基于2SC0108T的即插即用型IGBT驅動(dòng)器

　　由Q101、Q102構成的電路網(wǎng)絡(luò )主要完成兩路信號的互鎖和死區時(shí)間的設定，兩路驅動(dòng)信號的死區時(shí)間可以通過(guò)穩壓管D108、D109的穩壓值來(lái)調節，直接模式下（Rm=150 k），穩壓管D108、D109的穩壓值為3.3 V。硬件死區電路有效時(shí)，經(jīng)試驗測得死區時(shí)間為5.08 μs，死區時(shí)間可以滿(mǎn)足實(shí)際工程中的需要。表1為互鎖電路信號作用表。

　　由表1可知，2SC0108T工作在直接模式下，由于有互鎖電路，避免了IGBT上下直通的可能。

表1 互鎖電路信號作用表

　　2.3 故障信號調理電路

　　故障狀態(tài)輸出端SO1、SO2實(shí)時(shí)顯示IGBT模塊和供電電源的狀態(tài)，并通過(guò)故障報警信號調理電路上報控制器。

　　因故障狀態(tài)輸出端SO1、SO2為集電極開(kāi)路門(mén)電路，外部需接上拉電阻。當故障（初級側欠壓、二次側欠壓、IGBT過(guò)流或短路）發(fā)生時(shí)，相應的SOx輸出低電平；否則，輸出高電平。如果電源電壓欠壓，封鎖驅動(dòng)器并且兩個(gè)故障輸出端同時(shí)發(fā)出報警信號，直到電源電壓工作正常。當二次側發(fā)生故障（檢測到IGBT模塊短路或電源欠壓）時(shí)，相應的故障輸出端發(fā)出報警信號，在一個(gè)死區時(shí)間過(guò)后，相應的故障信號消失。所有故障狀態(tài)均通過(guò)故障信號調理電路上報控制器。因故障狀態(tài)輸出端SO1、SO2為集電極開(kāi)路門(mén)電路，故將兩個(gè)故障輸出端直接短接實(shí)現“或非”邏輯，作為故障報警信號公共端。當上述任何一種故障發(fā)生時(shí)，均作為有效故障信號上報控制器，并做相應處理，這樣既可以簡(jiǎn)化電路硬件設計又可以提高驅動(dòng)器的可靠性。經(jīng)試驗測得驅動(dòng)器的欠壓保護門(mén)限值為12.1 V，清除欠壓故障電壓門(mén)限值為12.8 V。

　　2.4 后級功率驅動(dòng)電路

　　IGBT后級驅動(dòng)電路為驅動(dòng)信號輸出通道和IGBT模塊之間的電路接口。二次側欠壓、IGBT過(guò)流或短路故障狀態(tài)的檢測都是由后級功率驅動(dòng)電路實(shí)現，如圖4所示。

圖4 后級功率驅動(dòng)電路

　　VCE為IGBT集電極檢測端，為了檢測IGBT過(guò)流或短路，集電極檢測端須通過(guò)圖4所示的電路連接到IGBT的輔助集電極上。GH和GL分別為柵極開(kāi)啟和關(guān)斷端，通過(guò)開(kāi)啟、關(guān)斷柵極限流串并網(wǎng)絡(luò )連接到IGBT的柵極。柵極限流阻值對驅動(dòng)信號的前后沿陡度和IGBT的開(kāi)關(guān)特性有影響。當阻值增大時(shí)，可以抑制柵極脈沖前后沿陡度、防止寄生振蕩、減小開(kāi)關(guān)dic/dt值、限制IGBT集電極尖峰電壓；當阻值減小時(shí)，可能會(huì )導致G、E之間發(fā)生振蕩以及IGBT集電極dic/dt值增加，引起IGBT集電極尖峰電壓，使IGBT損壞。該功能電路的作用是，若柵極限流電阻發(fā)生開(kāi)路故障，此電阻網(wǎng)絡(luò )的阻值會(huì )增加，可以抑制驅動(dòng)信號前后沿陡度、減小開(kāi)關(guān)dic/dt值，可以保證即使柵極限流網(wǎng)絡(luò )發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，還能夠觸發(fā)IGBT，從而提高柵極后級驅動(dòng)電路的可靠性。

　　二極管D1、D2用于二次側欠壓保護。當柵極驅動(dòng)信號電壓欠壓時(shí)，不能觸發(fā)IGBT導通，二極管因承受正向電壓而導通，集電極檢測端電壓升高到設定值時(shí)，封鎖相應的后級柵極驅動(dòng)通道并通過(guò)故障輸出端發(fā)出報警信號。為了防止誤觸發(fā)，二極管漏電流必須小。因正常導通時(shí)柵極驅動(dòng)電壓為+15 V，IGBT輔助集電極電壓相對較低，為防止二極管反向擊穿，其阻斷電壓應大于40 V。

　　當柵極處于失控狀態(tài)、主電路突加電壓時(shí)，由于集電極-柵極、柵極-發(fā)射極存在寄生電容，集電極電勢的突然變化，就會(huì )有大小為C·du/dt的電流流過(guò)寄生電容（C為寄生電容容值），使柵極電勢上升，誤觸發(fā)IGBT。為防止上述情況的發(fā)生，在GL和VE之間接一電阻Reg，為IGBT的柵極和發(fā)射極提供一個(gè)低阻抗回路，其阻值要求為22 kΩ或更大。

　　REF端內部集成有可以提供150 μA的恒流源，參考電阻Rth的阻值通過(guò)如下公式進(jìn)行計算：

　　式中Vth為關(guān)斷門(mén)限值電壓。

　　此驅動(dòng)器關(guān)少數民族門(mén)限值電壓設置為2.85V，通過(guò)式（4）計算同參考電阻Rth的阻值為：

　　實(shí)際應用中，設計者可以根據IGBT模塊的過(guò)流倍數來(lái)選取合適的關(guān)斷門(mén)限值。

　　CA1、CA2為響應時(shí)間電容，其作用是以電阻Rth端電壓為參考，通過(guò)與其串聯(lián)電阻的充電時(shí)間特性來(lái)確定響應時(shí)間。

　　當觸發(fā)IGBT導通時(shí)，測試信號無(wú)效。而IGBT導通需經(jīng)過(guò)一定的開(kāi)通時(shí)間，如果沒(méi)有響應時(shí)間電容Ca，則在IGBT開(kāi)通過(guò)程中，將導致比較器正極性端電壓高于Vth而誤報警。若電容選擇合適，在IGBT開(kāi)通過(guò)程中，使電容充電時(shí)間大于開(kāi)通時(shí)間即可避免上述情況的發(fā)生。通常情況下，不同額定電流值的IGBT模塊導通壓降不同。額定電流為450 A的IGBT的導通壓降一般情況為2 V，若IGBT工作中發(fā)生過(guò)流，其集電極電壓會(huì )上升，并且正比于電流值。過(guò)流故障發(fā)生前電容Ca的電壓為正常導通壓降，過(guò)流時(shí)電容兩端的電壓與時(shí)間的關(guān)系為：y=2e-t/RC+UCE（1-e-t/RC）。當響應時(shí)間電容為33 pF，電阻R為120 kΩ，Vth為5.85 V，過(guò)流導通壓降UCE為10 V時(shí)的MATLAB仿真曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 仿真曲線(xiàn)

　　實(shí)踐中可以通過(guò)選擇響應時(shí)間電容的容值，關(guān)斷門(mén)限值電壓Vth，IGBT過(guò)流倍數來(lái)計算圖5中t1的值：

　　與傳統的IGBT驅動(dòng)器相比，即插即用型驅動(dòng)器采用了與IGBT模塊一體化的設計思想，減小了驅動(dòng)信號線(xiàn)上寄生電容和寄生電感的影響，提高了驅動(dòng)器的可靠性。本文基于2SC0108的即插即用型IGBT驅動(dòng)器，通過(guò)對前級驅動(dòng)電路、后級功率驅動(dòng)電路及故障信號調理電路的設計，實(shí)現了多工作模式可選、多種故障狀態(tài)檢測及保護等功能。即插即用型IGBT驅動(dòng)器的調試、試驗和工程應用都驗證了本驅動(dòng)器設計的有效性和實(shí)用性。