《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于2SC0535的大功率IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)
2014年電子技術(shù)應(yīng)用第9期
文 陽1,,2,,楊 媛1,,高 勇1,2
1.西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院,,陜西 西安710048,; 2.西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院,陜西 西安710048
摘要: 對(duì)2SC0535的驅(qū)動(dòng)特性給出了詳細(xì)介紹,,分析了其短路保護(hù),、有源鉗位、電源欠壓保護(hù)以及隔離的DC/DC變換器的實(shí)現(xiàn)原理,,并設(shè)計(jì)了基于2SC0535的3 300 V/1 200 A IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路,。最后給出了該驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)驗(yàn)波形,驗(yàn)證該設(shè)計(jì)良好的驅(qū)動(dòng)保護(hù)性能,,適合要求高可靠性的工業(yè)和牽引應(yīng)用領(lǐng)域,。
中圖分類號(hào): TN386
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2014)09-0034-03
Design of drive and protection circuit of IGBT based on 2SC0535
Wen Yang1,2,,Yang Yuan1,,Gao Yong1,,2
1.Department of Electronics Engineering, Xi′an University of Technology, Xi′an 710048,,China;2.Department of Electronics & Information, Xi′an Polytechnic University, Xi′an 710048,,China
Abstract: The drive characteristics of 2SC0535 in detail was shown in this article,and the implementation principle of short-circuit protection,advanced active clamp,supply undervoltage protection and isolated DC/DC converter were analyzed. 2SC0535-based 3 300 V/1 200 A IGBT drive and protection circuit was given as well. The experimental waveforms of the driving circuit was given at last. This good protection performance was verified for applications requiring high reliability in industry and traction.
Key words : IGBT,;driver module;2SC0535,;overcurrent protection

    隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,,具有高耐壓、大電流,、開關(guān)速度高和低飽和壓降等諸多優(yōu)點(diǎn)的IGBT在機(jī)車牽引,、有源濾波、新能源等電力電子領(lǐng)域有了更為廣泛的應(yīng)用[1],。而IGBT的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)是由IGBT驅(qū)動(dòng)器來完成的,,高性能的驅(qū)動(dòng)器可以讓IGBT工作在較為理想的開關(guān)狀態(tài),減小開關(guān)損耗,。應(yīng)用在大功率或者環(huán)境復(fù)雜多變場(chǎng)合下的IGBT,,鑒于其特殊性,對(duì)于IGBT驅(qū)動(dòng)器的要求就更為嚴(yán)格,,如需具備瞬間驅(qū)動(dòng)電流大,、可靠性要求高、有完備的保護(hù),、集成度高等特點(diǎn)[2],。本文介紹了瑞士CONCEPT公司的2SC0535驅(qū)動(dòng)器,,并采用其作為核心部件,設(shè)計(jì)了前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路,、后級(jí)功率驅(qū)動(dòng)電路,、故障信號(hào)指示電路。最終用雙脈沖平臺(tái)和3 300 V/1 200 A IGBT進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),。實(shí)驗(yàn)證明,,該驅(qū)動(dòng)器具有良好的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)功能[3]

1 2SC0535簡(jiǎn)介

    2SC0535裝備了CONCEPT公司最新的SCALE-2芯片組[4],。SCALE-2芯片組是一套專用集成電路(ASIC),,包含智能門級(jí)驅(qū)動(dòng)所需的大部分功能。該模塊采用變壓器隔離方式,,可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)IGBT模塊,,提供+15 V、-10 V門級(jí)驅(qū)動(dòng)電壓和±35 A的驅(qū)動(dòng)電流,。圖1為2SC0535的功能框圖,,它主要由DC/DC轉(zhuǎn)換電路、輸入處理電路,、驅(qū)動(dòng)輸出及邏輯保護(hù)電路組成[5],。

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    DC/DC轉(zhuǎn)換電路將輸入部分與工作部分進(jìn)行隔離。輸入處理部分由LDI及其外圍電路組成,。由于控制電路產(chǎn)生的PWM信號(hào)不能直接通過脈沖變壓器,,特別是當(dāng)其占空比變化較大時(shí),最為困難,。而LDI主要是對(duì)于輸入的PWM信號(hào)進(jìn)行編碼,,便于PWM信號(hào)通過脈沖變壓器進(jìn)行傳遞。驅(qū)動(dòng)輸出及其邏輯保護(hù)電路的核心芯片是IGD,。它集合了變壓器接口,、阻斷邏輯生產(chǎn)、狀態(tài)反饋,、過流短路保護(hù),、欠壓檢測(cè)和輸出階段識(shí)別等功能于一身。每一個(gè)IGD用于一個(gè)通道,,主要功能是對(duì)變壓器傳來的信號(hào)進(jìn)行解碼,,并對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行功率放大,對(duì)IGBT過流,、短路及副邊電源欠壓檢測(cè)保護(hù),,向LDI反饋副邊狀態(tài),以產(chǎn)生短路保護(hù)的響應(yīng)時(shí)間和阻斷時(shí)間等,。

2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

2.1 前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路

    由于驅(qū)動(dòng)器放置在IGBT模塊上,,控制器與驅(qū)動(dòng)板之間的邏輯信號(hào)走線相對(duì)較長(zhǎng),,為了提高信號(hào)的抗干擾能力,在驅(qū)動(dòng)信號(hào)送入模塊前,,用光耦進(jìn)行了隔離,,設(shè)計(jì)的前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí),,信號(hào)經(jīng)過光耦隔離,、波形整形、鎖死/去鎖死,,最終送入2SC0535模塊,。

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2.2 信號(hào)鎖存指示

    故障輸出端SO1、SO2為集電極開路電路,,外部需要接上拉電阻,。當(dāng)故障發(fā)生時(shí),相應(yīng)通道的SOx輸出低電平,;否則,,輸出高電平。如果電源欠壓,,電源欠壓檢測(cè)電路也會(huì)輸出低電平,。如圖3所示,當(dāng)有錯(cuò)誤發(fā)生時(shí),,U10A管腳被拉低,,U10C,、U10D輸出由高電平跳變?yōu)榈碗娖?,D觸發(fā)器U9在此刻的下降沿將錯(cuò)誤信號(hào)鎖存住,相應(yīng)的錯(cuò)誤指示燈亮,。此時(shí)由于U10A與U10B的配合,,即使錯(cuò)誤消失,錯(cuò)誤信號(hào)一直被鎖住不變,,直到手動(dòng)按鍵S1才能恢復(fù),。利用撥碼開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的鎖死與去鎖死功能。如果將LOCK端與Key1端接在一起,,則只要有錯(cuò)誤發(fā)生時(shí),,LOCK端的持續(xù)低電平會(huì)將兩路輸入信號(hào)全部封鎖,確保了IGBT的安全運(yùn)行,。如果將unLOCK與Key1連接,,則輸入信號(hào)不會(huì)受到另一路錯(cuò)誤信號(hào)的封鎖,而是被全部送到模塊內(nèi)部,,由模塊判斷并封鎖對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào),。

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2.3 死區(qū)時(shí)間和工作模式

    2SC0535提供兩種工作模式可供選擇,,即直接模式和半橋模式。對(duì)于直接模式,,將MOD輸入端連接到GND就可以了,。在這種模式下,兩個(gè)通道互不影響,。在半橋拓?fù)渲?,只有?dāng)控制電路產(chǎn)生了足夠的死區(qū)時(shí)間,可以使每個(gè)IGBT都安全工作時(shí),,才能選擇此模式,,因?yàn)閮蓚€(gè)IGBT同時(shí)導(dǎo)通或者重疊導(dǎo)通會(huì)導(dǎo)致直流母線短路。當(dāng)MOD端通過一個(gè)71 kΩ~181 kΩ電阻Rm接到GND后,,則選擇了半橋模式,。參考圖4,在此模式下,,INA作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸入端,,而INB則作為信號(hào)的使能端。

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    死區(qū)時(shí)間Td可以通過電阻Rm來設(shè)定,,見式(1):

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2.4 有源鉗位保護(hù)

    有源鉗位電路的目的是鉗位IGBT的集電極電位,,避免關(guān)斷過程中因Vce過壓而損壞IGBT。如果關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰太陡,,都會(huì)使IGBT受到威脅,。IGBT在正常情況關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的電壓尖峰,但是數(shù)值不會(huì)太高,。但在變流器過載或者橋臂短路時(shí)關(guān)斷管子,,產(chǎn)生的電壓尖峰則非常高,此時(shí)IGBT非常容易損壞,。如圖5所示,,其工作原理是:當(dāng)集電極電位過高時(shí),TVS被擊穿,,電流IAAC流進(jìn)ASIC(專用集成電路)的ACC單元,。該電流大于40 mA時(shí),下管MOSFET開始被線性關(guān)斷,;當(dāng)電流大于500 mA時(shí),,下管MOSFET完全關(guān)閉。此時(shí)門極處于開路狀態(tài),,Iz會(huì)向門極電容充電,,使門極電壓從米勒平臺(tái)回到+15 V,從而使關(guān)斷電流變緩慢,達(dá)到電壓鉗位的效果,。這個(gè)電路的特點(diǎn)是TVS的負(fù)載非常小,,TVS的工作點(diǎn)非常接近額定點(diǎn),鉗位的準(zhǔn)確度及電路的有效性得到大大提高,。在3 300 V的IGBT中,,使用了串聯(lián)8個(gè)300 V的TVS,其中7個(gè)單向,,1個(gè)雙向,,獲得了良好的鉗位效果。

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2.5 短路保護(hù)

    IGBT短路保護(hù)的基本工作原理如圖6所示,,電路由一個(gè)比較器和相應(yīng)的電路完成,。

    (1)比較器的反相輸入端,B點(diǎn)為參考電壓值,。具體電壓值為恒流源150 μA乘以Rthx,。

    (2)比較器的同相輸入端,對(duì)于A點(diǎn),,分兩種情況:

    ①如果IGBT正常導(dǎo)通,,則集電極為飽和電壓值,Dm反向截止,,Ca無充電回路,,A點(diǎn)電位穩(wěn)定。

    ②IGBT短路時(shí),,集電極電位升至母線電壓,,此時(shí)電流走向如圖6虛線所示,分為兩路,。由于RVce的限流作用,,15 V電源作為負(fù)載源,使得A點(diǎn)電位通過Rm給Ca充電而迅速提高,,最終等于15 V加上Dm和并減去Rm上的壓降,。SCALE-2這種保護(hù)方式比SCALE中的保護(hù)動(dòng)作更快,也更可靠,。這時(shí)集電極電壓的高壓主要承受在RVce上。

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    2SC0535驅(qū)動(dòng)器的每一個(gè)通道都配有Vce檢測(cè)電路,。驅(qū)動(dòng)器將會(huì)可靠地進(jìn)行IGBT短路保護(hù),,但是不一定能進(jìn)行過流保護(hù)。過流保護(hù)的時(shí)間優(yōu)先級(jí)較低,,可以通過外電路集中式保護(hù)在控制器中實(shí)現(xiàn),。

    在響應(yīng)時(shí)間內(nèi),Vce檢測(cè)電路不起作用。響應(yīng)時(shí)間是指從功率半導(dǎo)體開通后直至驅(qū)動(dòng)器開始檢測(cè)集電極電位所經(jīng)過的時(shí)間,。如圖7所示,,每個(gè)通道的IGBT集電極-發(fā)射極電壓是獨(dú)立檢測(cè)的。在導(dǎo)通狀態(tài)下經(jīng)過響應(yīng)時(shí)間后再檢測(cè)Vce,,以判斷短路或過流狀況,。如果在響應(yīng)時(shí)間結(jié)束時(shí),測(cè)得Vce超出動(dòng)態(tài)閾值Vcethx,,則驅(qū)動(dòng)器判斷為短路或過流,。然后,驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉相應(yīng)IGBT,。故障信號(hào)立即傳送到相應(yīng)的SOx輸出端,。該IGBT一直保持關(guān)斷,且SOx一直指示故障,,直至阻斷時(shí)間Tb結(jié)束,。在響應(yīng)時(shí)間區(qū)間外,當(dāng)Vce超過閾值時(shí),,Tb開始計(jì)時(shí),。設(shè)置RVce的電阻值,以使RVce流過0.6~1 mA的電流,,但不能超過1 mA,。

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2.6 門極鉗位保護(hù)

    IGBT短路時(shí)會(huì)進(jìn)入線性區(qū),這就意味著在線性區(qū)內(nèi),,門極可以強(qiáng)烈地影響短路電流,。如果門極電壓高于15 V,則短路電流會(huì)沖得很高,,比Datasheet上給定的短路電流倍數(shù)要高很多,,這是很危險(xiǎn)的。在IGBT短路時(shí),,集電極電流Ic急劇增大,,由于IGBT存在米勒效應(yīng),導(dǎo)致門極電位會(huì)有上升的趨勢(shì),。這種作用是來自集電極的,,并不是來自驅(qū)動(dòng)電路。如果不對(duì)門極電位進(jìn)行鉗位,,短路電流可能會(huì)沖得很高,,IGBT也會(huì)超出短路安全工作(SCSOA),甚至產(chǎn)生閂鎖效應(yīng),損壞IGBT,。為了保證IGBT短路時(shí),,短路電流不超過規(guī)定范圍,,門極鉗位電路是十分必要的。圖8所示的是基于SCALE-2芯片組的IGBT驅(qū)動(dòng)器門極鉗位電路,。當(dāng)IGBT發(fā)生短路時(shí),,二極管D1會(huì)將門極電位鉗位在15 V,不至于由于IGBT米勒效應(yīng)而使門極電位升高,,造成短路電流劇烈增加,,損壞IGBT。

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3 實(shí)驗(yàn)波形

    測(cè)試平臺(tái)原理圖如圖9所示,。配合雙脈沖,,可以方便觀測(cè)IGBT在一個(gè)周期內(nèi)的波形。

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    圖10的波形是一個(gè)完整的雙脈沖實(shí)驗(yàn)波形,,母線電壓為1 600 V,。

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    圖11是IGBT第一次關(guān)段時(shí)候的波形,可以看出隨著門極電壓從+15 V下降到-10 V,,IGBT的Vce電壓開始上升,,Vce上升到1 600 V(峰值1 700 V,與主電路中雜散電感和電流下降速率相關(guān)),,IGBT電流從600 A下降到0,。

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    圖12是IGBT第二次開通和關(guān)段的波形,當(dāng)門極電壓從-10 V上升到+15 V,,IGBT的Vce電壓從1 600 V下降到Vcesat,,IGBT電流從0上升到1 000 A。其中清晰可見二極管反向恢復(fù)電流,。

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    考慮到短路試驗(yàn)的危險(xiǎn)性,,將雙脈沖平臺(tái)上管IGBT用一個(gè)很粗的導(dǎo)線短接,而非粗短的銅排,,并用了一個(gè)寬度為11 μs的脈沖進(jìn)行實(shí)驗(yàn),。波形2為母線電壓Vce,Vce=1 800 V,。從圖13中可以看出,,由于短接導(dǎo)線的電感量相對(duì)于銅排的大一些,短路電流的上升速率并不是特別大,。從IGBT退飽和到電流被關(guān)斷時(shí)間約為5 μs,,關(guān)斷時(shí)刻短路電流最大值達(dá)到了5.85 kA,電壓尖峰達(dá)到2.65 kV,,有源鉗位動(dòng)作顯著,。

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    本文根據(jù)IGBT的特性設(shè)計(jì)了基于2SC0535的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路。試驗(yàn)證明,,設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路性能良好,可在機(jī)車牽引方面得到廣泛的應(yīng)用。

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