大功率IGBT驱动模块2ED300的特性及其应用

摘要：针对大功率ICBT的驱动问题，详细介绍了一种大功率IGBT专用驱动模块2ED300的内部结构、参数设置及性能特点。以驱动800A／120 0V的IGBT为例，设计了2ED300在直接模式下的外围应用电路。并对应用中需要注意的关键问题进行了分析和讨论，最后给出了实际的驱动波形。
关键词：2ED300；驱动模块；过流保护；绝缘栅双极性晶体管

    功率开关管的安全可靠驱动是功率变换器必须解决的问题。IGBT常用驱动模块有TLP250、M57962以及EXB841／840等，而应用在大功率或超大功率(75kW～1MW)场合下的IGBT由于其特殊性(瞬时驱动电流大，可靠性要求高)，传统的驱动电路已经不能满足其使用要求，因此2SD300驱动模块作为大功率IGBT专用驱动电路应运而生。

1 2ED300模块简介
    2ED300驱动模块是德国Eupec公司在2004年生产的驱动和保护大功率IGBT的专用集成驱动模块。它在最近两年才进入中国，因其集成度高、外围电路设计简单、功能齐全等优势，很快在大功率功率电源领域得到广泛的应用。
    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±16V的驱动电压和±30A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，并具有动态电压上升控制功能(“DVRC”功能)，电气隔离可达到5000VAC。
1．1 外形及管脚功能
    图1所示为2ED300模块外形图，该模块共有45个管脚，具体功能如下：

    1，2，3脚(VDD)：信号电源；
    4，10脚(Fault)：故障信号输出；
    5脚(Reset)：通道A、B逻辑复位；
    6，8脚(CA，CB)：半桥模式下死区时间设定；
    7，11脚(INB，INA)：PWM输入；
    9脚(Modus)：模式选择；
    12，13脚(GND)：信号地；
    14～18脚(GND)：驱动电源地；
    19～23脚(VDC)：驱动电源；
    24，36脚(E.B，E.A)：外部故障状态输入；
    25，37脚(Vce set B，Vce set A)：IGBT饱和压降输入；
    26，38脚(RC B，RC A)：RC参考电位网络；
    27，39脚(Sense B，Sense A)：DVRC信号输入；
    28，29脚(Vb-，Vb+)：B通道±16V缓冲电容；
    30，31脚(COMB)：B通道±16V参考点；
    32，33脚(Gate B)：B通道驱动栅极；
    40，41脚(Va-，Va+)：A通道±16V缓冲电容；
    42，43脚(COMA)：A通道±16V参考点；
    44，45脚(Gate A)：A通道驱动栅檄。[!--empirenews.page--]
1．2 主要参数
    2ED300主要参数如下：
    ◇供电电压VDD和VDC：14～16V(推荐15V)；
    ◇逻辑信号输入电平：VDD；
    ◇门极峰值电流lout：±30A；
    ◇内部开关电源输出功率：8W；
    ◇输入输出隔离电压：5000VAC；
    ◇工作温度：-25～85℃；
    ◇半桥模式最小死区时间tTD：1μs；
    ◇脉冲信号传输时间tpd(on)：650ns；
    ◇最小输入脉冲宽度tmd：400ns；
    ◇Vce set电压范围：2～9V；
    ◇INA／B无PWM输入复位时间：50ms；
    ◇最大电压上升率：50kV／μs；
    ◇最高工作频率：60kHz。

2 内部结构及性能特点
2．1 内部结构
    图2为2ED300的内部功能模块框图。它主要由DC／DC转换电路、输入信号处理电路、输出驱动电路及逻辑保护电路组成。

    (1) DC／DC转换电路
    模块内部集成了专门的DC／DC变换器，用以提供驱动昕需的电压。变换器输入为DC14～16V，输出为±16V，中间有变压器隔离，功率为8瓦，瞬态输出电流最大值为30A。
    (2)输入信号处理电路
    主要实现工作模式选择、模块复位、PWM脉冲的处理、死区时间设置及故障信号输出等功能。
    (3)输出驱动电路
    主要实现驱动脉冲的整定、故障信号存储、功率放大及软关断参数的设置等功能。
    (4)逻辑保护电路
    主要实现IGBT饱和压降的检测、输出欠压的监测、外部故障信号监测的设置等功能。[!--empirenews.page--]
2．2 性能特点
    功率开关管的驱动模块种类繁多，与其他驱动模块相比，2ED300具有以下显著特点：
    (1)带载能力强，可驱动多只并联的大功率ICBT；
    (2)可灵活定义逻辑电平，选择不同工作模式；
    (3)具有欠压监测、短路和过流保护功能；
    (4)死区时间可以任意设定；
    (5)模块的复位与重启功能；
    (6)IGBT关断电压上升率(dv／dt)的监测，可以实现软关断(SSD)功能。
    (7)可以实现过热等外部故障信号的保护功能。

3 2ED300在实际中的应用
3．1 应用实例
    笔者曾参与研制了170kW的大功率Boost DC／DC变换器，主功率开关器件选用的是Eupec公司生产的800A／1200V IGBT-FF800R12KF4，两只并联，下面以此为例对2ED300的应用问题展开分析和讨论，应用电路如图3所示。

    (1)模块输入端参数选择
    ①工作模式选择
    IGBT工作于直接模式下，9脚(Modus)接地；死区设置脚6，8(CA，CB)通过电容C2、G3接地。
    ②保护信号、复位信号的处理
    故障信号输出脚4，10(Fault)通过上拉电阻R1送控制回路；复位5脚(Reset)直接送控制回路，如果不需要陔功能，接地即可。
    (3)驱动输入电源的处理
    19～23脚(VDC)和14～18脚(GND)之间应接≥220μF电解电容，推荐值为470μF，并尽量靠近模块。
    (2)模块输出端参数设计
    ①IGBT的连接
    主要问题是栅极电阻(R3、R7)的计算，以及漏极阻断二极管(D1～D4)的选择，另外需要注意，栅源极之间应接稳压二极管和放电电阻，尽量靠近IGBT。[!--empirenews.page--]
    ②IGBT过流饱和压降检测电路参数计算
    该参数的设置非常重要，包括参考电位Vref和监测电位VCE的设置，主要通过37，38脚的RC参考电位网络来设置，对应IGBT过流时间和饱和压降的大小，应根据所驱动IGBT的型号确定参数值，图4是正确的设置曲线。

    ③软关断参数设置
    对应图中的Sense X引脚，两路分别由R4、R8来设置，和IGBT的输入电容Cies有很大关系，IGBT越大，该值越小，FF800R12KF4对应的电阻值为7．5K。
    ④输出电源的处理
    需要特别指出的是28，29脚(Vb-，Vb+)和30，31脚(COMB)之间需要并联缓冲电容，否则将严重影响驱动波形，更严重的后果将造成IGBT的损坏。
3．2 实验结果
    图5是示波器采集到的所设计电源的IGBT驱动波形。

    从上图可以看到，IGBT驱动波形上升下降速度适中，平台幅值为±16V。但是高低电平的平台有一定斜度，主要原因是2ED300模块引脚Vb±和COMX之间未加缓冲电容(E2～E5)或取值太小，Ex最好使用钽电容，推荐值为220μF。
3．3 设计中需要注意的问题
    (1)模块2ED300外围参数的设置取决于应用模式和驱动ICBT的型号
    首先要确定工作于直接模式还是半桥模式，然后根据所选择ICBT的型号查产品手册确定陔型号IGBT的Cies值进行计算，并且还要通过实验对参数进行整定，得出较适合的参数才能确保模块安全可靠工作。
    (2)2ED300与IGBT之间的布线需要特别的注意
    栅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，必须将模块的输出级和IGBT之间的寄生电感减至最低，即尽量减小二者之间的距离，并且用绞线传递驱动信号。

4 结束语
    2ED300模块具有很强的动态驱动能力，包含有完善的短路过流保护和电源监控功能，外围路简单可靠，使用方便灵活，应用场合广泛，是一款性能优良的驱动模块。设计时充分考虑其特点，通过合理设置外同参数，保证安全可靠的驱动大功率开关管IGBT工作，可以在工程中推广应用。