新型IGBT驅動器2SC0435T的應用＊

羅志清 劉 慶 袁漢祖 趙小波

（武漢船舶通信研究所 武漢 430079）

1 引言

IGBT具有高耐壓、大電流、高速和低飽和壓降等良好特點，故應用廣泛［1］。驅動電路作為控制電路與功率半導體器件之間的橋梁，在充分利用IGBT的性能，提高系統可靠性等方面發(fā)揮著關鍵作用［2～4］。IGBT驅動電路的設計除了考慮提供良好的驅動性能與可靠保護以外，還必須關注IGBT的寄生效應、電磁兼容性、絕緣電壓、開關速度的優(yōu)化、成本與集成度等問題［5～6］。設計高可靠性、高穩(wěn)定性的IGBT驅動電路是一項復雜的系統工程［7］。

本文以CONCEPT公司的新型智能化IGBT驅動模塊2SC0435T為例，分析了此驅動器的設計要點，給出了該驅動器的外圍應用電路，并對應用中需要注意的關鍵問題進行了分析和討論。

2 2SC0435T簡介

2SC0435T是瑞士CONCEPT公司為高壓IGBT的可靠工作和安全運行而設計的第二代驅動模塊［9］。這款基于SCALE－2驅動內核的雙通道驅動器集低成本、超緊湊于一身，而且有非常寬的應用范圍［10］。2SC0435T驅動器專門為要求高可靠性的應用領域而設計，其集成了智能驅動、自檢、狀態(tài)反饋、有源箝位、DC／DC隔離電源等功能，并將控制部分與功率部分完全隔離，克服了傳統驅動電路在大電壓情況下電源隔離難的問題［11］。該模塊采用脈沖變壓器隔離方式，加上相應的外圍電路之后，能同時產生兩路IGBT驅動信號，具有準確可靠的驅動功能、靈活可調的過流保護與有源箝位功能，同時可對電源電壓進行欠壓檢測；其工作頻率可達100kHz，電氣隔離可達到4000VAC。

2SC0435T內部包含有兩路IGBT驅動電路，可用于驅動兩路IGBT，且具有安全性、智能性與易用性等特點。其擁有兩種工作模式：直接模式和半橋模式。在直接模式中，兩個通道之間沒有任何連接，需有兩路輸入信號。當用于半橋方式時，只需一路輸入信號就可以直接產生具有死區(qū)時間PWM波。

3 IGBT驅動電路設計

筆者曾參與研制電力電子變流裝置，主功率開關器件選用的是infineon公司的IGBT模塊，下面以此為例來對2SC0435T的應用問題進行一些分析和討論。以2SC0435T為核心的IGBT的驅動電路如圖1所示。

在圖1中，INA、INB為驅動信號的輸入端，SO1、SO2為驅動電路的故障輸出端，C1、G1、E1，C2、G2、E2為驅動電路的輸出端，分別接至IGBT的集電極C，柵極G，發(fā)射極E。

IGBT驅動器通常處于強電磁場環(huán)境，如果輸入信號采用電纜傳輸，此時輸入信號的處理需要比較謹慎。如果驅動器INA，INB前端使用長線進行傳輸，窄脈沖抑制電路非常必要。這里需要選用施密特觸發(fā)器，這樣跳沿會陡峭，并且門電路要就近接入INA，INB，具體電路如圖2所示。

圖1 2SC0435T驅動外圍電路典型電路圖

圖2 驅動器輸入信號處理圖

MOD端為模式選擇端，該管腳通過一個電阻接地的方式來選擇工作模式。當該輸入端直接接地時，為直接模式。在該模式下，兩個通道各自獨立，相互沒有影響，輸入INA對應1通道，INB對應2通道。

當MOD端通過一個電阻接地時，驅動工作在半橋模式。在該模式下，輸入INA、INB具有以下功能：INB作為使能輸入，INA為驅動信號輸入。

當輸入INB為低電平時，兩個通道同時閉鎖；當INB變?yōu)楦唠娖?，則兩個通道都被使能，輸出信號由INA決定。當INA信號由低變高時，2通道的門極信號關斷，1通道在經過一個死區(qū)時間TD后導通，其信號示意圖如圖3所示。

圖3 半橋模式信號示意圖

死區(qū)時間的值可以通過電阻RM來確定，根據以下公式：

其中0.6μs＜TD＜4.1μs，72kΩ＜RM＜182kΩ。

TB管腳可以通過一個電阻RB接地來設置阻斷時間。電阻RB與阻斷時間TB的關系式如下：

其中20ms＜TD＜130ms，71kΩ＜RB＜181kΩ。

當RB＝0Ω時，阻斷時間的最小典型值為9μs，但是管腳TB一定不能懸空。

狀態(tài)輸出端SOX（X代表通道名稱，1或者2，下同）為集電極開路輸出，由于報錯信號SO的管腳直接連到ASIC中，其內部為漏極開路電路，因此這個管腳對噪聲比較敏感。如果有噪聲進入這個管腳，會導致錯誤出現。對于SO信號的處理，有以下方法：

1）SO信號必須有明確的電位，最好就近上拉；

2）SO信號經過長線傳輸時，可以考慮配合門電路，以提高電壓信號抗擾能力，且接收端要配合阻抗合適的下拉電阻；

3）SO接10Ω電阻，再用肖特基二極管做上下拉鉗位保護；控制器端用電阻上拉。

當驅動器未檢測到故障，其輸出為高阻態(tài)。當驅動器檢測IGBT模塊過流、短路或者供電電源欠壓時，相對應的狀態(tài)輸出口SOX變?yōu)榈碗娖?。在經過一個阻斷時間TB之后，通過激勵信號的邊沿觸發(fā)來自動復位SOX端口。

4 應用關鍵問題與分析

4.1 有源箝位

有源鉗位電路的目標是鉗住IGBT的集電極電位，使其不要到達太高的水平，如果關斷時產生的電壓尖峰太高，或者太陡，都會使IGBT受到威脅。其原因是隨著系統的功率變大，IGBT的di／dt會增大，且雜散電感也會越大，因此電壓尖峰會越高。

在IGBT短路時，關斷短路電流的di／dt會更高，比關斷額定電流要高很多，因此短路時電壓尖峰更高。所以有可能出現，驅動器發(fā)現了IGBT的短路現象，并且也及時關斷，但是由于di／dt太高，產生了非常高的電壓尖峰，在關斷該短路電流后仍然可以損壞IGBT。這時，有源鉗位電路就非常必要。

基本的有源箝位電路的實現方法是在IGBT的集電極和門極之間用瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS）建立一個反饋通道。圖4所示為CONCEPT公司推出的基于SCALE－2芯片組的有源箝位的功能示意圖。

圖4 有源箝位功能示意圖

當TVS被擊穿時，電流IAAC會流進ASIC（專用集成電路）的AAC單元。該單元會根據IAAC的大小操縱下管MOSFET。當該電流大于40mA時，下管MOSFET開始被線性地關斷，當電流大于500mA時，下管MOSFET完全關閉。

此時門極處于開路狀態(tài)，Iz會向門極電容充電，使門極電壓從米勒平臺回到＋15V，從而使關斷電流變緩慢，達到電壓鉗位的效果。這個電路的特點是TVS的負載非常小，TVS的工作點非常接近額定點，鉗位的準度大大提高。

4.2 VCE監(jiān)控／短路保護

2SC0435T的兩個通道都有VCE監(jiān)控電路，在圖1的電路中，電阻Rthx用于定義關斷的參考值，流過電阻Rthx的電流的典型值是150μA。

為了使2SC0435T具有通用性，設置響應時間的定時電容Cax沒有被集成到驅動器內部，而需要在外部連接。在響應時間區(qū)域內，VCE監(jiān)控電路不起作用。響應時間的定義是：從IGBT開通時刻起，到集電極電壓檢測生效的這個時間區(qū)間，如圖5中所示。

圖5 功率器件開通關斷過程圖

兩個通道IGBT的VCE檢測電路是各自獨立的。在IGBT開通后，經過一段響應時間，就開始檢測VCE，以此來判斷是否出現短路或過流，如果在響應時間的結束時刻，檢測到VCE超過了設定的門檻電壓，驅動器即認為發(fā)生短路或過流，并將該通道的IGBT驅動信號關斷，故障信號會馬上傳到相應的SOX狀態(tài)輸出口上，該通道的驅動信號會一直保持關斷狀態(tài)，直到阻斷時間TB結束。每個通道的阻斷時間TB是各自獨立的，TB的起始時刻是：VCE超過了檢測電路的門檻值的時刻，且TB是在響應時間區(qū)間以外的。

響應時間的數值由定時電容Cax的大小決定，它們的關系如表1所示。

表1 參考電阻（電壓）與響應時間關系

4.3 二極管檢測IGBT退飽和保護

2SC0435T可以利用二極管檢測功率器件C、E之間飽和壓降來進行保護，典型電路如圖6所示。

圖6 二極管檢測IGBT退飽和保護典型電路

Rax用于設定合適的響應時間，其阻值可以由以下式子計算：

VGLx為驅動器關斷電壓，2SC0435T關斷電壓為－10V。Cax和Rax的推薦值為

Vce監(jiān)控的門檻電壓值等于REFx管腳的電位（150μA流過Rthx）減去180Ω的電阻的壓降再減去D1、D2的導通壓降。當IGBT關斷時，VCEx的電位被拉低到COMx，IGBT開通時，電流流過Rax，并且電流的大小主要由Rax的阻值決定。

在這需要注意的就是，IGBT的最短關斷時間不能短于Tmin［ns］＝1400＊Cax［nF］，目的是不減少下一個開通脈沖到來時的響應時間。

4.4 IGBT柵極電阻的選擇

IGBT的開關特性受柵極電容的再充電控制，柵極電容的再充電可以通過柵極電阻控制。IGBT的動態(tài)性能可以通過柵極電阻值來調整。柵極電阻影響IGBT的開關時間、開關損耗、反向偏置安全運行區(qū)域（RBSOA）、短路電流安全運行區(qū)域（SCSOA）、EMI、dv／dt、di／dt和續(xù)流二極管的反向恢復電流。柵極電阻必須按照各個應用參數仔細選擇和優(yōu)化。所以在實際應用中要綜合考慮，折衷選擇驅動柵極電阻。在一般的應用中，遵循以下幾個原則：

1）通常情況下，額定電流大的IGBT模塊將采用較小的柵極電阻驅動；同樣的，額定電流小的IGBT模塊，將需要較大的柵極電阻。

2）一般而言，最優(yōu)的柵極電阻值將介于IGBT數據手冊中所列的值和大約兩倍于數據表中所列值之間。

3）在大多數的應用中，導通柵極電阻RG（on）比關斷柵極電阻RG（off）小。根據各自的參數，RG（off）約為RG（on）的兩倍。

4）在應用中應使寄生電感最小，尤其是在直流環(huán)節(jié)電路中。保持IGBT關斷過電壓在IGBT數據表的指定范圍內是必要的，特別是在短路情況下。

5）由于柵級電阻功率較大，建議使用電阻并聯的形式。這將產生一個冗余，如果一個柵極電阻損壞，系統可臨時運行，但開關損耗較大。采用柵級電阻并聯的方式，也有利于增強熱擴散。柵級電阻并聯的布局必須保證柵極電阻所產生的過大熱量不會使安裝在附近的元件過熱。在考慮布局時，必須為柵極電阻留出足夠大的冷卻區(qū)域。

6）柵極電阻電路和IGBT模塊之間的距離應盡可能短。距離長會在柵極－發(fā)射極的通道上產生較大的電感。結合IGBT的輸入電容，該線路電感將形成一個LC電路。

5 應用實例

本文以驅動infineon公司的IGBT為例，給出了驅動電路際波形；同時還給出驅動器在不同門極關斷電阻情況下的輸出波形。

圖7 驅動輸出波形圖

圖7是驅動電路帶載輸出波形圖，其中RG（on）＝1.5Ω，RG（off）＝2Ω。從圖中可看出，驅動激勵信號與驅動輸出脈寬基本一致，延時較小。圖8分別是在不同的柵極關斷電阻下，驅動電路的輸出波形圖，其中RG（on）＝1.5Ω。

圖8 不同門極關斷電阻下輸出波形

從圖中可看出，隨著柵極關斷電阻逐漸減小，驅動輸出的下降時間逐漸變短，也即關斷變快。

同時，將該驅動電路應用到工程實踐上，其能穩(wěn)定、可靠工作。在發(fā)生過流等故障時，驅動電路能及時、有效地起到保護的作用。

6 結語

本文介紹了一種以新型IGBT驅動器2SC0435T為核心的驅動電路的設計及應用。通過工程實踐，證明該驅動器具有較強的動態(tài)驅動能力，而且包含有完善的短路過流保護、有源箝位功能和電源監(jiān)控功能。此外，該驅動器外圍電路簡單可靠，使用方便靈活，應用場合廣泛，是一款性能優(yōu)良的驅動模塊。

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［9］CT－Concept Technology Ltd.Description and Application Manual for SCALE Drivers.http：／／www.igbt－driver.com／en／produtcs／scale－2／scale－2－cores／2sc0435t.pdf.

［10］CT－Concept Technology Ltd.Description and Application Manual for SCALE Drivers.http：／／www.igbt－driver.com／en／produtcs／scale－2／scale－2－pnp.pdf.

［11］CT－Concept Technology Ltd.Description and Application Manual for SCALE Drivers.http：／／www.igbt－driver.com／en／produtcs／scale－2／scale－2－cores.pdf.