優(yōu)勢供應(yīng)FZ2400R12KE3英飛凌1單元1700V IGBT模塊
最大電流:2400A
電大電壓:1200V
飽和壓降:1.7V
工藝:IGBT3
封裝:IHM130MM
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關(guān)于IGBT的驅(qū)動特性分析
IGBT驅(qū)動電路原理示意圖
為了提高系統(tǒng)的可靠性，功率器件的驅(qū)動電路也在不斷的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了許多的專用驅(qū)動集成電路。IGBT的觸發(fā)和關(guān)斷要求給柵極和發(fā)射極之間加上正向電壓和負向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動電路產(chǎn)生。當選擇這些驅(qū)動電路時，必須基于以下的參數(shù)來進行：器件的關(guān)斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。圖1為一典型的IGBT驅(qū)動電路原理示意圖。因為IGBT柵極-發(fā)射極阻抗大，F(xiàn)Z2400R12KE3故此可使用MOSFET驅(qū)動技術(shù)進行開通，不過由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，IGBT的關(guān)斷偏壓應(yīng)該比許多MOSFET驅(qū)動電路提供的偏壓更強。
對IGBT驅(qū)動電路的一般要求[2,3]：
1）柵極驅(qū)動電壓：IGBT開通時，正向柵極電壓的值應(yīng)該足夠令I(lǐng)GBT產(chǎn)生完全飽和，并使通態(tài)損耗減至最小，同時也應(yīng)限制短路電流和它所帶來的功率應(yīng)力。在任何情況下，開通時的柵極驅(qū)動電壓，應(yīng)該在15～20 V之間。當柵極電壓為零時，IGBT處于斷態(tài)。但是，為了保證IGBT在集電極-發(fā)射極電壓上出現(xiàn)dv/dt噪聲時仍保持關(guān)斷，必須在柵極上施加一個反向關(guān)斷偏壓，采用反向偏壓還減少了關(guān)斷損耗。反向偏壓應(yīng)該在-5～-15V之間。
2）串聯(lián)柵極電阻（Rg）：選擇適當?shù)臇艠O串聯(lián)電阻對IGBT柵極驅(qū)動相當重要。IGBT的開通和關(guān)斷是通過柵極電路的充放電來實現(xiàn)的，因此柵極電阻值將對IGBT的動態(tài)特性產(chǎn)生極大的影響。數(shù)值較小的電阻是柵極電容的充放電較快，從而減小開關(guān)時間和開關(guān)損耗。所以，較小的柵極電阻增強了器件工作的耐固性（可避免dv/dt帶來的誤導(dǎo)通），F(xiàn)Z2400R12KE3但與此同時，它只能承受較小的柵極噪聲，并可能導(dǎo)致柵極-發(fā)射極電容和柵極驅(qū)動導(dǎo)線的寄生電感產(chǎn)生振蕩。
3）柵極驅(qū)動功率：IGBT的開關(guān)要消耗來自柵極電源的功率，其功率受柵極驅(qū)動正、負偏置電壓的差值△VGE、FZ2400R12KE3柵極總電荷QG和工作開關(guān)頻率fs的影響。電源的最大峰值電流IGPK為：IGPK=±（ΔVGE/Rg），電源的平均功率PAV為：PAV=ΔVGE×QG×fs。
本文中，將對幾種最新的用于驅(qū)動1 700 V IGBT的高性能集成電路做詳細的介紹，討論其選型方法和特點及使用過程中的注意事項。
3 驅(qū)動1 700 V IGBT的幾種集成芯片
3.1 M579..Series高性能驅(qū)動IC
M579..Series是日本三菱公司為IGBT驅(qū)動提供的一種IC系列，表1給出了這種系列的幾種芯片的基本應(yīng)用特性（其中有*者為芯片內(nèi)部含有Booster電路）。
M57962K內(nèi)部功能框圖
M57962K驅(qū)動大功率IGBT模塊時的典型電路圖
在M579..Series中，以M57962K-01為例進行介紹。隨著逆變器功率的增大、電壓等級升高和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，驅(qū)動信號的抗干擾能力顯得尤為重要，比較有效的辦法就是提高驅(qū)動信號關(guān)斷IGBT時的負電壓，M57962K-01的負電源是外加的，所以實現(xiàn)起來比較方便。它的功能框圖如圖2所示，對此不做詳細介紹。圖3給出了M57962K在驅(qū)動大功率1 700 V IGBT模塊時的典型電路圖。在這種電路中，選用NPN和PNP快速晶體管（tf≤200 ns）構(gòu)成電壓提升電路，并且要有足夠的電流增益以承載需要的電流。
表1 M579..Series的基本應(yīng)用特性
在使用M57962K驅(qū)動大功率1 700 V IGBT模塊時，應(yīng)注意以下3個方面的問題。
1)驅(qū)動芯片的最大輸出電流峰值受柵極電阻Rg的最小值限制，例如，對于M57962K來說，Rg的允許值在5 Ω左右，這個值對于大功率的IGBT來說高了一些，且當Rg較高時，會引起IGBT的開關(guān)上升時間td（on）、下降時間td（off）以及開關(guān)損耗的增大，在較高開關(guān)頻率（5 kHz以上）應(yīng)用時，這些附加損耗是不可接受的。
2) 必須考慮驅(qū)動電路的功耗，當開關(guān)頻率高到一定程度時（高于14 kHz），會引起驅(qū)動芯片過熱。
3)驅(qū)動電路緩慢的關(guān)斷會使大功率IGBT模塊的開關(guān)效率降低，這是因為大功率IGBT模塊的柵極寄生電容相對比較大，而驅(qū)動電路的輸出阻抗不夠低。還有，驅(qū)動電路緩慢的關(guān)斷還會使大功率IGBT模塊需要較大的吸收電容。
以上這3種限制在設(shè)計中設(shè)計不當可能會產(chǎn)生嚴重的后果，但通過附加的Booster電路都可以加以克服,如圖3所示。
圖4給出了M57962K驅(qū)動IGBT時過電流情況下的波形。從圖4a中可以看出，在IGBT過電流的時候，過流信號輸出以后，門極電壓會以一個緩慢的斜率下降。圖4b、圖4c給出了IGBT短路時的軟關(guān)斷過程（集電極-發(fā)射極之間的電壓VCE和集電極電流IC的軟關(guān)斷波形）。
3.2 2SD--.Series 高性能驅(qū)動IC[4]
2SD--.Series是瑞士CONCEPT公司生產(chǎn)的一種專用于高電壓、大電流IGBT的集驅(qū)動、保護等功能于一體的復(fù)合驅(qū)動電路。該驅(qū)動電路的供電僅需提供單電源，使其應(yīng)用起來更為方便，通過內(nèi)部的DC/DC電路產(chǎn)生±15 V驅(qū)動電源，開關(guān)頻率可大于100 kHz，且具有高可靠和長壽命特性，可驅(qū)動1 200 V、1 700 V、3 300 V等電壓等級、大電流的IGBT。表2給出了這種系列的幾種驅(qū)動模塊的基本應(yīng)用參數(shù)。
表2 2SD..Series的基本特性
以660 V電壓等級變頻器設(shè)計為例，選取2SD106AI-17、2SD315AI驅(qū)動模塊來分別驅(qū)動BSM150GB170DLC和 FP200R170KE3三個并聯(lián)。下面針對2SD106AI-17進行詳細地介紹。2SD106AI-17的功能框圖如圖5所示。由圖可見：2SD106AI-17由電子接口LDI 、智能柵極驅(qū)動IGD和15 v DC／DC電源組成。該驅(qū)動板主要有兩個功能塊。其中一號功能塊為LDI（邏輯與驅(qū)動之間的接口），每一個LDI可驅(qū)動兩路。加在輸入端的PWM信號通過脈沖變壓器隔離后，即可輸出驅(qū)動信號，以驅(qū)動IGBT工作。二號功能塊為IGD（智能柵極驅(qū)動），該功能塊工作時，每路用一個IGD從脈沖變壓器接收編碼脈沖信號，然后解碼出原始的PWM信號，經(jīng)過功率放大，可給IGBT柵極提供數(shù)安培的驅(qū)動電流。
2SD106AI-17內(nèi)部功能框圖
2SD106AI-17驅(qū)動模塊電路圖
驅(qū)動150A/1700V IGBT模塊電路設(shè)計圖
3.3 驅(qū)動1 700 V IGBT高性能IC的選型設(shè)計分析
驅(qū)動1 700 V IGBT集成電路和常用的驅(qū)動1 200 V IGBT 的系列電路有以下區(qū)別。
1) 2SD106AI-17具有短路和過流以及電源監(jiān)測功能，另外每路還都具有一個欠壓監(jiān)測電路。對于短路和過流保護來說，驅(qū)動中的每路都有一個Vce監(jiān)測電路。Rth為關(guān)斷閾值的參考電阻。而當Vce出現(xiàn)故障后，鎖定時間功能開始啟動，并在鎖定時間內(nèi)使驅(qū)動器鎖定IGBT，而不再接受輸入信號。一旦Vce超過由Rth設(shè)定的閾值，鎖定將立即啟動。同時在直接模式下（將MOD輸入與V相連，RC1和RC2接地，即為直接模式），狀態(tài)輸出端SO1和SO2分別返回，因此當出現(xiàn)故障時，可以方便地根據(jù)狀態(tài)輸出端的信號確定故障出現(xiàn)在那一路。而當檢測到故障消失后立即恢復(fù)驅(qū)動器輸出。
2) 2SD106AI-17驅(qū)動器的輸入電平與５ V、15 V的邏輯電平相匹配，可不加任何元件而直接與邏輯電路相連。在實際應(yīng)用中這一點是非常方便的。若用5 V輸入電平時信號連線不能太長，因為在這種情況下，拉長線對5 V電平的電磁干擾是非常嚴重的，有時甚至不能正常工作，為了獲得較高的信噪比，應(yīng)使用15 V電平，則可通過較長的電纜相連，但實際應(yīng)用中驅(qū)動線越短越好。
3)根據(jù)實際要求可方便地設(shè)置IGBT保護關(guān)斷閾值。2SD106AI-17驅(qū)動器有專用的Rth端（參考電阻），可通過選擇接在Rth端的參考電阻來確定IGBT的保護關(guān)斷閾值。當驅(qū)動器檢測到Vce的電壓值超過Rth端的電壓時，將啟動IGBT保護功能。此時驅(qū)動器內(nèi)部電流源將提供150 μＡ的電流。參考電阻值可通過下列公式來計算：Rth＝Vth/150 μＡ
若Vth為5.85 Ｖ時，Rth應(yīng)選擇39 kΩ的電阻。
4）2SD106AI-17有兩種工作模式：直接模式和半橋模式。在直接模式下，各路驅(qū)動將獨立地工作。該模式可用于已產(chǎn)生死區(qū)時間的PWM信號的驅(qū)動，也可用于驅(qū)動獨立工作的各路IGB，前面已介紹過此種接法。另一種是半橋模式（將MOD輸入接地即為半橋模式），在這種模式下通過與RC1和RC2相連的RC網(wǎng)絡(luò)可獲得數(shù)百納秒的可調(diào)死區(qū)時間。當輸入端Ｂ為低電平時，兩路IGBT都被關(guān)斷，即輸入IA為PWM輸入，IB為使能輸入。在VL/R輸入端接上4.7 V齊納二極管可使輸入端IA和IB設(shè)置在TTL電平。由于該模式下的狀態(tài)輸出SO1和SO2連接在一起，因此，兩路故障為“或”的關(guān)系。當RC網(wǎng)絡(luò)為10 kΩ/100 pF時，死區(qū)時間為500 s。
5) 2SD106AI-17驅(qū)動模塊外圍電路簡單，只需提供+15 V電源。
6) 2SD106AI-17組成的驅(qū)動板具有驅(qū)動能力強、可靠性高、多種保護功能等特點，同時體積較大、價格較高的缺點在成本控制設(shè)計中需重點考慮。
4、結(jié)束語
隨著IGBT的制造技術(shù)的提高，相繼出現(xiàn)了電壓等級越來越高、額定功率越來越大的單管、兩單元IGBT模塊及六單元IGBT模塊。隨之而來的問題是，在惡劣的電磁環(huán)境下，如何提高高耐壓IGBT的驅(qū)動電路的可靠性。三菱、Concept等公司相繼推出的高性能職能驅(qū)動IC為設(shè)計人員和IGBT應(yīng)用廠家提供了很好的驅(qū)動方案。通過在660 V/200 KW變頻器上應(yīng)用及現(xiàn)場運行驗證，文中介紹的驅(qū)動方案具有很好的可靠性。同時成本和安裝體積問題是設(shè)計人員在自主設(shè)計高可靠、小型化、多功能、專用驅(qū)動電路時要考慮的問題。
