驱动1700VIGBT的几种高性能IC选型设计-中国电

1驱动1700VIGBT的几种高性能IC选型设计王建渊苟亚仙西安理工大学博世力士乐电子传动与控制（深圳）有限公司摘要：通过对几种常用的1700VIGBT驱动专用集成电路进行详细的分析，对M579...Series和CONCEPT公司的2SD--.Series进行深入的讨论，给出了电气特性参数和内部功能框图，设计了典型应用电路，讨论了使用要点及注意事项。根据每种IC驱动IGBT试验，验证了各自的特点及驱动1700VIGBT时的性能。关键词：1700VIGBT集成电路高性能ChoosingDesignofSeveralHighPerformanceICsforDriving1700VIGBTWangJianyuanGouYaxianAbstract：DetailanalysisareprovidedforseveralusuallyusedspecialICofdriving1700VIGBT,deepdiscussionisputupforM579...Seriesand2SD--.SeriesproductofCONCEPTcompany,electricperformanceparameterandinnerfunctionblockdiagramaregiven,typicalapplyingcircuitsaredesigned,noticeproceedingsandusingoutlinearediscussed.AccordingtodrivingexperimentsofeachIC,thecharacteristicsandperformancesofdriving1700VIGBTwerevalidated.Keywords：1700VIGBTIChighperformance1引言电力电子变换技术的发展，使得各种各样的电力电子器件得到了迅速的发展。20世纪80年代，为了给高电压应用环境提供一种高输入阻抗的器件，有人提出了绝缘栅双极晶体管（IGBT）[1]。在IGBT中，用一个MOS门极区来控制宽基区的高电压双极型晶体管的电流传输，这就产生了一种具有功率MOSFET的高输入阻抗与双极型器件优越通态特性相结合的非常诱人的器件，它具有控制功率小、开关速度快和电流处理能力大、饱和压降低等性能。在中小功率、低噪音和高性能的电源、逆变器、不间断电源（UPS）和交流电机调速装置的设计中，是目前最为常用的一种器件。2关于IGBT的驱动特性分析为了提高系统的可靠性，功率器件的驱动电路也在不断的发展，相继出现了许多的专用驱动集成电路。IGBT的触发和关断要求给栅极和发射极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件的关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情2况。图1为一典型的IGBT驱动电路原理示意图。因为IGBT栅极-发射极阻抗大，故此可使用MOSFET驱动技术进行开通，不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大，IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更强。图1典型的IGBT栅极驱动电路对IGBT驱动电路的一般要求[2,3]：1）栅极驱动电压：IGBT开通时，正向栅极电压的值应该足够令IGBT产生完全饱和，并使通态损耗减至最小，同时也应限制短路电流和它所带来的功率应力。在任何情况下，开通时的栅极驱动电压，应该在15～20V之间。当栅极电压为零时，IGBT处于断态。但是，为了保证IGBT在集电极-发射极电压上出现dv/dt噪声时仍保持关断，必须在栅极上施加一个反向关断偏压，采用反向偏压还减少了关断损耗。反向偏压应该在-5～-15V之间。2）串联栅极电阻（Rg）：选择适当的栅极串联电阻对IGBT栅极驱动相当重要。IGBT的开通和关断是通过栅极电路的充放电来实现的，因此栅极电阻值将对IGBT的动态特性产生极大的影响。数值较小的电阻是栅极电容的充放电较快，从而减小开关时间和开关损耗。所以，较小的栅极电阻增强了器件工作的耐固性（可避免dv/dt带来的误导通），但与此同时，它只能承受较小的栅极噪声，并可能导致栅极-发射极电容和栅极驱动导线的寄生电感产生振荡。3）栅极驱动功率：IGBT的开关要消耗来自栅极电源的功率，其功率受栅极驱动正、负偏置电压的差值△VGE、栅极总电荷QG和工作开关频率fs的影响。电源的最大峰值电流IGPK为：IGPK=±（ΔVGE/Rg），电源的平均功率PAV为：PAV=ΔVGE×QG×fs。本文中，将对几种最新的用于驱动1700VIGBT的高性能集成电路做详细的介绍，讨论其选型方法和特点及使用过程中的注意事项。3驱动1700VIGBT的几种集成芯片3.1M579..Series高性能驱动ICM579..Series是日本三菱公司为IGBT驱动提供的一种IC系列，表1给出了这种系列的几种芯片的基本应用特性（其中有*者为芯片内部含有3Booster电路）。在M579..Series中，以M57962K-01为例进行介绍。随着逆变器功率的增大、电压等级升高和结构的复杂，驱动信号的抗干扰能力显得尤为重要，比较有效的办法就是提高驱动信号关断IGBT时的负电压，M57962K-01的负电源是外加的，所以实现起来比较方便。它的功能框图如图2所示，对此不做详细介绍。图3给出了M57962K在驱动大功率1700VIGBT模块时的典型电路图。在这种电路中，选用NPN和PNP快速晶体管（tf≤200ns）构成电压提升电路，并且要有足够的电流增益以承载需要的电流。表1M579..Series的基本应用特性M579..Series峰值输出电流短路保护电路直接应用驱动模块范围1200V以下的IGBT1700VIGBTM57962AL5Amps有≤400A≤400（可靠性差）M57962K-015Amps有≤400A≤400A在使用M57962K驱动大功率1700VIGBT模块时，应注意以下3个方面的问题。1)驱动芯片的最大输出电流峰值受栅极电阻Rg的最小值限制，例如，对于M57962K来说，Rg的允许值在5Ω左右，这个值对于大功率的IGBT来说高了一些，且当Rg较高时，会引起IGBT的开关上升时间td（on）、下降时间td（off）以及开关损耗的增大，在较高开关频率（5kHz以上）应用时，这些附加损耗是不可接受的。2)必须考虑驱动电路的功耗，当开关频率高到一定程度时（高于14kHz），会引起驱动芯片过热。3)驱动电路缓慢的关断会使大功率IGBT模块的开关效率降低，这是因为大功率IGBT模块的栅极寄生电容相对比较大，而驱动电路的输出阻抗不够低。还有，驱动电路缓慢的关断还会使大功率IGBT模块需要较大的吸收电容。以上这3种限制在设计中设计不当可能会产生严重的后果，但通过附加的Booster电路都可以加以克服,如图3所示。图2M57962K内部功能框图图3M57962K驱动大功率IGBT模块时的典型电路图图4给出了M57962K驱动IGBT时过电流情4况下的波形。从图4a中可以看出，在IGBT过电流的时候，过流信号输出以后，门极电压会以一个缓慢的斜率下降。图4b、图4c给出了IGBT短路时的软关断过程（集电极-发射极之间的电压VCE和集电极电流IC的软关断波形）。(a)(b)(c)图4M57962K驱动IGBT时过电流情况下的波形3.22SD--.Series高性能驱动IC[4]2SD--.Series是瑞士CONCEPT公司生产的一种专用于高电压、大电流IGBT的集驱动、保护等功能于一体的复合驱动电路。该驱动电路的供电仅需提供单电源，使其应用起来更为方便，通过内部的DC/DC电路产生±15V驱动电源，开关频率可大于100kHz，且具有高可靠和长寿命特性，可驱动1200V、1700V、3300V等电压等级、大电流的IGBT。表2给出了这种系列的几种驱动模块的基本应用参数。表22SD..Series的基本特性2SD..Series峰值输出电流短路、过流保护电路直接应用驱动模块范围1200V以下的IGBT1700VIGBT2SD106AI6Amps(两单元)有≤400A-2SD106AI-176Amp(两单元)有-≤400A2SD315AI18Amp(两单元)有-≤1200A6SD106EI6Amp(六单元)有≤400A-6SD106EI-176Amps(六单元)有-≤400A以660V电压等级变频器设计为例，选取2SD106AI-17、2SD315AI驱动模块来分别驱动BSM150GB170DLC和FP200R170KE3三个并联。下面针对2SD106AI-17进行详细地介绍。2SD106AI-17的功能框图如图5所示。由图可见：2SD106AI-17由电子接口LDI、智能栅极驱动IGD和15vDC／DC电源组成。该驱动板主要有两个功能块。其中一号功能块为LDI（逻辑与驱动之间的接口），每一个LDI可驱动两路。加在输入端的PWM信号通过脉冲变压器隔离后，即5可输出驱动信号，以驱动IGBT工作。二号功能块为IGD（智能栅极驱动），该功能块工作时，每路用一个IGD从脉冲变压器接收编码脉冲信号，然后解码出原始的PWM信号，经过功率放大，可给IGBT栅极提供数安培的驱动电流。图52SD106AI-17功能框图图62SD106AI-17驱动模块的电路图图6中给出2SD106AI-17驱动IGBT模块的电路示意图。图7中给出驱动150A/1700VIGBT应用设计图。图7驱动150A/1700VIGBT应用设计电路3.3驱动1700VIGBT高性能IC的选型设计分析驱动1700VIGBT集成电路和常用的驱动1200VIGBT的系列电路有以下区别。1)2SD106AI-17具有短路和过流以及电源监测功能，另外每路还都具有一个欠压监测电路。对于短路和过流保护来说，驱动中的每路都有一个Vce监测电路。Rth为关断阈值的参考电阻。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。一旦Vce超过由Rth设定的阈值，锁定将立即启动。同时在直接模式下（将MOD输入与V相连，RC1和RC2接地，即为直接模式），状态输出端SO1和SO2分别返回，因此当出现故障时，可以方便地根据状态输出端的信号确定故障出现在那一路。而当检测到故障消失后立即恢复驱动器输出。2)2SD106AI-17驱动器的输入电平与５V、15V的逻辑电平相匹配，可不加任何元件而直接与逻辑电路相连。在实际应用中这一点是非常方便的。若用5V输入电平时信号连线不能太长，因为在这种情况下，拉长线对5V电平的电磁干扰是非常严重的，有时甚至不能正常工作，为了6获得较高的信噪比，应使用15V电平，则可通过较长的电缆相连，但实际应用中驱动线越短越好。3)根据实际要求可方便地设置IGBT保护关断阈值。2SD106AI-17驱动器有专用的Rth端（参考电阻），可通过选择接在Rth端的参考电阻来确定IGBT的保护关断阈值。当驱动器检测到Vce的电压值超过Rth端的电压时，将启动IGBT保护功能。此时驱动器内部电流源将提供150μＡ的电流。参考电阻值可通过下列公式来计算：Rth＝Vth/150μＡ若Vth为5.85Ｖ时，Rth应选择39kΩ的电阻。4）2SD106AI-17有两种工作模式：直接模式和半桥模式。在直接模式下，各路驱动将独立地工作。该模式可用于已产生死区时间的PWM信号的驱动，也可用于驱动独立工作的各路IGB，前面已介绍过此种接法。另一种是半桥模式（将MOD输入接地即为半桥模式），在这种模式下通过与RC1和RC2相连的RC网络可获得数百纳秒的可调死区时间。当输入端Ｂ为低电平时，两路IGBT都被关断，即输入IA为PWM输入，IB为使能输入。在VL/R输入端接上4.7V齐纳二极管可使输入端IA和IB设置在TTL电平。由于该模式下的状态输出SO1和SO2连接在一起，因此，两路故障为“或”的关系。当RC网络为10kΩ/100pF时，死区时间为500s。5)2SD106