壓會上升，并且正比于電流值。過流故障發(fā)生前電容Ca的電壓為正常導通壓降，過流時電容兩端的電壓與時間的關系為：y=2e-t/RC+UCE（1-e-t/RC）。當響應時間電容為33 pF，電阻R為120 kΩ，Vth為5.85 V，過流導通壓降UCE為10 V時的MATLAB仿真曲線如圖5所示。

圖5 仿真曲線

　　實踐中可以通過選擇響應時間電容的容值，關斷門限值電壓Vth，IGBT過流倍數(shù)來計算圖5中t1的值：

　　與傳統(tǒng)的IGBT驅(qū)動器相比，即插即用型驅(qū)動器采用了與IGBT模塊一體化的設計思想，減小了驅(qū)動信號線上寄生電容和寄生電感的影響，提高了驅(qū)動器的可靠性。本文基于2SC0108的即插即用型IGBT驅(qū)動器，通過對前級驅(qū)動電路、后級功率驅(qū)動電路及故障信號調(diào)理電路的設計，實現(xiàn)了多工作模式可選、多種故障狀態(tài)檢測及保護等功能。即插即用型IGBT驅(qū)動器的調(diào)試、試驗和工程應用都驗證了本驅(qū)動器設計的有效性和實用性。