基于2SC0108T的IGBT驱动器设计

摘  要： 针对IGBT驱动电路复杂且保护功能不尽完善的问题，设计了一个基于2SC0108T的即插即用型IGBT驱动器，以及相应的前级驱动电路、后级功率驱动电路和故障报警电路。该驱动器具有直接模式和半桥模式、驱动信号硬件互锁、硬件死区时间可调节、IGBT过流及短路保护、驱动电源过欠压监控和易于安装的特点。结合英飞凌EconoDUAL3封装IGBT模块，完成了即插即用型IGBT驱动器的硬件设计及调试，有效减小了双绞线传输方式寄生电容及寄生电感的影响。
关键词： IGBT驱动；即插即用型；2SC0108T；硬件保护
       IGBT具有耐压高、电流大、开关速度高和低饱和压降等优良特点，在牵引电传动、电能传输与变换、有源滤波等电力电子领域得到了广泛的应用[1]。
     IGBT模块的保护主要由IGBT驱动器来完成。驱动器是功率主电路与控制电路之间的接口，在充分发挥IGBT的性能、提高系统可靠性等方面发挥着重要作用[2]。高性能的驱动器可使IGBT工作在比较理想的开关状态，如开关延时小、开关损耗低等[3]。本文提出的驱动器设计采用瑞士CONCEPT公司最新推出的2SC0108T模块作为核心部件[4]，设计了前级驱动电路、硬件死区电路、后级功率驱动电路、故障信号调理电路，试验结果证明该驱动器具有良好的驱动及保护能力。
1 2SC0108T简介
     2SC0108T是一款高集成度低成本的超小型SCALE-2双通道驱动器。接口兼容3.3 V～15 V逻辑电平信号，栅极驱动电压为+15 V/-8 V，驱动电流为8 A，单通道输出功率为1 W，可以驱动600 A/1 200 V或 450 A/1 700 V的常规IGBT模块或并联IGBT模块，支持3级或多级拓扑。具有短路保护、过流保护和电源电压监控等功能。延迟时间为80 ns±4 ns，抖动时间为± 2ns[5]。
     为了使2SC0108T在主回路中的性能达到最优，必须设计相应的外围硬件电路，如驱动信号调理电路、IGBT功率驱动电路和故障信号调理电路，并集成到IGBT驱动器中。由于IGBT驱动信号频率较高，容易对其他模拟信号和数字信号造成干扰，而且，驱动信号线寄生电容和寄生电感对驱动器的性能、可靠性有重要影响[6]，因此，传统的安装模式为驱动器和IGBT模块独立安装，通过双绞线连接以减少寄生电容、寄生电感的影响。本文从减小信号线寄生电容、寄生电感和电磁干扰(EMI)方面考虑，设计了一个直接安装于IGBT模块上的即插即用型IGBT驱动器。
     2SC0108T内部结构图如图1所示，主要由三个功能模块构成，即逻辑驱动转化接口LDI(Logic-to-Driver Interface)、电气隔离模块和智能栅极驱动IGD(Intelligent Gate Driver)。
   
       第一个功能模块是由辅助电源和信号输入两部分组成。其中信号输入部分主要将控制器的PWM信号进行整形放大，并根据需要进行控制，之后传递到信号变压器，同时检测从信号变压器返回的故障信号，将故障信号处理后发送到故障输出端；辅助电源的功能是将输入的直流电压经过单端反激式变换电路，转换成两路隔离电源供给输出驱动放大器使用。
     第二个功能模块是电气隔离模块，由两个传递信号的脉冲变压器和传递功率的电源变压器组成。防止功率驱动电路中大电流、高电压对一次侧信号的干扰。
     第三个功能模块是驱动信号输出模块，IGD主要对信号变压器的信号进行解调和放大，对IGBT的短路和过流进行检测，并进行故障存储和短路保护。
2 IGBT驱动器设计
     本文设计的IGBT驱动器主要由2SC0108T模块、前级驱动电路、后级功率驱动电路、故障信号调理电路构成，驱动器功能框图如图2所示。
   
       由控制器产生的驱动信号A和B，经过前级驱动电路调理后，分别送入2SC0108T驱动信号端INA和INB，INA和INB分别控制IGBT模块的上桥臂和下桥臂。故障报警信号经信号调理电路输出。由于需要检测IGBT的过流、短路、二次侧电压等故障状态，以增强驱动信号的触发能力并改善IGBT的开关特性[7]，设计了后级功率驱动电路。  
   
   2.2 前级驱动电路
     由于驱动器置于IGBT模块上，控制器与驱动板之间的逻辑信号走线相对较长。为了提高信号的驱动能力和抗干扰能力，设计了前级驱动电路，如图3所示。
   
       驱动信号先后经过了电平转换、电平箝位、死区/互锁电路和波形整形最终送入2SC0108T模块。因2SC0108T为高电平驱动方式，所以此功能电路设计成输入信号相对输出信号为反逻辑，即控制器驱动信号为低电平时，加在IGBT上的栅压为正向栅压来触发IGBT导通；反之，IGBT关断。当控制器上电复位或出现故障时，驱动信号为高电平，从而关断IGBT，提高了系统的可靠性和安全性。
     由Q101、Q102构成的电路网络主要完成两路信号的互锁和死区时间的设定，两路驱动信号的死区时间可以通过稳压管D108、D109的稳压值来调节，直接模式下(Rm=150 k?赘)，稳压管D108、D109的稳压值为3.3 V。硬件死区电路有效时，经试验测得死区时间为5.08 μs，死区时间可以满足实际工程中的需要。表1为互锁电路信号作用表。
     由表1可知，2SC0108T工作在直接模式下，由于有互锁电路，避免了IGBT上下直通的可能。
   
   
2.3 故障信号调理电路
     故障状态输出端SO1、SO2实时显示IGBT模块和供电电源的状态，并通过故障报警信号调理电路上报控制器。
     因故障状态输出端SO1、SO2为集电极开路门电路，外部需接上拉电阻。当故障（初级侧欠压、二次侧欠压、IGBT过流或短路）发生时，相应的SOx输出低电平；否则，输出高电平。如果电源电压欠压，封锁驱动器并且两个故障输出端同时发出报警信号，直到电源电压工作正常。当二次侧发生故障（检测到IGBT模块短路或电源欠压）时，相应的故障输出端发出报警信号，在一个死区时间过后，相应的故障信号消失[9]。所有故障状态均通过故障信号调理电路上报控制器。因故障状态输出端SO1、SO2为集电极开路门电路，故将两个故障输出端直接短接实现“或非”逻辑，作为故障报警信号公共端。当上述任何一种故障发生时，均作为有效故障信号上报控制器，并做相应处理，这样既可以简化电路硬件设计又可以提高驱动器的可靠性。经试验测得驱动器的欠压保护门限值为12.1 V，清除欠压故障电压门限值为12.8 V。
2.4 后级功率驱动电路
     IGBT后级驱动电路为驱动信号输出通道和IGBT模块之间的电路接口。二次侧欠压、IGBT过流或短路故障状态的检测都是由后级功率驱动电路实现，如图4所示。
   
       VCE为IGBT集电极检测端，为了检测IGBT过流或短路，集电极检测端须通过图4所示的电路连接到IGBT的辅助集电极上。GH和GL分别为栅极开启和关断端，通过开启、关断栅极限流串并网络连接到IGBT的栅极。栅极限流阻值对驱动信号的前后沿陡度和IGBT的开关特性有影响。当阻值增大时，可以抑制栅极脉冲前后沿陡度、防止寄生振荡、减小开关dic/dt值、限制IGBT集电极尖峰电压；当阻值减小时，可能会导致G、E之间发生振荡以及IGBT集电极dic/dt值增加，引起IGBT集电极尖峰电压，使IGBT损坏。该功能电路的作用是，若栅极限流电阻发生开路故障，此电阻网络的阻值会增加，可以抑制驱动信号前后沿陡度、减小开关dic/dt值，可以保证即使栅极限流网络发生开路故障时，还能够触发IGBT，从而提高栅极后级驱动电路的可靠性[10]。
     二极管D1、D2用于二次侧欠压保护。当栅极驱动信号电压欠压时，不能触发IGBT导通，二极管因承受正向电压而导通，集电极检测端电压升高到设定值时，封锁相应的后级栅极驱动通道并通过故障输出端发出报警信号。为了防止误触发，二极管漏电流必须小。因正常导通时栅极驱动电压为+15 V，IGBT辅助集电极电压相对较低，为防止二极管反向击穿，其阻断电压应大于40 V。
     当栅极处于失控状态、主电路突加电压时，由于集电极-栅极、栅极-发射极存在寄生电容，集电极电势的突然变化，就会有大小为C·du/dt的电流流过寄生电容(C为寄生电容容值)，使栅极电势上升，误触发IGBT。为防止上述情况的发生，在GL和VE之间接一电阻Reg，为IGBT的栅极和发射极提供一个低阻抗回路，其阻值要求为22 kΩ或更大。
     REF端内部集成有可以提供150 μA的恒流源，参考电阻Rth的阻值通过如下公式进行计算：
     
     实际应用中，设计者可以根据IGBT模块的过流倍数来选取合适的关断门限值。
     CA1、CA2为响应时间电容，其作用是以电阻Rth端电压为参考，通过与其串联电阻的充电时间特性来确定响应时间。
     当触发IGBT导通时，测试信号无效。而IGBT导通需经过一定的开通时间，如果没有响应时间电容Ca，则在IGBT开通过程中，将导致比较器正极性端电压高于Vth而误报警。若电容选择合适，在IGBT开通过程中，使电容充电时间大于开通时间即可避免上述情况的发生。通常情况下，不同额定电流值的IGBT模块导通压降不同。额定电流为450 A的IGBT的导通压降一般情况为2 V，若IGBT工作中发生过流，其集电极电压会上升，并且正比于电流值。过流故障发生前电容Ca的电压为正常导通压降，过流时电容两端的电压与时间的关系为：y=2e-t/RC+UCE(1-e-t/RC)。当响应时间电容为33 pF，电阻R为120 kΩ，Vth为5.85 V，过流导通压降UCE为10 V时的MATLAB仿真曲线如图5所示。
   
       实践中可以通过选择响应时间电容的容值，关断门限值电压Vth，IGBT过流倍数来计算图5中t1的值：
     
     与传统的IGBT驱动器相比，即插即用型驱动器采用了与IGBT模块一体化的设计思想，减小了驱动信号线上寄生电容和寄生电感的影响，提高了驱动器的可靠性。本文基于2SC0108的即插即用型IGBT驱动器，通过对前级驱动电路、后级功率驱动电路及故障信号调理电路的设计，实现了多工作模式可选、多种故障状态检测及保护等功能。即插即用型IGBT驱动器的调试、试验和工程应用都验证了本驱动器设计的有效性和实用性。
参考文献
[1] 周志敏，纪爱华.高效功率器件驱动与保护电路[M].北京：人民邮电出版社，2009.
[2] SCHWARZER U，RIK W，DONCKER D.Design and Implementation of a driver board for a high power and high frequency IGBT inverter[A].Power Electronics Specialists Conference，IEEE，2002.
[3] 黄先进，蒋晓春，叶斌，等.智能化IGBT驱动电路研究[J]. 电工技术学报，2005，20(4)：89-93.
[4] THALHEIM J，GARCIA O.Highly flexible and low-cost gate driver cores for voltage classes of up to 3300V[J]. Bodos′s Power Systems Magazine，2009(6)：26-27.
[5] HORNKAMP M，PAWEL S，GARCIA O.Latest generation IGBT gate drivers[J].Power Systems Design Europe Magazie，2009(10)：21-23.
[6] 徐延东，张舟云，徐国卿.一种用于大功率IGBT模块的驱动电路[J].微特电机，2004(8)：29-35.
[7] GRBOVIC P J，GRUSON F，IDIR N，et al.Turn performance  of reverse blocking IGBT(RB IGBT) and optimization using advanced gate driver[J].Power Electronics，IEEE Transactions IEEE，2010(4)：970-980.
[8] ZHANG B，HUANG A Q，CHEN B.A novel IGBT gate driver to eliminate the dead-time effect[A].Industry Applications Conference，IEEE，2005.
[9] THALHEIM J，RUEDI H.Smart power chip turing[J].Bodos′s Power Systems Magazine，2007(5)：20-23.
[10] 潘星，刘会金.IGBT功率器件工作中存在的问题及解决方法[J].电力自动化设备，2004(9)：9-14.
[11] Using the NTC inside a Power Electronic Module.Infineon Technologies AG[EB/OL].www.infineon.com.2010.10.
[12] MAJUMDAR B，MUKHERJEE P，TALUKDAR F A，et al. IGBT gate drive circuit with in-built protection and immunity to transient fault[A].Industrial Technology IEEE International Conference，IEEE，2000.