1 引言
由于電能需求增加，提高電能的利用效率成為當(dāng)前急需解決的問題。igbt(絕緣柵雙極晶體管)作為一種高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降的功率器件，在功率變換領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛。igbt驅(qū)動(dòng)器作為igbt的可靠應(yīng)用，充分發(fā)揮其性能的關(guān)鍵，其性能關(guān)系到系統(tǒng)的效率與可靠性。在大功率的功率變換器中，國外的igbt驅(qū)動(dòng)器，包括semikron，eupec及concept的產(chǎn)品應(yīng)用比較廣泛。本文以concept公司的大功率igbt驅(qū)動(dòng)器2sd315a為例，分析其工作原理并給出相關(guān)的測試結(jié)果和應(yīng)用說明。

2 2sd315a基本功能
2sd315a具有集成度高，隔離電壓高和驅(qū)動(dòng)功率大等特點(diǎn)，適用于并聯(lián)運(yùn)用的igbt模塊或大功率的igbt模塊的驅(qū)動(dòng)。2sd315a有兩種工作模式，即半橋模式和直接模式，在半橋模式下還可直接產(chǎn)生和控制死區(qū)時(shí)間，其最高開關(guān)頻率可達(dá)100khz，在直接模式下控制信號占空比可連續(xù)(0～100%)可調(diào)。其主要電路由三個(gè)功能塊組成，如圖1所示。

圖1 2sd315a結(jié)構(gòu)框圖

第一功能塊是輔助電源和信號輸入兩塊組成，其中一塊ldi (logic to driver interface，邏輯驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換接口)是將主控制板中的pwm信號進(jìn)行整形放大，并根據(jù)需要進(jìn)行控制，之后傳遞到信號變壓器，同時(shí)其也檢測從信號變壓器回傳的故障信號，將故障信號處理后發(fā)送到故障輸出端；輔助電源的功能是將輸入的直流電能經(jīng)過單端反激式變換電路，轉(zhuǎn)換成兩路隔離電源供輸出驅(qū)動(dòng)放大器使用。需注意邏輯輸入部分的地與輔助電源的地之間在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部沒有進(jìn)行電氣連接。
第二功能模塊是電氣隔離模塊。它由兩部分組成，一部分是兩個(gè)傳遞信號的脈沖變壓器，另一部分是傳遞功率的電源變壓器，通過它為驅(qū)動(dòng)放大電路提供能量。電氣隔離電壓可達(dá)4000vac。
第三功能模塊是驅(qū)動(dòng)信號輸出，igd ( inbbbligent gate driver ，智能柵極驅(qū)動(dòng))主要對信號變壓器的信號進(jìn)行解調(diào)和放大，并檢測輔助電源的輸出直流電壓，當(dāng)電壓低至10.3v后，關(guān)斷igbt，同時(shí)對igbt的短路和過流進(jìn)行檢測，并進(jìn)行故障存儲和短路保護(hù)。

3 正常狀態(tài)工作分析與測試
(1) 內(nèi)置驅(qū)動(dòng)電源
此驅(qū)動(dòng)器自帶隔離型dc/dc變換器作為驅(qū)動(dòng)電源，其采用單端反激式拓?fù)潆娐?，振蕩頻率約為340khz，兩個(gè)副邊繞組輸出兩路+16.8v的電源電壓，單路最大輸出功率為3w。同時(shí)驅(qū)動(dòng)輸出級控制電路對電源電壓幅值進(jìn)行監(jiān)測。原邊有兩路電源，在應(yīng)用時(shí)需將其兩個(gè)gnd在外部進(jìn)行連接。
(2) 選擇工作模式
sd315a驅(qū)動(dòng)器可工作于直接和半橋兩種不同的模式，通過模式選擇端來設(shè)定不同的工作模式(當(dāng)模式選擇端pin8接vdd為直接模式；接gnd為半橋模式)。直接模式下兩路驅(qū)動(dòng)輸出信號由相對應(yīng)的輸入pwm控制信號決定，兩路輸出之間沒有任何關(guān)聯(lián)。輸出波形如圖2所示。半橋模式下兩路輸出信號的邏輯為互鎖關(guān)系，當(dāng)一路輸出為高電平時(shí)，另一路輸出為低電平。輸入端ina的輸入脈沖信號為驅(qū)動(dòng)器兩路輸出的共同pwm信號源，而輸入端inb則為控制pwm信號輸入是否有效的使能端。當(dāng)inb輸入信號為高電平時(shí)，ina輸入信號為有效信號；當(dāng)inb為低電平時(shí)，ina輸入信號為無效，兩路驅(qū)動(dòng)輸出都為低電平，波形輸出如圖3所示。半橋模式下兩路驅(qū)動(dòng)輸出信號之間的死區(qū)時(shí)間可以通過原邊的rc1和rc2端外接不同的阻容來進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖2 直接模式下工作波形

圖3 半橋模式下工作波形

(3) 信號調(diào)制與解調(diào)
2sd315a驅(qū)動(dòng)器是通過脈沖變壓器實(shí)現(xiàn)控制級與功率級之間的信號隔離與傳輸。原邊采用了集成ic“l(fā)di001”對輸入pwm控制信號進(jìn)行邏輯處理與調(diào)制，將pwm脈沖信號調(diào)制為與其上升沿和下降沿相對應(yīng)的尖脈沖，通過脈沖變壓器將尖脈沖傳遞到次級。次級再通過“igd001”集成ic將尖脈沖解調(diào)還原為pwm脈沖信號。具體波形如圖4所示：ch1為控制輸入的pwm信號；ch2為調(diào)制出到脈沖變壓器的尖脈沖；ch3為次級脈沖變壓器的尖脈沖；ch4為解調(diào)后的pwm信號輸出。

圖4 信號的調(diào)制與解調(diào)

(4) 驅(qū)動(dòng)輸出級
2sd315a驅(qū)動(dòng)器輸出級采用全橋式放大電路，每三只pnp管并聯(lián)運(yùn)用，總共有12只pnp管組成一個(gè)全橋電路，每一路驅(qū)動(dòng)輸出的峰值電流高達(dá)±18a，最大輸出功率為每路3w。在應(yīng)用電路中igbt所需的實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功率與igbt的實(shí)現(xiàn)開關(guān)頻率、igbt的柵極電荷以及驅(qū)動(dòng)電壓的幅值有關(guān)。具體計(jì)算公式為：pg=f_sw×q_g×u_g。q_g為柵極電荷，而驅(qū)動(dòng)的峰值電流是由驅(qū)動(dòng)電壓與柵極電阻決定，具體的計(jì)算公式如下:
最大驅(qū)動(dòng)峰值電流:
i_gmax = δu / r_gmin
δu=u_gon+∣u_goff∣
r_gmin= r_g+r_g’
其中δu為柵極電壓幅值，u_gon為igbt開通時(shí)柵極對發(fā)射極之間的電壓(本驅(qū)動(dòng)器為15v)，u_goff為igbt關(guān)斷時(shí)柵極對發(fā)射極的電壓(本驅(qū)動(dòng)器為-15v)；r_gmin為最小柵極電阻，r_g為外電路所接的電阻值；rg’為igbt柵極內(nèi)部電阻及外部線路的內(nèi)阻。
驅(qū)動(dòng)器所需功率可以分為驅(qū)動(dòng)本身的功耗加上驅(qū)動(dòng)igbt所需功耗：
p = p_g + p_gs
在實(shí)際應(yīng)用中，在igbt的柵極電荷未知的情況下，可以通過柵極輸入等效電容近似計(jì)算，p_g =δu²f(3c_in)
其中p為總的驅(qū)動(dòng)功率；p_g 為驅(qū)動(dòng)igbt需要的實(shí)際功率；p_gs為驅(qū)動(dòng)功耗；δu為柵極幅值電壓；f為工作頻率；c_in 為柵極等效電容值。

4 保護(hù)工作狀態(tài)分析與測試
2sd315a帶有驅(qū)動(dòng)電源欠壓保護(hù)和igbt過流和短路保護(hù)功能。當(dāng)出現(xiàn)故障后輸出側(cè)igd001將立即關(guān)斷igbt，同時(shí)將故障信號傳送到輸入側(cè)，ldi001將確認(rèn)故障信號，并將故障信號輸出。輸出側(cè)igd001在故障發(fā)生后將故障信號傳送到輸入側(cè)的同時(shí)將故障信號在輸出側(cè)的狀態(tài)輸出端顯示。
4.1 故障檢測
2sd315a采用檢測igbt的欠飽和壓降的方法來判斷igbt是否過流或發(fā)生短路。為了保證防止外部電路對基準(zhǔn)信號產(chǎn)生干擾，影響保護(hù)電路門限的精確性和可靠性，igd001內(nèi)部采用恒流源電路產(chǎn)生相關(guān)的基準(zhǔn)信號。
4.2 故障確認(rèn)
當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)輸出為低電平時(shí)，保護(hù)電路檢測集電極電位的電路處于無效狀態(tài)，保護(hù)電路不工作。而當(dāng)柵極輸出為高電平時(shí)，集電極檢測回路有效，而發(fā)射極檢測端開始緩慢放電，當(dāng)集電極檢測電位高于發(fā)射極檢測端的放電電位時(shí)，保護(hù)電路將關(guān)斷igbt。如圖5所示。ch1為igbt集電極檢測；ch2為外接電阻rth檢測。

圖5 故障信號的檢測與比較

4.3 故障鎖存與復(fù)位
當(dāng)igbt發(fā)生故障后，驅(qū)動(dòng)器將關(guān)斷igbt，封鎖外部輸入信號，并鎖存故障信號，延時(shí)1秒后電路自動(dòng)復(fù)位，如果此時(shí)pwm信號輸入，則驅(qū)動(dòng)恢復(fù)正常輸出。

5 應(yīng)用注意事項(xiàng)
2sd315a在應(yīng)用中還需要注意以下幾點(diǎn)：
(1)由于該驅(qū)動(dòng)器兼容ttl與cmos電平，當(dāng)信號輸入為ttl電平時(shí)，輸入側(cè)的vl端對地需接4.7v的穩(wěn)壓管；
(2)由于此驅(qū)動(dòng)器本身電源不帶有過流和短路保護(hù)，所以在使用中不可外接其他負(fù)載或輸出電源短路和柵極與發(fā)射極短路；
(3)驅(qū)動(dòng)器輸出到igbt柵極電阻之引線要盡可能短，最好使用扁平線或雙絞線引出，要使線路雜散電感最??；
(4) 由于驅(qū)動(dòng)器的柵極驅(qū)動(dòng)輸出的開通與關(guān)斷采用同一個(gè)端子，為減少關(guān)斷時(shí)igbt集電極的電壓過沖，可以采用圖6的方法，柵極電阻可有2個(gè)電阻相串聯(lián)組成，在開通時(shí)柵極電阻為r_on，關(guān)斷時(shí)柵極電阻為r_on加上r_off。

圖6 改進(jìn)的柵極電阻接法

6 結(jié)束語
通過以上的測試與分析，可以使用戶了解2sd315a的基本工作原理，在實(shí)際應(yīng)用中設(shè)計(jì)出更為合理的應(yīng)用電路，充分發(fā)揮驅(qū)動(dòng)器的各項(xiàng)特性，更合理、高效、可靠地驅(qū)動(dòng)igbt，提高系統(tǒng)的可靠性。

作者簡介
姜奮平 男 高級工程師，現(xiàn)任職于廣州金升陽科技有限公司。

參考文獻(xiàn)
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