基于ACPL-32JT輸出電源電壓偏差的解決方案研究

丁祥根 ，錢如峰

（1.上海大學機電工程與自動化學院，上海 200444；2.上海汽車變速器有限公司，上海 201807）

絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）作為新一代全控型電力電子器件，在交流變頻器、伺服驅動器、大功率開關電源、電子逆變焊機及不間斷電源（uninterruptible power supply，UPS）等設備上得到了廣泛的應用。IGBT模塊利用電壓驅動，具有驅動功率小、飽和導通電壓低及工作可靠等優(yōu)點，驅動電源對保證IGBT工作的可靠性起著關鍵性作用。近年來，隨著電力電子技術的發(fā)展，各領域對IGBT驅動電源的體積、重量、效率等方面都提出了更高的要求。ACPL-32JT隔離光耦驅動芯片集成了隔離電源驅動功能，與傳統(tǒng)的單端反激式變換電路相比較，具有體積更小、重量更輕、線路更簡單及所占空間更小等優(yōu)點。

本文針對ACPL-32JT隔離光耦驅動芯片輸出電壓偏差大的問題，分析了其對IGBT門極驅動的影響以及在惡劣工況下?lián)p壞IGBT的風險，然后通過外圍電路的優(yōu)化，給出了具體的產(chǎn)品問題解決方案。

1 IGBT門極驅動的要求

IGBT模塊驅動電源的性能主要取決于IGBT模塊的開關特性和驅動電路的工作環(huán)境。IGBT模塊的開關特性以及對驅動電源的要求主要有以下幾點[1]：導通電壓、關斷電壓、門極驅動功率、峰值驅動電流、電氣隔離能力和適應工作環(huán)境溫度的能力。

1.1 導通電壓

由于IGBT柵極的特點[2]，門極驅動電壓不能大于20 V。當門極開通電壓大于20 V時，會導致IGBT的門極擊穿，造成器件永久性損壞。IGBT的門極驅動電壓在達到10 V時，IGBT便可實現(xiàn)開通，但10 V的門極開通電壓并不能實現(xiàn)IGBT高效率的開關。因此，IGBT門極開通電壓的正常取值范圍在10～20 V之間。當門極開通電壓偏低時，容易導致IGBT無法實現(xiàn)高效開關，IGBT的開關損耗與導通損耗均會增大，不僅增加了IGBT的實際損耗，還會影響IGBT導通后的電流輸出能力；當門極開通電壓偏高時，會導致短路電流增大，能夠承受的短路時間變短，短路保護的難度加大。因此，為了得到優(yōu)異的開通性能，一般IGBT的開通電壓選擇在15（1±0.05）V范圍內。

1.2 關斷電壓

為了保證IGBT模塊可靠關斷，同時減小開關損耗和增加對du/dt的抗干擾能力，一般使用負壓作為反向偏置關斷電壓。在進行高電壓、大功率IGBT模塊的驅動設計時，由于高電壓下的開關會導致du/dt變大，IGBT柵極會通過柵-源極寄生電容耦合開關噪聲，與IGBT內部串連的電阻并聯(lián)而形成回路，并且米勒效應也會導致當電流流過電路內部電阻時，IGBT芯片門極電壓升高，引起IGBT誤導通，所以IGBT的工作電壓越高、電流越大，關斷所需的反向偏置電壓便要求越高。

1.3 門極驅動功率

IGBT模塊進行開關工作時，模塊所需能量全部來自于門極的驅動電源。IGBT在開關過程中所需能量主要由IGBT的開關頻率、開關偏置電壓和門極電荷所決定。故而IGBT驅動電源所需提供的最小平均驅動電流函數(shù)為

式中：Iavs為平均驅動電流；QG為門極充電總量，其數(shù)值可以從IGBT數(shù)據(jù)手冊中門極充電曲線上獲得；fs為開關頻率。

IGBT驅動電源所需提供的最小驅動功率函數(shù)為

式中：Ps為平均驅動功率；ΔUG為開關電壓壓差。

1.4 峰值驅動電流

IGBT模塊柵極具有電容效應，雖然其平均驅動功率很小，但是為了使IGBT模塊快速開通，需要較大的峰值驅動電流。理想情況下，峰值電流的計算函數(shù)為

式中：IG(peak)為柵極峰值驅動電流；RG為柵極驅動電阻。

1.5 電氣隔離能力

逆變器或電機驅動器通常采用全橋電路，具有電壓高、電流大等特點。位于橋臂上的IGBT模塊處于浮動地點，上橋臂開關器件的電位隨著器件開關而變化，因此驅動電源必須具有隔離控制電路與功率電路的能力。這種隔離在隔離點需承受在IGBT應用中出現(xiàn)的最高電壓（即尖峰電壓）[3]。

1.6 適應工作環(huán)境溫度的能力

采用IGBT作為功率器件的各類控制器，在不同的應用場合，其工作環(huán)境也存在較大差異。在環(huán)境溫度較低時，需要保證驅動電源能正常啟動工作，而在環(huán)境溫度較高時，需要保證驅動電源的輸出功率、溫升等均能滿足IGBT的實際需求。

2 基于ACPL-32JT的反激穩(wěn)壓電源

ACPL-32JT是Avago公司于2014年在中國大陸推出的一款高集成度的驅動芯片，在傳統(tǒng)的IGBT驅動隔離芯片的基礎上，集成了IGBT驅動隔離電源的驅動與控制功能。該芯片的最高工作溫度為125℃，達到了汽車級要求，在汽車用電機控制器的應用中，由于其更高的功能集成度，使IGBT驅動電路在小型化、模塊化設計中得到了廣泛應用；能夠在逆變器功率相同的情況下，做到更小的產(chǎn)品體積和更高的功率密度。

2.1 ACPL-32JT芯片的介紹

ACPL-32JT[4]是Avago公司推出的一款驅動電流可達到2.5 A的門極驅動光耦，適用于汽車級的逆變器、DC/DC控制器、AC/DC控制器等的IGBT門極驅動電路，具備了欠壓保護、IGBT故障保護、欠壓鎖定（under voltage lock out，UVLO）、軟關斷、故障保護信息反饋等功能。主要應用于電力牽引列車逆變器、電源轉換器、電池充電器、空調和油泵馬達驅動器、混合動力汽車（hybrid electrical vehicle，HEV）和電動汽車等。其內部組成框圖如圖1所示。

圖1 ACPL-32JT內部組成框圖Fig.1 Internal composition block diagram of ACPL-32JT

2.2 ACPL-32JT芯片的典型應用

ACPL-32JT的驅動電路主要由原邊電路、DC/DC隔離電源電路[5]、驅動信號推挽放大電路、IGBT退飽和檢測電路、IGBT門極驅動米勒電流嵌位電路等幾部分組成，其數(shù)據(jù)手冊推薦的典型應用電路如圖2所示。

圖2 ACPL-32JT典型應用電路Fig.2 Typical application circuit of ACPL-32JT

2.3 基于ACPL-32JT的IGBT驅動實際應用電路

參照ACPL-32JT數(shù)據(jù)手冊所推薦的典型應用電路，根據(jù)所選IGBT的實際工作電壓、門極電荷、開關特性、驅動功率等要求，進行IGBT驅動電路設計，如圖3所示。

圖3 ACPL-32JT IGBT驅動電路Fig.3 IGBT drive circuit of ACPL-32JT

根據(jù)ACPL-32JT的數(shù)據(jù)手冊可知，集成在該芯片的隔離電源DC/DC的原邊驅動功率管的功率為2 W，故而在隔離變壓器的選型設計時，采用了日立公司生產(chǎn)的一款功率為2 W的隔離電源變壓器。通過該變壓器可以為副邊驅動信號提供功率為2 W的隔離電源，副邊電源采用穩(wěn)壓管與分壓電阻串聯(lián)的方式，將電源輸出電壓分為了2段，采用了1個NPN及1個PNP的三極管對IGBT的驅動信號進行放大，采用高壓二極管與電阻串聯(lián)接到IGBT的C極，實現(xiàn)對IGBT退飽和行為的檢測。

3 基于ACPL-32JT的隔離電源輸出特性對比分析

3.1 與LM3478的隔離電源輸出電壓誤差對比

ACPL-32JT用于控制外部隔離電源變壓器輸出電壓的反饋電路，集成在了ACPL-32JT芯片內部，因此采用ACPL-32JT作為驅動芯片的驅動隔離電源，其輸出電壓誤差完全由驅動芯片自身決定。ACPL-32JT未設計外部的調節(jié)手段來修正隔離電源的輸出電壓，從而達到IGBT門極驅動期望的電壓值。由ACPL-32JT的數(shù)據(jù)手冊可知，芯片的正常輸出電壓范圍在18～22 V之間，額定輸出電壓為20 V，其輸出電壓的誤差精度控制在±10%。

單端反激電源控制芯片LM3478[6]的輸出電壓采用的是外置采樣電路，可完全根據(jù)客戶的實際需要進行電壓輸出的自我調節(jié)。由數(shù)據(jù)手冊可知其反饋電源的電壓范圍在1.228～1.292 V，額定電壓為1.26 V，可得輸出電壓的誤差精度控制在±2.539%。

對比采用ACPL-32JT與采用LM3478作為反激電源的控制芯片，在隔離電源輸出電壓上，芯片本身的誤差接近4倍。

3.2 量產(chǎn)產(chǎn)品隔離電源輸出電壓誤差對比

實際量產(chǎn)產(chǎn)品中，采用ACPL-32JT驅動芯片，在隔離電源輸出電壓上的實際偏差較大。在實際生產(chǎn)中，選取了15塊驅動板，對IGBT門極驅動電路的開通電壓和上、下橋臂之間的開通電壓偏差進行對比計算，實測數(shù)據(jù)表如表1所示。

表1 IGBT門極驅動開通電壓實測數(shù)據(jù)表Tab.1 Measured data sheet of IGBT gate drive turn-on voltage

對以上實際測試數(shù)據(jù)進行對比分析，發(fā)現(xiàn)同相IGBT的上、下橋開通電壓偏差較大，其中編號9的驅動板U相上、下橋之間的開通電壓偏差為2.29 V。IGBT門極導通時間的計算公式為

式中：t為導通時間；R為開通電阻；C為IGBT的G極和E極間容值；U為導通電壓，值為10 V；Um為門極電壓。

按式（4）計算編號9的驅動板U相上、下橋之間導通時間偏差百分比η如下：

可見，編號9的驅動板U相上、下橋之間的門極開通時間偏差達到了35.9%。門極開通時間的偏差不僅影響死區(qū)時間，過大的死區(qū)時間會影響輸出電壓與輸出電流，導致IGBT控制不穩(wěn)定，而且較長的開通時間還會增大IGBT的開通損耗，給系統(tǒng)散熱帶來更大的負擔。

3.3 隔離電源輸出電壓偏差對IGBT控制的影響分析

針對實際生產(chǎn)中門極開通電壓偏差較大的問題，對隔離電源輸出電壓偏差所引起的IGBT特性進行了相同工況下的雙脈沖測試，其測試波形如圖4所示。

圖4 門極開通電壓偏差1.02 V條件下的雙脈沖Fig.4 Double pulse under the condition of gate turn-on voltage deviation of 1.02 V

在同一塊驅動印制電路板（printed circuit board，PCB）上進行了門極開通電壓為13.61 V與14.63 V的雙脈沖對比波形測試；由實際測試的數(shù)據(jù)波形可知：

1）門極驅動電壓為13.61 V時，在IGBT開通過程中，VGE電壓上升至米勒平臺處時，電壓有明顯的跌落；而門極驅動電壓為14.63 V時，IGBT開通過程中在米勒平臺處驅動波形良好；

2）門極驅動電壓為13.61 V時，IGBT的電流波形與VCE的電壓波形相交之前存在上升現(xiàn)象；門極驅動電壓為14.63 V時，在電流波形與VCE的電壓波形相交之前，無明顯上升。

由以上現(xiàn)象分析可得以下兩點：

1）驅動電壓為13.61 V時，在IGBT開通過程中，其門極驅動的穩(wěn)定性存在潛在風險[7]；

2）驅動電壓為13.61 V與14.63 V相比，前者的IGBT實際開通損耗略大于后者。

對隔離電源輸出電壓偏差所引起的IGBT特性進行了相同工況下的短路測試，其波形如圖5所示。

圖5 門極開通電壓偏差1.86 V條件下的短路測試Fig.5 Short circuit test under the condition of gate turn-on voltage deviation of 1.86 V

在同一塊驅動PCB板上進行了門極開通電壓為13.56 V與15.42 V的短路波形測試。由實際測試的數(shù)據(jù)波形可知：門極驅動電壓為13.56 V，IGBT的最大導通電流為963 A，IGBT的VCE導通電壓隨導通電流的增大幾乎成線性增大；門極驅動電壓為15.42 V時，IGBT的最大導通電流為2 916 A，在導通電流小于IGBT額定電流2.5倍之前，IGBT的VCE導通電壓基本無增大的趨勢。

對以上現(xiàn)象分析可知：與驅動電壓為15.42 V時相比，驅動電壓為13.56 V時，在IGBT的導通損耗更大，由此引起的IGBT溫升也更高。

4 解決方案

針對IGBT門極驅動電源輸出電壓偏低引起的IGBT損耗偏差較大問題，基于ACPL-32JT驅動芯片的驅動方案，在實際應用中對其反饋的回路進行了優(yōu)化設計修改，其修改后的電路如圖6所示。

圖6 優(yōu)化反饋回路后的驅動電路圖Fig.6 The drive circuit diagram after optimizing the feedback loop

在原有的電路基礎上，增加了一個1210封裝的0R電阻R58，在生產(chǎn)過程中，R58正常焊接。在PCBA的功能測試（functional circuit test，F(xiàn)CT）階段，當發(fā)現(xiàn)驅動電源的上、下橋臂之間門極電壓偏差過大時，根據(jù)實際偏差的電壓大小，將R58拆下更換導通壓降為0.3 V的鍺二極管或0.7 V的硅二極管，通過二極管的管壓降，在電源反饋電壓不變的情況下，增加其前一級的實際輸出電壓[8]，達到有效控制上、下橋臂之間門極驅動電壓偏差的目的，從而提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。

在實際生產(chǎn)過程中對于電壓偏差較大的PCB板進行反饋調節(jié)后的測試對比數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 IGBT門極驅動開通電壓修正實測數(shù)據(jù)表Tab.2 Measured data table of IGBT gate actuated open voltage correction

從表2可知，進行反饋調節(jié)后，在選出的5塊驅動板中，驅動板上、下橋之間的開通電壓偏差最大只有0.5 V，通過式（4）計算可知，門極開通時間偏差僅為6.3%。因此，對基于ACPL-32JT驅動芯片的反饋回路進行優(yōu)化后，驅動板上、下橋之間的開通電壓一致性較好，有效地避免了因門極開通時間不一致帶來的IGBT控制不穩(wěn)定、開通損耗大等不良后果。

5 結論

在IGBT驅動電路的設計中，IGBT驅動的門極電源對IGBT驅動的開通時間、開通損耗、關斷時間、關斷損耗[9]、上下橋的死區(qū)時間等均有較大影響[10]。IGBT驅動隔離電源對電壓輸出精度、上下橋臂之間的電壓偏差及相與相之間的電壓偏差要求均較高，在實際產(chǎn)品生產(chǎn)過程中如何有效地通過最小的設計優(yōu)化達到提高產(chǎn)品穩(wěn)定性、可靠性與合格率的要求，更能反映一個工程師的實際價值。通過試驗測試與分析，在對電源反饋回路節(jié)點進行優(yōu)化后，基于ACPL-32JT驅動芯片的驅動方案的輸出電壓偏差問題得到了有效解決，使控制器在批量生產(chǎn)過程中的穩(wěn)定性與可靠性得到了有效保障。