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    EUPEC高压IGBT??橛?SD315AI-33的应用

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    高压IGBT???SD315AI-33的应用研究
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    摘要介绍了一种新型高性能高压IGBT集成驱动???SD315AI-33的管脚功能和工作原理,同时还给出了该??橛胪嗖废啾鹊南灾阅芴氐?,介绍了2SD315AI-33在“双逆变器-电机”能量互馈式交流传动试验系统中的应用方法,讨论了在实际应用中的注意事项。

    ??关键词:EUPECIGBT 驱动???2SD315AI-33 逆变器
    2SD315AI-33是瑞士CONCEPT公司专为3300V高压IGBT的可靠工作和安全运行而设计的驱动???,它以专用芯片组为基础,外加必需的其它元件组成。该??椴捎寐龀灞溲蛊鞲衾敕绞?,能同时驱动两个IGBT???,可提供±15V的驱动电压和±15A的峰值电流,具有准确可靠的驱动功能与灵活可调的过流?;すδ?,同时可对电源电压进行欠压检测,工作频率可达兆赫兹以上;电气隔离可达到6000VAC。

    1?。玻樱模常保担粒桑常臣蚪?/b>
    1.1 外形及管脚功能
    图1所示为2SD315AI-33的外形图,该芯片共有44个管脚。具体功能如下:
    1,2脚(VDD):信号电源;
    3脚(SO1):通道1状态输出;
    4脚(VL/Reset):定义逻辑电平/错误信号复位;
    5脚(RC1):通道1死区RC网络;
    6脚(InB):PWM2/ENABLE;
    7脚(RC2):通道2死区RC网络;
    8脚(MOD):模式选择;
    9脚(SO2):通道2状态输出;
    10脚(InA):PWM1/PWM;
    11,12脚(GND):15V电源地;
    13~17脚(VDC):DC/DC驱动电源;
    18~22脚(GND):DC/DC驱动电源地;
    23脚(Ls2):通道2的状态显示端;
    24脚(C2):通道2的集电极检测端;
    25脚(Rth2):通道2的阈值电阻端;
    26,27脚(E2):通道2的发射极;
    28脚(Viso2):通道2的DC/DC输出侧电源;
    29,30脚(COM2):通道2的DC/DC输出侧地;
    31,32脚(G2):通道2的栅极;
    33,34脚(NC):未用;
    35脚(Ls1):通道1的状态显示端;
    36脚(C1):通道1的集电极检测端;
    37脚(Rth1):通道1的阈值电阻端;
    38,39脚(E1):通道1的发射极;
    40脚(Viso1):通道1的DC/DC输出侧电源;
    41,42脚(COM1):通道1的DC/DC输出侧地;
    43,44脚(G1):通道1的栅极。
    1.2 主要参数
    2SD315AI-33的极限参数如下
    ●供电电压VDD和VDC:16V;
    ●逻辑信号输入电平:VDD;
    ●门极峰值电流Iout:±18A;
    ●内部开关电源输出功率:6W;
    ●输入输出隔离电压:6000VAC50Hz/min;
    ●工作温度:-40~85℃;
    下面是2SD315AI-33的主要电参数
    ●输入输出延迟开通时间tpdon:300ns;
    ●关断时间tpd(off):350ns;
    ●短路或欠压?;ぷ瓒鲜奔洌海保?;
    ●输出上升时间tr(out):160ns;
    ●输出下降时间tf(out):130ns;
    ●*大电压上升率:100kV/μs。

    2 工作原理及性能特点
    2.1 工作原理
    图2为2SD315AI-33的功能框图。它主要由DC/DC转换电路、输入处理电路、驱动输出及逻辑?;さ缏纷槌?。
    DC/DC转换电路的功能是将输入部分与工作部分进行隔离。而其输入处理电路由LDI001及其外围电路组成。由于控制电路产生的PWM信号不能直接通过脉冲变压器,尤其是当脉冲信号的频率和占空比变化较大时,尤为困难。LDI001就是专门为此而设计的,此专用集成芯片的功能主要是对输入的PWM信号进行编码,以使之可通过脉冲变压器进行传输。由于该器件内部带有施密特触发器,因此对输入端信号无特殊的边沿陡度要求,并能提供准静态的状态信号反馈。将其设计为集电极开路方式,可以适应任何电平逻辑,并可直接产生死区时间。以上优点使得接口既易用又灵活,从而省去了其它专用电路所必需的许多外围器件。
    驱动输出及逻辑?;さ缏返暮诵男酒牵桑牵模埃埃?。它将变压器接口、过流短路?;?、阻断逻辑生成、反馈状态记录、供电监视和输出阶段识别等功能都已集成在一起。每个IGD用于一个通道,其具体功能是对脉冲变压器传来的PWM信号进行解码,对PWM信号进行功率放大,对IGBT的短路、过流及电源的欠压检测?;?,并向LDI反馈状态,以产生短路?;さ南煊κ奔浜妥瓒鲜奔涞?。
    2.2 性能特点
    2SD315AI-33与其它驱动器相比具有以下几个显著的特点:
    (1)可灵活定义逻辑电平;
    (2)可自由选择工作模式;
    (3)具有短路和过流?;すδ?;
    (4)具有欠压监测功能;
    (5)可动态设定短路?;ゃ兄?br />
    3?。玻樱模常保担粒桑常吃谑导手械挠τ?/b>
    3.1 应用实例
    笔者所在实验室中正在设计的“双逆变器-电机”能量互馈式交流传动试验系统由于采用专为电力机车所设计的300kW异步电机,故逆变器和变流器的主开关器件选用的是EUPEC公司的高压IGBT??椋疲冢保玻埃埃遥常常耍疲?。该器件的电压等级为3300V,电流等级为1200A。根据FZ1200R33KF1对驱动?;さ缏返囊笠约埃玻樱模常保担粒桑常城?榈男阅芴氐?,笔者设计了IGBT的驱动?;さ缏?,具体如图3所示。
    该电路由输入?;?、电源?;?、上电复位、死区时间设定及与IGBT的接口电路几部分组成,该电路工作于半桥模式。以下分别予以介绍:
    输入?;ぃ和ǔG逋ü哂肟刂频缏废嗔?,因此,应对驱动电路的输入InputA和InputB给予适当地?;?,以便在掉电或输入信号呈高阻时,输入端能够通过电阻Rx1接地。电容Cx1的作用是抑制输入端出现的短脉冲或有害的尖峰脉冲。该电路会产生大约1μs的信号延迟。
    电源?;ぃ涸谝欢ǖ那榭鱿?,如果驱动器外部发生短路(如IGBT毁坏或短路),则驱动??槟诓康模模茫模帽浠黄骺赡芑岬贾碌缭聪叨搪?。故设计时在VDD端增加了一个熔断器,以保证在出现故障时电路板不致毁坏。图中的16V稳压管Z2用于过压?;?。
    上电复位:由于上电后的错误信息总是保存在驱动??榈拇砦蠹拇嫫髦?,因此在驱动电路与控制电路分离的情况下,可通过图3连接于VL/Reset的上电复位电路进行复位。该电路同时还有欠压?;すδ?。VDD>12.7V时,Z1反向击穿,Q1导通,Q2截止,VL为高电平,驱动器开通;而当VDD<12V时,Q1截止,Q2导通,VL为低电平,驱动器关断。另外,该复位电路还可保证在开启电源后的一个较短时间内使加于所有IGBT器件控制端上的电压均为低,以保证所有IGBT器件均处于关断状态。
    与IGBT接口:当开通时,驱动电流经RG1和二极管DG流向IGBT,即开通电阻Ron=RG1关闭时,由于二极管DG的单向导电性,门极经RG1和RG2放电即关断电阻Roff=RG1+RG2。这样就使得开通的di/dt、dV/dt和关断的dV/dt可以分别控制,从而改善了开关过程,减少了开关损耗。
    3.2 设计中需要特别注意的问题
    在任何时候都不能使过流检测管脚CX直接接到IGBT的集电极,而需通过二极管连接。其反向承受的峰值电压应超过逆变器直流侧电压的60%,以防止高压串入驱动电路。
    在管脚Visox和Lsx之间需串接一个电阻和发光二极管以指示通道X的工作状态,在正常情况下,发光二极管发光,而在发生短路和欠压故障时,发光二极管熄灭。但由于制作工艺上的原因,管脚Lsx对于干扰极为敏感,因此,在设计中若要指示状态,应把发光二极管接在电路板上尽量靠近输出端的地方,若不需状态指示,则必须把管脚Lsx和COMx短接。千万不要通过很长的引线将发光二极管引出,或者将Lsx端悬空,否则会因电磁干扰的引入使整个电路不能正常工作。
    电容CGEX是根据高压IGBT开通时的特殊性来实现开通时di/dt、dV/dt的分别控制。选取时要反复调试,否则会使驱动输出信号发生振荡。
    3.3 门极驱动布线
    门极驱动布线对防止潜在的振荡、减慢门极电压的上升、减少噪声损耗、降低门极电源电压或减少门极?;さ缏返亩鞔问泻艽蟮挠跋?。因此,门极布线的设计必须依从以下的原则:
    (1)布线必须将驱动器的输出级和IGBT之间的寄生电感减至*低,这相当于把门极的连线和发射极的连线之间包围的环路面积减至*低。
    (2)必须正确放置门极驱动板,以防止功率电路和控制电路之间的电感耦合。
    (3)PCB板的条线之间不宜太过靠近,否则IGBT的开关会使其相互电位改变,因为过高的dV/dt会通过寄生电容耦合噪声。
    (4)安装时,为缩短连线,应把驱动板直接用螺丝拧在IGBT??樯?。

    图3 3300V/1200A IGBT的驱动电路

    4 结论
    通过以上介绍可知,高压IGBT驱动??椋玻樱模常保担粒常尘哂幸韵掠诺悖?/span>
    (1)只需简单调整MOD脚,就可使该电路在半桥模式和直接模式下运行。
    (2)该驱动??榈慕涌诜浅<虻?,能处理所有从5V~15V电平的逻辑信号。由于输入口内部有施密特触发器,它对输入端信号无特殊的边沿陡度要求,而且状态反馈输出端设计为集电极开路,因此,该电路可以适应任何电平逻辑。
    (3)由于采用双极性的驱动电压(15V),使得任何厂家的各种级别的IGBT??槎伎砂踩诵?;负偏置的使用使得电路的抗干扰能力大大增强,这样就很容易实现IGBT??榈牟⒘?。
    (4)内部电压隔离使得即使是多个驱动???,也可以共用一个驱动电源,这不但省去了人力和资金,而且电磁干扰程度也大大降低。
    (5)过流?;つ茏既肺尬蟮亩?,且简单易调。同时具有欠压?;すδ?,并采取与过流?;ね拇胧?。
    (6)用变压器作隔离输出级使得该驱动??榭捎迷诳刂苹芈酚氲缌芈返缥幌嗖罱洗蠡虻缥槐浠洗蟮淖爸弥?,同时脉冲变压器的双向工作,既可传输驱动信号,也可传输反馈信号。(EUPEC IGBT)图
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