高压IGBT模块2SD315AI-33的应用研究
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关键词：IGBT 驱动模块 2SD315AI-33 逆变器
２ＳＤ３１５ＡＩ－３３是瑞士ＣＯＮＣＥＰＴ公司专为３３００Ｖ高压ＩＧＢＴ的可靠工作和安全运行而设计的驱动模块，它以专用芯片组为基础，外加必需的其它元件组成。该模块采用脉冲变压器隔离方式，能同时驱动两个ＩＧＢＴ 模块，可提供±１５Ｖ的驱动电压和±１５Ａ的峰值电流，具有准确可靠的驱动功能与灵活可调的过流保护功能，同时可对电源电压进行欠压检测，工作频率可达兆赫兹以上；电气隔离可达到６０００ＶＡＣ。
１ ２ＳＤ３１５ＡＩ－３３简介
１．１ 外形及管脚功能
图１所示为２ＳＤ３１５ＡＩ－３３的外形图，该芯片共有４４个管脚。具体功能如下：
１，２脚（ＶＤＤ）：信号电源；
３脚（ＳＯ１）：通道１状态输出；
４脚（ＶＬ／Ｒｅｓｅｔ）： 定义逻辑电平／错误信号复位；
５脚（ＲＣ１）：通道１死区ＲＣ网络；
６脚（ＩｎＢ）：ＰＷＭ２／ＥＮＡＢＬＥ；
７脚（ＲＣ２）：通道２死区ＲＣ网络；
８脚（ＭＯＤ）：模式选择；
９脚（ＳＯ２）：通道２状态输出；
１０脚（ＩｎＡ）：ＰＷＭ１／ＰＷＭ；
１１，１２脚（ＧＮＤ）：１５Ｖ电源地；
１３～１７脚（ＶＤＣ）：ＤＣ／ＤＣ驱动电源；
１８～２２脚（ＧＮＤ）：ＤＣ／ＤＣ驱动电源地；
２３脚（Ｌｓ２）：通道２的状态显示端；
２４脚（Ｃ２）：通道２的集电极检测端；
２５脚（Ｒｔｈ２）： 通道２的阈值电阻端；
２６，２７脚（Ｅ２）：通道２的发射极；
２８脚（Ｖｉｓｏ２）： 通道２的ＤＣ／ＤＣ输出侧电源；
２９，３０脚（ＣＯＭ２）：通道２的ＤＣ／ＤＣ输出侧地；
３１，３２脚（Ｇ２）：通道２的栅极；
３３，３４脚（ＮＣ）：未用；
３５脚（Ｌｓ１）：通道１的状态显示端；
３６脚（Ｃ１）：通道１的集电极检测端；
３７脚（Ｒｔｈ１）：通道１的阈值电阻端；
３８，３９脚（Ｅ１）：通道１的发射极；
４０脚（Ｖｉｓｏ１）：通道１的ＤＣ／ＤＣ输出侧电源；
４１，４２脚（ＣＯＭ１）：通道１的ＤＣ／ＤＣ输出侧地；
４３，４４脚（Ｇ１）：通道１的栅极。
１．２ 主要参数
２ＳＤ３１５ＡＩ－３３的极限参数如下?
●供电电压ＶＤＤ和ＶＤＣ：１６Ｖ；
●逻辑信号输入电平：ＶＤＤ；
●门极峰值电流Ｉｏｕｔ：±１８Ａ；
●内部开关电源输出功率：６Ｗ；
●输入输出隔离电压：６０００ＶＡＣ?５０Ｈｚ／ｍｉｎ?；
●工作温度：－４０～８５℃；
下面是２ＳＤ３１５ＡＩ－３３的主要电参数?
●输入输出延迟开通时间ｔｐｄ?ｏｎ?：３００ｎｓ；
●关断时间ｔｐｄ(ｏｆｆ)：３５０ｎｓ；
●短路或欠压保护阻断时间：１ｓ；
●输出上升时间ｔｒ(ｏｕｔ)：１６０ｎｓ；
●输出下降时间ｔｆ(ｏｕｔ)：１３０ｎｓ；
●最大电压上升率：１００ｋＶ／μｓ。
２ 工作原理及性能特点
２．１ 工作原理
图２为２ＳＤ３１５ＡＩ－３３的功能框图。它主要由ＤＣ／ＤＣ转换电路、输入处理电路、驱动输出及逻辑保护电路组成。
ＤＣ／ＤＣ转换电路的功能是将输入部分与工作部分进行隔离。而其输入处理电路由ＬＤＩ００１及其外围电路组成。由于控制电路产生的ＰＷＭ信号不能直接通过脉冲变压器，尤其是当脉冲信号的频率和占空比变化较大时，尤为困难。ＬＤＩ００１就是专门为此而设计的，此专用集成芯片的功能主要是对输入的ＰＷＭ信号进行编码，以使之可通过脉冲变压器进行传输。由于该器件内部带有施密特触发器，因此对输入端信号无特殊的边沿陡度要求，并能提供准静态的状态信号反馈。将其设计为集电极开路方式，可以适应任何电平逻辑，并可直接产生死区时间。以上优点使得接口既易用又灵活，从而省去了其它专用电路所必需的许多外围器件。
驱动输出及逻辑保护电路的核心芯片是ＩＧＤ００１。它将变压器接口、过流短路保护、阻断逻辑生成、反馈状态记录、供电监视和输出阶段识别等功能都已集成在一起。每个ＩＧＤ用于一个通道，其具体功能是对脉冲变压器传来的ＰＷＭ信号进行解码，对ＰＷＭ信号进行功率放大，对ＩＧＢＴ的短路、过流及电源的欠压检测保护，并向ＬＤＩ反馈状态，以产生短路保护的响应时间和阻断时间等。
２．２ 性能特点
２ＳＤ３１５ＡＩ－３３与其它驱动器相比具有以下几个显著的特点：
（１）可灵活定义逻辑电平；
（２）可自由选择工作模式；
（３）具有短路和过流保护功能；
（４）具有欠压监测功能；
（５）可动态设定短路保护阈值
３ ２ＳＤ３１５ＡＩ－３３在实际中的应用
３．１ 应用实例
笔者所在实验室中正在设计的“双逆变器－电机”能量互馈式交流传动试验系统由于采用专为电力机车所设计的３００ｋＷ异步电机，故逆变器和变流器的主开关器件选用的是ＥＵＰＥＣ公司的高压ＩＧＢＴ 模块ＦＺ１２００Ｒ３３ＫＦ１。该器件的电压等级为３３００Ｖ，电流等级为１２００Ａ。根据ＦＺ１２００Ｒ３３ＫＦ１对驱动保护电路的要求以及２ＳＤ３１５ＡＩ－３３驱动模块的性能特点，笔者设计了ＩＧＢＴ的驱动保护电路，具体如图３所示。
该电路由输入保护、电源保护、上电复位、死区时间设定及与ＩＧＢＴ的接口电路几部分组成，该电路工作于半桥模式。以下分别予以介绍：
输入保护：通常驱动板通过引线与控制电路相连，因此，应对驱动电路的输入ＩｎｐｕｔＡ和ＩｎｐｕｔＢ给予适当地保护，以便在掉电或输入信号呈高阻时，输入端能够通过电阻Ｒｘ１接地。电容Ｃｘ１的作用是抑制输入端出现的短脉冲或有害的尖峰脉冲。该电路会产生大约１μｓ的信号延迟。
电源保护：在一定的情况下，如果驱动器外部发生短路（如ＩＧＢＴ毁坏或短路），则驱动模块内部的ＤＣ／ＤＣ变换器可能会导致电源线短路。故设计时在ＶＤＤ端增加了一个熔断器，以保证在出现故障时电路板不致毁坏。图中的１６Ｖ稳压管Ｚ２用于过压保护。
上电复位：由于上电后的错误信息总是保存在驱动模块的错误寄存器中，因此在驱动电路与控制电路分离的情况下，可通过图３连接于ＶＬ／Ｒｅｓｅｔ的上电复位电路进行复位。该电路同时还有欠压保护功能。ＶＤＤ＞１２．７Ｖ时，Ｚ１反向击穿，Ｑ１导通，Ｑ２截止，ＶＬ为高电平，驱动器开通；而当ＶＤＤ＜１２Ｖ时，Ｑ１截止，Ｑ２导通，ＶＬ为低电平，驱动器关断。另外，该复位电路还可保证在开启电源后的一个较短时间内使加于所有ＩＧＢＴ器件控制端上的电压均为低，以保证所有ＩＧＢＴ器件均处于关断状态。
与ＩＧＢＴ接口：当开通时，驱动电流经ＲＧ１和二极管ＤＧ流向ＩＧＢＴ，即开通电阻Ｒｏｎ＝ＲＧ１? 关闭时，由于二极管ＤＧ的单向导电性， 门极经ＲＧ１和ＲＧ２放电?即关断电阻Ｒｏｆｆ＝ＲＧ１＋ＲＧ２。这样就使得开通的ｄｉ／ｄｔ、ｄＶ／ｄｔ和关断的ｄＶ／ｄｔ可以分别控制，从而改善了开关过程，减少了开关损耗。
３．２ 设计中需要特别注意的问题
在任何时候都不能使过流检测管脚ＣＸ直接接到ＩＧＢＴ的集电极，而需通过二极管连接。其反向承受的峰值电压应超过逆变器直流侧电压的６０％，以防止高压串入驱动电路。
在管脚Ｖｉｓｏｘ和Ｌｓｘ之间需串接一个电阻和发光二极管以指示通道Ｘ的工作状态，在正常情况下，发光二极管发光，而在发生短路和欠压故障时，发光二极管熄灭。但由于制作工艺上的原因，管脚Ｌｓｘ对于干扰极为敏感，因此，在设计中若要指示状态，应把发光二极管接在电路板上尽量靠近输出端的地方，若不需状态指示，则必须把管脚Ｌｓｘ和ＣＯＭｘ短接。千万不要通过很长的引线将发光二极管引出，或者将Ｌｓｘ端悬空，否则会因电磁干扰的引入使整个电路不能正常工作。
电容ＣＧＥＸ 是根据高压ＩＧＢＴ开通时的特殊性来实现开通时ｄｉ／ｄｔ、ｄＶ／ｄｔ的分别控制。选取时要反复调试，否则会使驱动输出信号发生振荡。
３．３ 门极驱动布线
门极驱动布线对防止潜在的振荡、减慢门极电压的上升、减少噪声损耗、降低门极电源电压或减少门极保护电路的动作次数有很大的影响。因此，门极布线的设计必须依从以下的原则：
（１） 布线必须将驱动器的输出级和ＩＧＢＴ之间的寄生电感减至最低，这相当于把门极的连线和发射极的连线之间包围的环路面积减至最低。
（２） 必须正确放置门极驱动板，以防止功率电路和控制电路之间的电感耦合。
（３） ＰＣＢ板的条线之间不宜太过靠近，否则ＩＧＢＴ的开关会使其相互电位改变，因为过高的ｄＶ／ｄｔ会通过寄生电容耦合噪声。
（４） 安装时，为缩短连线，应把驱动板直接用螺丝拧在ＩＧＢＴ模块上。
图3 3300V/1200A IGBT的驱动电路
４ 结论
通过以上介绍可知，高压ＩＧＢＴ驱动模块２ＳＤ３１５Ａ－３３具有以下优点：
（１）只需简单调整ＭＯＤ脚，就可使该电路在半桥模式和直接模式下运行。
（２）该驱动模块的接口非常简单，能处理所有从５Ｖ～１５Ｖ电平的逻辑信号。由于输入口内部有施密特触发器，它对输入端信号无特殊的边沿陡度要求，而且状态反馈输出端设计为集电极开路，因此，该电路可以适应任何电平逻辑。
（３）由于采用双极性的驱动电压（１５Ｖ），使得任何厂家的各种级别的ＩＧＢＴ模块都可安全运行；负偏置的使用使得电路的抗干扰能力大大增强，这样就很容易实现ＩＧＢＴ模块的并联。
（４）内部电压隔离使得即使是多个驱动模块，也可以共用一个驱动电源，这不但省去了人力和资金，而且电磁干扰程度也大大降低。
（５）过流保护能准确无误的动作，且简单易调。同时具有欠压保护功能，并采取与过流保护同样的措施。
（６）用变压器作隔离输出级使得该驱动模块可用在控制回路与电力回路电位相差较大或电位变化较大的装置中，同时脉冲变压器的双向工作，既可传输驱动信号，也可传输反馈信号。
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