2SD315AI-33是瑞士CONCEPT公司專為3300V高壓IGBT的可靠工作和安全運(yùn)行而設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)模塊，它以專用芯片組為基礎(chǔ)，外加必需的其它元件組成。該模塊采用脈沖變壓器隔離方式，能同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)IGBT 模塊，可提供±15V的驅(qū)動(dòng)電壓和±15A的峰值電流，具有準(zhǔn)確可靠的驅(qū)動(dòng)功能與靈活可調(diào)的過(guò)流保護(hù)功能，同時(shí)可對(duì)電源電壓進(jìn)行欠壓檢測(cè)，工作頻率可達(dá)兆赫茲以上；電氣隔離可達(dá)到6000VAC.

　　1 2SD315AI-33簡(jiǎn)介

　　1.1 外形及管腳功能

　　圖1所示為2SD315AI-33的外形圖，該芯片共有44個(gè)管腳。具體功能如下：

　　1,2腳（VDD）：信號(hào)電源；

　　3腳（SO1）：通道1狀態(tài)輸出；

　　4腳（VL/Reset）： 定義邏輯電平/錯(cuò)誤信號(hào)復(fù)位；

　　5腳（RC1）：通道1死區(qū)RC網(wǎng)絡(luò)；

　　6腳（InB）：PWM2/ENABLE;

　　7腳（RC2）：通道2死區(qū)RC網(wǎng)絡(luò)；

　　8腳（MOD）：模式選擇；

　　9腳（SO2）：通道2狀態(tài)輸出；

　　10腳（InA）：PWM1/PWM;

　　11,12腳（GND）：15V電源地；

　　13～17腳（VDC）：DC/DC驅(qū)動(dòng)電源；

　　18～22腳（GND）：DC/DC驅(qū)動(dòng)電源地；

　　23腳（Ls2）：通道2的狀態(tài)顯示端；

　　24腳（C2）：通道2的集電極檢測(cè)端；

　　25腳（Rth2）： 通道2的閾值電阻端；

　　26,27腳（E2）：通道2的發(fā)射極；

　　28腳（Viso2）： 通道2的DC/DC輸出側(cè)電源；

　　29,30腳（COM2）：通道2的DC/DC輸出側(cè)地；

　　31,32腳（G2）：通道2的柵極；

　　33,34腳（NC）：未用；

　　35腳（Ls1）：通道1的狀態(tài)顯示端；

　　36腳（C1）：通道1的集電極檢測(cè)端；

　　37腳（Rth1）：通道1的閾值電阻端；

　　38,39腳（E1）：通道1的發(fā)射極；

　　40腳（Viso1）：通道1的DC/DC輸出側(cè)電源；

　　41,42腳（COM1）：通道1的DC/DC輸出側(cè)地；

　　43,44腳（G1）：通道1的柵極。

　　1.2 主要參數(shù)

　　2SD315AI-33的極限參數(shù)如下

　　●供電電壓VDD和VDC:16V;

　　●邏輯信號(hào)輸入電平：VDD;

　　●門極峰值電流Iout:±18A;

　　●內(nèi)部開(kāi)關(guān)電源輸出功率：6W;

　　●輸入輸出隔離電壓：6000VAC50Hz/min ;

　　●工作溫度：-40～85℃；

　　下面是2SD315AI-33的主要電參數(shù)

　　●輸入輸出延遲開(kāi)通時(shí)間tpdo(wú)n :300ns;

　　●關(guān)斷時(shí)間tpd（off）：350ns;

　　●短路或欠壓保護(hù)阻斷時(shí)間：1s;

　　●輸出上升時(shí)間tr（out）：160ns;

　　●輸出下降時(shí)間tf（out）：130ns;

　　●電壓上升率：100kV/μs.

　　2 工作原理及性能特點(diǎn)

　　2.1 工作原理

　　圖2為2SD315AI-33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。

　　DC/DC轉(zhuǎn)換電路的功能是將輸入部分與工作部分進(jìn)行隔離。而其輸入處理電路由LDI001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(guò)脈沖變壓器，尤其是當(dāng)脈沖信號(hào)的頻率和占空比變化較大時(shí)，尤為困難。LDI001就是專門為此而設(shè)計(jì)的，此專用集成芯片的功能主要是對(duì)輸入的PWM信號(hào)進(jìn)行編碼，以使之可通過(guò)脈沖變壓器進(jìn)行傳輸。由于該器件內(nèi)部帶有施密特觸發(fā)器，因此對(duì)輸入端信號(hào)無(wú)特殊的邊沿陡度要求，并能提供準(zhǔn)靜態(tài)的狀態(tài)信號(hào)反饋。將其設(shè)計(jì)為集電極開(kāi)路方式，可以適應(yīng)任何電平邏輯，并可直接產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間。以上優(yōu)點(diǎn)使得接口既易用又靈活，從而省去了其它專用電路所必需的許多外圍器件。

　　驅(qū)動(dòng)輸出及邏輯保護(hù)電路的芯片是IGD001.它將變壓器接口、過(guò)流短路保護(hù)、阻斷邏輯生成、反饋狀態(tài)記錄、供電監(jiān)視和輸出階段識(shí)別等功能都已集成在一起。每個(gè)IGD用于一個(gè)通道，其具體功能是對(duì)脈沖變壓器傳來(lái)的PWM信號(hào)進(jìn)行解碼，對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行功率放大，對(duì)IGBT的短路、過(guò)流及電源的欠壓檢測(cè)保護(hù)，并向LDI反饋狀態(tài)，以產(chǎn)生短路保護(hù)的響應(yīng)時(shí)間和阻斷時(shí)間等。

　　2.2 性能特點(diǎn)

　　2SD315AI-33與其它驅(qū)動(dòng)器相比具有以下幾個(gè)顯著的特點(diǎn)：

　　（1）可靈活定義邏輯電平；

　?。?）可自由選擇工作模式；

　?。?）具有短路和過(guò)流保護(hù)功能；

　?。?）具有欠壓監(jiān)測(cè)功能；

　?。?）可動(dòng)態(tài)設(shè)定短路保護(hù)閾值

　　3 2SD315AI-33在實(shí)際中的應(yīng)用

　　3.1 應(yīng)用實(shí)例

　　筆者所在實(shí)驗(yàn)室中正在設(shè)計(jì)的“雙逆變器-電機(jī)”能量互饋式交流傳動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)由于采用專為電力機(jī)車所設(shè)計(jì)的300kW異步電機(jī)，故逆變器和變流器的主開(kāi)關(guān)器件選用的是EUPEC公司的高壓IGBT 模塊FZ1200R33KF1.該器件的電壓等級(jí)為3300V,電流等級(jí)為1200A.根據(jù)FZ1200R33KF1對(duì)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的要求以及2SD315AI-33驅(qū)動(dòng)模塊的性能特點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)了IGBT的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路。

　　該電路由輸入保護(hù)、電源保護(hù)、上電復(fù)位、死區(qū)時(shí)間設(shè)定及與IGBT的接口電路幾部分組成，該電路工作于半橋模式。以下分別予以介紹：

　　輸入保護(hù)：通常驅(qū)動(dòng)板通過(guò)引線與控制電路相連，因此，應(yīng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的輸入InputA和InputB給予適當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)，以便在掉電或輸入信號(hào)呈高阻時(shí)，輸入端能夠通過(guò)電阻Rx1接地。電容Cx1的作用是抑制輸入端出現(xiàn)的短脈沖或有害的尖峰脈沖。該電路會(huì)產(chǎn)生大約1μs的信號(hào)延遲。

　　電源保護(hù)：在一定的情況下，如果驅(qū)動(dòng)器外部發(fā)生短路（如IGBT毀壞或短路），則驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部的DC/DC變換器可能會(huì)導(dǎo)致電源線短路。故設(shè)計(jì)時(shí)在VDD端增加了一個(gè)熔斷器，以保證在出現(xiàn)故障時(shí)電路板不致毀壞。圖中的16V穩(wěn)壓管Z2用于過(guò)壓保護(hù)。

　　上電復(fù)位：由于上電后的錯(cuò)誤信息總是保存在驅(qū)動(dòng)模塊的錯(cuò)誤寄存器中，因此在驅(qū)動(dòng)電路與控制電路分離的情況下，可通過(guò)圖3連接于VL/Reset的上電復(fù)位電路進(jìn)行復(fù)位。該電路同時(shí)還有欠壓保護(hù)功能。VDD>12.7V時(shí)，Z1反向擊穿，Q1導(dǎo)通，Q2截止，VL為高電平，驅(qū)動(dòng)器開(kāi)通；而當(dāng)VDD<12V時(shí)，Q1截止，Q2導(dǎo)通，VL為低電平，驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷。另外，該復(fù)位電路還可保證在開(kāi)啟電源后的一個(gè)較短時(shí)間內(nèi)使加于所有IGBT器件控制端上的電壓均為低，以保證所有IGBT器件均處于關(guān)斷狀態(tài)。

　　與IGBT接口：當(dāng)開(kāi)通時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流經(jīng)RG1和二極管DG流向IGBT,即開(kāi)通電阻Ron=RG1 關(guān)閉時(shí)，由于二極管DG的單向?qū)щ娦裕?門極經(jīng)RG1和RG2放電即關(guān)斷電阻Roff=RG1+RG2.這樣就使得開(kāi)通的di/dt、dV/dt和關(guān)斷的dV/dt可以分別控制，從而改善了開(kāi)關(guān)過(guò)程，減少了開(kāi)關(guān)損耗。

　　3.2 設(shè)計(jì)中需要特別注意的問(wèn)題

　　在任何時(shí)候都不能使過(guò)流檢測(cè)管腳CX直接接到IGBT的集電極，而需通過(guò)二極管連接。其反向承受的峰值電壓應(yīng)超過(guò)逆變器直流側(cè)電壓的60%,以防止高壓串入驅(qū)動(dòng)電路。

　　在管腳Visox和Lsx之間需串接一個(gè)電阻和發(fā)光二極管以指示通道X的工作狀態(tài)，在正常情況下，發(fā)光二極管發(fā)光，而在發(fā)生短路和欠壓故障時(shí)，發(fā)光二極管熄滅。但由于制作工藝上的原因，管腳Lsx對(duì)于干擾極為敏感，因此，在設(shè)計(jì)中若要指示狀態(tài)，應(yīng)把發(fā)光二極管接在電路板上盡量靠近輸出端的地方，若不需狀態(tài)指示，則必須把管腳Lsx和COMx短接。千萬(wàn)不要通過(guò)很長(zhǎng)的引線將發(fā)光二極管引出，或者將Lsx端懸空，否則會(huì)因電磁干擾的引入使整個(gè)電路不能正常工作。

　　電容CGEX 是根據(jù)高壓IGBT開(kāi)通時(shí)的特殊性來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)通時(shí)di/dt、dV/dt的分別控制。選取時(shí)要反復(fù)調(diào)試，否則會(huì)使驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)發(fā)生振蕩。

　　3.3 門極驅(qū)動(dòng)布線

　　門極驅(qū)動(dòng)布線對(duì)防止?jié)撛诘恼袷帯p慢門極電壓的上升、減少噪聲損耗、降低門極電源電壓或減少門極保護(hù)電路的動(dòng)作次數(shù)有很大的影響。因此，門極布線的設(shè)計(jì)必須依從以下的原則：

　?。?） 布線必須將驅(qū)動(dòng)器的輸出級(jí)和IGBT之間的寄生電感減至，這相當(dāng)于把門極的連線和發(fā)射極的連線之間包圍的環(huán)路面積減至。

　?。?） 必須正確放置門極驅(qū)動(dòng)板，以防止功率電路和控制電路之間的電感耦合。

　?。?） PCB板的條線之間不宜太過(guò)靠近，否則IGBT的開(kāi)關(guān)會(huì)使其相互電位改變，因?yàn)檫^(guò)高的dV/dt會(huì)通過(guò)寄生電容耦合噪聲。

　　（4） 安裝時(shí)，為縮短連線，應(yīng)把驅(qū)動(dòng)板直接用螺絲擰在IGBT模塊上。

　　4 結(jié)論

　　通過(guò)以上介紹可知，高壓IGBT驅(qū)動(dòng)模塊2SD315A-33具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　?。?）只需簡(jiǎn)單調(diào)整MOD腳，就可使該電路在半橋模式和直接模式下運(yùn)行。

　?。?）該驅(qū)動(dòng)模塊的接口非常簡(jiǎn)單，能處理所有從5V～15V電平的邏輯信號(hào)。由于輸入口內(nèi)部有施密特觸發(fā)器，它對(duì)輸入端信號(hào)無(wú)特殊的邊沿陡度要求，而且狀態(tài)反饋輸出端設(shè)計(jì)為集電極開(kāi)路，因此，該電路可以適應(yīng)任何電平邏輯。

　　（3）由于采用雙極性的驅(qū)動(dòng)電壓（15V），使得任何廠家的各種級(jí)別的IGBT模塊都可安全運(yùn)行；負(fù)偏置的使用使得電路的抗干擾能力大大增強(qiáng)，這樣就很容易實(shí)現(xiàn)IGBT模塊的并聯(lián)。

　?。?）內(nèi)部電壓隔離使得即使是多個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊，也可以共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)電源，這不但省去了人力和資金，而且電磁干擾程度也大大降低。

　?。?）過(guò)流保護(hù)能準(zhǔn)確無(wú)誤的動(dòng)作，且簡(jiǎn)單易調(diào)。同時(shí)具有欠壓保護(hù)功能，并采取與過(guò)流保護(hù)同樣的措施。

　?。?）用變壓器作隔離輸出級(jí)使得該驅(qū)動(dòng)模塊可用在控制回路與電力回路電位相差較大或電位變化較大的裝置中，同時(shí)脈沖變壓器的雙向工作，既可傳輸驅(qū)動(dòng)信號(hào)，也可傳輸反饋信號(hào)。