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高壓IGBT模塊2SD315AI-33的應用研究
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摘要：介紹了一種新型高性能高壓IGBT集成驅動模塊2SD315AI-33的管腳功能和工作原理，同時還給出了該模塊與同類產品相比的顯著性能特點，介紹了2SD315AI-33在“雙逆變器－電機”能量互饋式交流傳動試驗系統中的應用方法，討論了在實際應用中的注意事項。
??關鍵詞：EUPECIGBT 驅動模塊 2SD315AI-33 逆變器
２ＳＤ３１５ＡＩ－３３是瑞士ＣＯＮＣＥＰＴ公司專為３３００Ｖ高壓ＩＧＢＴ的可靠工作和**運行而設計的驅動模塊，它以專用芯片組為基礎，外加必需的其它元件組成。該模塊采用脈沖變壓器隔離方式，能同時驅動兩個ＩＧＢＴ模塊，可提供±１５Ｖ的驅動電壓和±１５Ａ的峰值電流，具有準確可靠的驅動功能與靈活可調的過流保護功能，同時可對電源電壓進行欠壓檢測，工作頻率可達兆赫茲以上；電氣隔離可達到６０００ＶＡＣ。
１ ２ＳＤ３１５ＡＩ－３３簡介
１．１ 外形(xing)及管腳功能
圖１所(suo)示(shi)為２ＳＤ３１５ＡＩ－３３的外形圖，該(gai)芯(xin)片共(gong)有４４個管腳。具體功能如下：
１，２腳（ＶＤＤ）：信號電源；
３腳(jiao)（ＳＯ１）：通道１狀態輸出(chu)；
４腳（ＶＬ／Ｒｅｓｅｔ）：定義邏輯電平(ping)／錯(cuo)誤信號復(fu)位；
５腳（ＲＣ１）：通道(dao)１死區ＲＣ網(wang)絡(luo)；
６腳（ＩｎＢ）：ＰＷＭ２／ＥＮＡＢＬＥ；
７腳（ＲＣ２）：通道２死區ＲＣ網絡(luo)；
８腳(jiao)（ＭＯＤ）：模式選擇；
９腳（ＳＯ２）：通道２狀態輸出；
１０腳(jiao)（ＩｎＡ）：ＰＷＭ１／ＰＷＭ；
１１，１２腳（ＧＮＤ）：１５Ｖ電源地；
１３～１７腳（ＶＤＣ）：ＤＣ／ＤＣ驅(qu)動電(dian)源(yuan)；
１８～２２腳（ＧＮＤ）：ＤＣ／ＤＣ驅(qu)動電源地；
２３腳（Ｌｓ２）：通道２的狀態顯(xian)示端；
２４腳（Ｃ２）：通道２的集電極檢測端；
２５腳(jiao)（Ｒｔｈ２）：通道２的閾值電阻端；
２６，２７腳（Ｅ２）：通道２的發(fa)射極；
２８腳(jiao)（Ｖｉｓｏ２）：通道２的ＤＣ／ＤＣ輸出側電(dian)源；
２９，３０腳（ＣＯＭ２）：通道(dao)２的ＤＣ／ＤＣ輸出側地；
３１，３２腳（Ｇ２）：通道２的(de)柵極；
３３，３４腳(jiao)（ＮＣ）：未用(yong)；
３５腳（Ｌｓ１）：通(tong)道１的狀態顯(xian)示端；
３６腳(jiao)（Ｃ１）：通(tong)道１的(de)集電極檢(jian)測端(duan)；
３７腳（Ｒｔｈ１）：通道１的閾值(zhi)電阻端；
３８，３９腳（Ｅ１）：通道１的發射極(ji)；
４０腳（Ｖｉｓｏ１）：通(tong)道１的ＤＣ／ＤＣ輸出側電源；
４１，４２腳（ＣＯＭ１）：通道１的ＤＣ／ＤＣ輸出側地；
４３，４４腳（Ｇ１）：通(tong)道１的柵極。
１．２ 主要參數
２ＳＤ３１５ＡＩ－３３的極限參數如下
●供電(dian)電(dian)壓(ya)ＶＤＤ和ＶＤＣ：１６Ｖ；
●邏輯(ji)信(xin)號輸入電平：ＶＤＤ；
●門極峰值電流Ｉｏｕｔ：±１８Ａ；
●內部開關(guan)電源輸出功率：６Ｗ；
●輸(shu)入(ru)輸(shu)出隔離(li)電壓(ya)：６０００ＶＡＣ５０Ｈｚ／ｍｉｎ；
●工作溫度：－４０～８５℃；
下面是(shi)２ＳＤ３１５ＡＩ－３３的主要電(dian)參數
●輸入輸出延(yan)遲開通時間(jian)ｔｐｄｏｎ：３００ｎｓ；
●關斷(duan)時間ｔｐｄ(ｏｆｆ)：３５０ｎｓ；
●短路或(huo)欠壓保護阻斷時間：１ｓ；
●輸出上(shang)升時間ｔｒ(ｏｕｔ)：１６０ｎｓ；
●輸出(chu)下降時間ｔｆ(ｏｕｔ)：１３０ｎｓ；
●*大電壓上升率：１００ｋＶ／μｓ。
２ 工作原理及性能特點 ２．１ 工作原理
圖(tu)(tu)２為２ＳＤ３１５ＡＩ－３３的功(gong)能框圖(tu)(tu)。它主要由(you)ＤＣ／ＤＣ轉換電(dian)路(lu)、輸入(ru)處理電(dian)路(lu)、驅動輸出及邏(luo)輯(ji)保護電(dian)路(lu)組成。
ＤＣ／ＤＣ轉(zhuan)換(huan)電(dian)路(lu)的(de)(de)(de)功能是將(jiang)輸(shu)入(ru)(ru)部(bu)分(fen)與(yu)工作部(bu)分(fen)進行(xing)隔離。而其輸(shu)入(ru)(ru)處理電(dian)路(lu)由(you)(you)ＬＤＩ００１及其外圍(wei)電(dian)路(lu)組成(cheng)。由(you)(you)于控制電(dian)路(lu)產(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)ＰＷＭ信(xin)號(hao)不能直(zhi)接(jie)通過(guo)脈沖(chong)變壓器(qi)，尤其是當(dang)脈沖(chong)信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)頻率和占(zhan)空比變化較大(da)時(shi)，尤為(wei)(wei)困難。ＬＤＩ００１就是專門為(wei)(wei)此(ci)而設計的(de)(de)(de)，此(ci)專用集(ji)成(cheng)芯片的(de)(de)(de)功能主要是對輸(shu)入(ru)(ru)的(de)(de)(de)ＰＷＭ信(xin)號(hao)進行(xing)編碼，以使(shi)之可通過(guo)脈沖(chong)變壓器(qi)進行(xing)傳輸(shu)。由(you)(you)于該器(qi)件(jian)內部(bu)帶有(you)施密特觸發器(qi)，因(yin)此(ci)對輸(shu)入(ru)(ru)端(duan)信(xin)號(hao)無特殊的(de)(de)(de)邊沿陡度要求，并能提供準靜態(tai)的(de)(de)(de)狀態(tai)信(xin)號(hao)反(fan)饋。將(jiang)其設計為(wei)(wei)集(ji)電(dian)極開路(lu)方(fang)式，可以適應任何電(dian)平邏(luo)輯，并可直(zhi)接(jie)產(chan)生(sheng)死區時(shi)間(jian)。以上優點(dian)使(shi)得接(jie)口既易用又(you)靈活，從而省(sheng)去(qu)了其它(ta)專用電(dian)路(lu)所必需的(de)(de)(de)許多外圍(wei)器(qi)件(jian)。
驅動輸出(chu)及邏(luo)輯保(bao)護電(dian)路(lu)的(de)(de)核(he)心芯片是(shi)ＩＧＤ００１。它將變壓器(qi)(qi)接口(kou)、過(guo)流(liu)短路(lu)保(bao)護、阻(zu)斷邏(luo)輯生成、反饋狀態(tai)記錄、供電(dian)監(jian)視和輸出(chu)階段(duan)識別等(deng)(deng)功(gong)能都已集(ji)成在一(yi)起。每個(ge)ＩＧＤ用于一(yi)個(ge)通(tong)道，其具體功(gong)能是(shi)對(dui)(dui)脈沖變壓器(qi)(qi)傳來(lai)的(de)(de)ＰＷＭ信號進行(xing)解(jie)碼，對(dui)(dui)ＰＷＭ信號進行(xing)功(gong)率放大，對(dui)(dui)ＩＧＢＴ的(de)(de)短路(lu)、過(guo)流(liu)及電(dian)源的(de)(de)欠壓檢測(ce)保(bao)護，并向ＬＤＩ反饋狀態(tai)，以產生短路(lu)保(bao)護的(de)(de)響應時間和阻(zu)斷時間等(deng)(deng)。
２．２ 性(xing)能(neng)特點(dian)
２ＳＤ３１５ＡＩ－３３與(yu)其它驅動器相比具有以(yi)下幾個(ge)顯著(zhu)的特點(dian)：
（１）可靈(ling)活定義邏輯電平；
（２）可(ke)自由選擇工作模式；
（３）具有短(duan)路和過流保護(hu)功能；
（４）具有欠(qian)壓監(jian)測功能(neng)；
（５）可動態設定短路保護閾值
３ ２ＳＤ３１５ＡＩ－３３在實際中的應用
３．１ 應(ying)用實例(li)
筆(bi)者所(suo)在實驗室中(zhong)正(zheng)在設計的(de)(de)(de)“雙(shuang)逆(ni)變器－電(dian)(dian)(dian)機”能(neng)量互饋式交流傳動(dong)試驗系(xi)統由于采用專為(wei)(wei)(wei)電(dian)(dian)(dian)力機車所(suo)設計的(de)(de)(de)３００ｋＷ異步(bu)電(dian)(dian)(dian)機，故(gu)逆(ni)變器和變流器的(de)(de)(de)主(zhu)開關(guan)器件選用的(de)(de)(de)是ＥＵＰＥＣ公(gong)司(si)的(de)(de)(de)高壓(ya)ＩＧＢＴ模塊(kuai)ＦＺ１２００Ｒ３３ＫＦ１。該器件的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)等級為(wei)(wei)(wei)３３００Ｖ，電(dian)(dian)(dian)流等級為(wei)(wei)(wei)１２００Ａ。根據ＦＺ１２００Ｒ３３ＫＦ１對驅(qu)動(dong)保護(hu)電(dian)(dian)(dian)路(lu)的(de)(de)(de)要求(qiu)以及２ＳＤ３１５ＡＩ－３３驅(qu)動(dong)模塊(kuai)的(de)(de)(de)性能(neng)特(te)點，筆(bi)者設計了ＩＧＢＴ的(de)(de)(de)驅(qu)動(dong)保護(hu)電(dian)(dian)(dian)路(lu)，具體如圖３所(suo)示(shi)。
該電(dian)路由輸入保護(hu)、電(dian)源(yuan)保護(hu)、上電(dian)復位、死(si)區(qu)時間設定(ding)及與ＩＧＢＴ的接(jie)口電(dian)路幾部分組成，該電(dian)路工(gong)作(zuo)于半橋模式。以下分別予以介紹：
輸入保護：通常驅動板通過引線與控制電路相連，因此，應對驅動電路的輸入ＩｎｐｕｔＡ和ＩｎｐｕｔＢ給予適當地保護，以便在掉電或輸入信號呈高阻時，輸入端能夠通過電阻Ｒｘ１接地。電容Ｃｘ１的作用是抑制輸入端出現的短脈沖或有害的尖峰脈沖。該電路會產生大約１μｓ的信號延遲。
電源(yuan)(yuan)保(bao)護：在一(yi)定的情況下，如(ru)果(guo)驅動器外部發生短路(lu)（如(ru)ＩＧＢＴ毀(hui)壞或(huo)短路(lu)），則驅動模塊內部的ＤＣ／ＤＣ變換器可能會導致電源(yuan)(yuan)線短路(lu)。故(gu)設計時在ＶＤＤ端(duan)增加了一(yi)個熔斷器，以保(bao)證在出現故(gu)障時電路(lu)板不致毀(hui)壞。圖中的１６Ｖ穩壓管(guan)Ｚ２用于(yu)過壓保(bao)護。
上電(dian)(dian)(dian)復(fu)位(wei)：由(you)于(yu)(yu)上電(dian)(dian)(dian)后的(de)(de)錯誤(wu)(wu)信息總(zong)是(shi)保存在(zai)驅(qu)動(dong)(dong)模(mo)塊的(de)(de)錯誤(wu)(wu)寄(ji)存器(qi)中，因此(ci)在(zai)驅(qu)動(dong)(dong)電(dian)(dian)(dian)路(lu)與控制(zhi)電(dian)(dian)(dian)路(lu)分離(li)的(de)(de)情(qing)況下(xia)，可(ke)通過(guo)圖３連(lian)接于(yu)(yu)ＶＬ／Ｒｅｓｅｔ的(de)(de)上電(dian)(dian)(dian)復(fu)位(wei)電(dian)(dian)(dian)路(lu)進行復(fu)位(wei)。該(gai)電(dian)(dian)(dian)路(lu)同時還(huan)有(you)欠壓保護功能。ＶＤＤ＞１２．７Ｖ時，Ｚ１反向擊穿，Ｑ１導(dao)通，Ｑ２截止(zhi)，ＶＬ為(wei)高(gao)電(dian)(dian)(dian)平，驅(qu)動(dong)(dong)器(qi)開通；而(er)當(dang)ＶＤＤ＜１２Ｖ時，Ｑ１截止(zhi)，Ｑ２導(dao)通，ＶＬ為(wei)低電(dian)(dian)(dian)平，驅(qu)動(dong)(dong)器(qi)關(guan)斷。另外，該(gai)復(fu)位(wei)電(dian)(dian)(dian)路(lu)還(huan)可(ke)保證(zheng)(zheng)在(zai)開啟(qi)電(dian)(dian)(dian)源后的(de)(de)一個較短時間內(nei)使加于(yu)(yu)所(suo)(suo)有(you)ＩＧＢＴ器(qi)件控制(zhi)端上的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)壓均(jun)為(wei)低，以保證(zheng)(zheng)所(suo)(suo)有(you)ＩＧＢＴ器(qi)件均(jun)處于(yu)(yu)關(guan)斷狀態(tai)。
與ＩＧＢＴ接(jie)口：當開(kai)通(tong)(tong)時，驅(qu)動電(dian)流經ＲＧ１和二極管ＤＧ流向ＩＧＢＴ，即開(kai)通(tong)(tong)電(dian)阻Ｒｏｎ＝ＲＧ１關(guan)閉(bi)時，由于二極管ＤＧ的(de)單向導電(dian)性，門極經ＲＧ１和ＲＧ２放電(dian)即關(guan)斷電(dian)阻Ｒｏｆｆ＝ＲＧ１＋ＲＧ２。這樣(yang)就使得開(kai)通(tong)(tong)的(de)ｄｉ／ｄｔ、ｄＶ／ｄｔ和關(guan)斷的(de)ｄＶ／ｄｔ可以分別(bie)控制，從(cong)而改(gai)善了開(kai)關(guan)過程，減少(shao)了開(kai)關(guan)損耗。
３．２ 設計中需要特別注(zhu)意的問題
在任何時候都不能使過(guo)流(liu)檢(jian)測管腳ＣＸ直接接到ＩＧＢＴ的集電(dian)(dian)(dian)極，而需(xu)通過(guo)二(er)極管連接。其反向承受的峰值(zhi)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)應超過(guo)逆變器(qi)直流(liu)側電(dian)(dian)(dian)壓(ya)的６０％，以防止高(gao)壓(ya)串入驅動電(dian)(dian)(dian)路。
在管腳(jiao)Ｖｉｓｏｘ和(he)(he)Ｌｓｘ之間需串接(jie)一個(ge)(ge)電(dian)阻(zu)和(he)(he)發光(guang)二(er)(er)(er)極管以指示(shi)(shi)通(tong)(tong)道Ｘ的(de)工(gong)作狀態，在正(zheng)常情況下，發光(guang)二(er)(er)(er)極管發光(guang)，而在發生短路和(he)(he)欠壓(ya)故障時，發光(guang)二(er)(er)(er)極管熄滅。但由于制作工(gong)藝上的(de)原因(yin)(yin)，管腳(jiao)Ｌｓｘ對于干擾極為敏感，因(yin)(yin)此(ci)，在設計中若(ruo)要(yao)(yao)指示(shi)(shi)狀態，應把(ba)發光(guang)二(er)(er)(er)極管接(jie)在電(dian)路板上盡(jin)量靠近輸出端的(de)地(di)方(fang)，若(ruo)不(bu)(bu)需狀態指示(shi)(shi)，則(ze)必須把(ba)管腳(jiao)Ｌｓｘ和(he)(he)ＣＯＭｘ短接(jie)。千萬不(bu)(bu)要(yao)(yao)通(tong)(tong)過很長(chang)的(de)引(yin)線將發光(guang)二(er)(er)(er)極管引(yin)出，或(huo)者將Ｌｓｘ端懸(xuan)空，否則(ze)會(hui)因(yin)(yin)電(dian)磁(ci)干擾的(de)引(yin)入使整個(ge)(ge)電(dian)路不(bu)(bu)能正(zheng)常工(gong)作。
電容ＣＧＥＸ是(shi)根據高壓(ya)ＩＧＢＴ開通時(shi)(shi)的(de)特殊性來實現開通時(shi)(shi)ｄｉ／ｄｔ、ｄＶ／ｄｔ的(de)分別控制。選取時(shi)(shi)要反復調試，否則會使驅動輸出信號發生振蕩。
３．３ 門極(ji)驅動布線
門(men)極驅動布線(xian)對防止潛在的(de)(de)振蕩、減(jian)(jian)慢門(men)極電壓的(de)(de)上升、減(jian)(jian)少(shao)(shao)噪聲損耗、降低門(men)極電源電壓或減(jian)(jian)少(shao)(shao)門(men)極保護電路的(de)(de)動作(zuo)次數有很大的(de)(de)影響。因此，門(men)極布線(xian)的(de)(de)設計(ji)必須依從以下的(de)(de)原則：
（１）布線(xian)必須將驅動器的輸出級和ＩＧＢＴ之(zhi)間(jian)(jian)的寄生電感(gan)減(jian)至(zhi)*低，這相當于把(ba)門極的連(lian)線(xian)和發射極的連(lian)線(xian)之(zhi)間(jian)(jian)包圍的環路面(mian)積(ji)減(jian)至(zhi)*低。
（２）必須(xu)正確放置門極驅動板，以防止(zhi)功率電路(lu)和控制電路(lu)之間(jian)的電感耦合。
（３）ＰＣＢ板(ban)的(de)(de)條(tiao)線之(zhi)間(jian)不(bu)宜太過靠近，否則ＩＧＢＴ的(de)(de)開關會(hui)使其(qi)相互(hu)電位改變(bian)，因為過高(gao)的(de)(de)ｄＶ／ｄｔ會(hui)通過寄生電容耦合(he)噪聲(sheng)。
（４）安裝時，為縮短連線，應把驅動板直接用螺絲擰在ＩＧＢＴ模塊上。
圖(tu)3 3300V/1200A IGBT的驅動(dong)電路(lu)
４ 結論
通過以(yi)上介紹可(ke)知，高壓ＩＧＢＴ驅動(dong)模塊２ＳＤ３１５Ａ－３３具有以(yi)下優點：
（１）只需(xu)簡單調整ＭＯＤ腳，就可使該電路在(zai)半(ban)橋模式(shi)和直接模式(shi)下運行(xing)。
（２）該驅動模塊的(de)接口非(fei)常簡單，能處理(li)所有從５Ｖ～１５Ｖ電(dian)(dian)(dian)平的(de)邏輯信號。由于(yu)輸入口內(nei)部(bu)有施(shi)密特(te)觸發器，它(ta)對輸入端信號無特(te)殊的(de)邊沿陡度要求，而且狀(zhuang)態反饋輸出端設計為集(ji)電(dian)(dian)(dian)極開(kai)路，因此，該電(dian)(dian)(dian)路可(ke)以適應(ying)任何電(dian)(dian)(dian)平邏輯。
（３）由于采用雙極性的(de)驅動電(dian)壓（１５Ｖ），使得任何廠家的(de)各種級別的(de)ＩＧＢＴ模塊都可**運行；負(fu)偏置的(de)使用使得電(dian)路的(de)抗(kang)干(gan)擾能力(li)大(da)大(da)增強，這(zhe)樣就很容易(yi)實(shi)現ＩＧＢＴ模塊的(de)并聯。
（４）內部電(dian)壓隔離使得即(ji)使是多個(ge)驅動模(mo)塊，也可(ke)以共(gong)用一個(ge)驅動電(dian)源，這不但省去了人力和(he)資金，而且電(dian)磁(ci)干擾(rao)程度也大(da)大(da)降低。
（５）過(guo)流保(bao)護能(neng)準確(que)無誤(wu)的動作，且簡單易調。同(tong)(tong)時具(ju)有欠(qian)壓保(bao)護功能(neng)，并采取與過(guo)流保(bao)護同(tong)(tong)樣的措施。
（６）用變壓器作隔離輸出級使得該驅動模塊可用在控制回路與電力回路電位相差較大或電位變化較大的裝置中，同時脈沖變壓器的雙向工作，既可傳輸驅動信號，也可傳輸反饋信號。(EUPEC IGBT)圖