IGBT 集成驱动模块2SD315AI 的应用研究

0 引言

2SD315AI 是瑞士CONCEPT 公司专为1 200 V和1 700 V 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，外加必需的其他元件组成。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MHz以上;电气隔离可达到AC4000V。

1 2SD315AI简介

1.1 外形及管脚功能

图1 所示为2SD315AI 的外形图，该芯片共有44个管脚。具体功能如下：

脚1，2(VDD) 信号电源;

脚3(SO1) 通道1状态输出;

脚4(VL/Reset)

定义逻辑电平/错误信号复位;

脚5(RC1) 通道1死区RC 网络;

脚6(INB) PWM2/ENABLE;

脚7(RC2) 通道2死区RC网络;

脚8(MOD) 模式选择;

脚9(SO2) 通道2状态输出;

脚10(INA) PWM1/PWM;

脚11，12(GND) 信号电源地;

脚13~17(VDC) DC/DC 驱动电源;

脚18~22(GND) DC/DC 驱动电源地;

脚23(Ls2) 通道2的状态显示端;

脚24(C3) 通道2的集电极检测端;

脚25(Rth2) 通道2的阈值电阻端;

脚16，27(E2)通道3的发射极;

脚28(Viso2) 通道3的DC/DC输出侧电源;

脚29，30(COM2) 通道3的DC/DC 输出侧地;

脚31.32(G2) 通道2的栅极;

脚33，34(NC)未用;

脚35(Ls1) 通道1的状态显示端;

脚36(C1) 通道1的集电极检测端;

脚37(Rth1) 通道1的阈值电阻端;

脚38，39(E1)通道1的发射极;

脚40(Viso1) 通道1的DC/DC输出侧电源;

脚41，42(COM1) 通道1的DC/DC 输出侧地;

脚43，44(G1)通道1的栅极。

1.2 主要参数

1.2.1 2SD315AI 的极限参数

供电电压VDD和VDC 16 V;

逻辑信号输入电平VDD;

门极峰值电流Iout ±18 A;

内部开关电源输出功率6 W;

输入输出隔离电压AC 4 000 V 50 Hz/min;

工作温度-40~85℃。

1.2.2 2SD315AI 的主要电参数

输入输出延迟开通时间tpdon 300 ns;

关断时间tpdoff 350 ns;

短路或欠压保护阻断时间1 s;

输出上升时间tr out 160 ns;

输出下降时间tf out 130 ns;

最大电压上升率100 kV/μs。

2 工作原理与保护功能

2.1 工作原理

图2为2SD315AI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电子接口(逻辑与驱动之间的接口)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，特别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。其设计为集电极开路方式，可以适应任何电平逻辑，并可直接产生半桥所需的死区时间。

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。一个IGD用于一个通道，其具体功能是对脉冲变压器传来的PWM 信号进行解码和功率放大，实现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。IGD 所有的保护、检测功能(如过流、短路保护和欠压保护)都置于次级，因此，在出现故障时，电路将立即被关闭并锁定。

2.2 2SD315AI 驱动块的保护功能及特点

2SD315AI 驱动块的保护主要包括短路和过流以及电源检测。对于短路和过流保护，驱动中每路都有一个Vce检测电路，Rth为关断阀值的参考电阻。在IGBT开通后的一段响应时间内，Vce检测电路不起作用。而当Vce出现故障后，锁定时间功能开始启动，并在锁定时间内使驱动器锁定IGBT，而不再接受输入信号。模块中的各路都具有自己的锁定功能，并均由各路的LDG001实现。一旦Vce超过Rth设定的阀值，锁定将立即启动。

2SD315AI 驱动块中每路都具有一个欠压检测电路，当电源电压降至10 V或11 V时，IGBT将执行负压关断，并进行故障报警。

与其他驱动器相比，2SD315AI 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在实际中的应用

3.1 应用实例

笔者所在团队一同设计研发了一台300 kV·A工矿车牵引逆变器，并成功地在上海地铁现场应用。

其主要技术参数：

输入额定电压DC 550 V(350~660 V);

输入电压纹波(峰- 谷值) <15%，(瞬态电压允

许700 V，持续时间2 s，1 200 V持续时间<200μs);

输出容量300 kV·A;

输出额定电压AC 0~400 V。

图3为功率单元的逆变电路图。

逆变器的主开关器件选用的是EUPEC 公司的IGBT 模块FS450R12KE3。该模块内部集成6 个IGBT，通过三三并联，构成上下桥臂，使得电流等级达到1 350 A。根据FS450R12KE3 对驱动保护电路的要求以及2SD315AI驱动模块的性能特点，设计的IGBT驱动保护电路如图4所示。

该电路由INPUTA(INA)和INPUTB(INB)输入保护、互锁，电源保护、上电复位、IGBT 的接口电路几部分组成，该电路工作于直接模式。

输入保护驱动板通过光纤与控制电路相连，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RX接地。电容CX的作用是抑制输入端出现的短脉冲或有害的尖峰脉冲。

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4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>12.7 V时，Z1反向击穿，Q4导通，Q5截止，VL为高电平，驱动器开通;而当VDD<12 V时，Q4截止，Q5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较短时间内使加在所有IGBT器件控制端上的电压均为低电压，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Rg2和二极管Dg流向IGBT，即开通电阻Ron=Rg2;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。这样就可以对开通的di/dt、dv/dt和关断的dv/dt分别进行控制，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

在任何时候都不能把过流检测管脚C 直接接到IGBT的集电极，而须通过二极管连接。其承受的反向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 之间须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。

电容悦X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。选取悦X时要反复调试，否则会使驱动输出信号产生振荡。

3.3 门极驱动电路的合理布线

对门极驱动电路的合理布线对防止电路潜在的振荡、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，门极电路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。

4 结语

通过采取对各种电路的保护措施以及较合理的工艺布局，2SD315AI 驱动模块在300 kV·A 逆变器的应用比较成功，这同时也为2SD315AI-33中高压驱动模块的应用和以此做更大功率等级的逆变器积累了经验。