隨著科學技術的發展，具有高耐壓、大電流、開關速度高和低飽和壓降等諸多優點的IGBT在機車牽引、有源濾波、新能源等電力電子領域有了更為廣泛的應用^[1]。而IGBT的驅動與保護是由IGBT驅動器來完成的，高性能的驅動器可以讓IGBT工作在較為理想的開關狀態，減小開關損耗。應用在大功率或者環境復雜多變場合下的IGBT，鑒于其特殊性，對于IGBT驅動器的要求就更為嚴格，如需具備瞬間驅動電流大、可靠性要求高、有完備的保護、集成度高等特點^[2]。本文介紹了瑞士CONCEPT公司的2SC0535驅動器，并采用其作為核心部件，設計了前級驅動電路、后級功率驅動電路、故障信號指示電路。最終用雙脈沖平臺和3 300 V/1 200 A IGBT進行了實驗。實驗證明，該驅動器具有良好的驅動與保護功能^[3]。

1 2SC0535簡介

    2SC0535裝備了CONCEPT公司最新的SCALE-2芯片組^[4]。SCALE-2芯片組是一套專用集成電路（ASIC），包含智能門級驅動所需的大部分功能。該模塊采用變壓器隔離方式，可以同時驅動兩個IGBT模塊，提供+15 V、-10 V門級驅動電壓和±35 A的驅動電流。圖1為2SC0535的功能框圖，它主要由DC/DC轉換電路、輸入處理電路、驅動輸出及邏輯保護電路組成^[5]。

    DC/DC轉換電路將輸入部分與工作部分進行隔離。輸入處理部分由LDI及其外圍電路組成。由于控制電路產生的PWM信號不能直接通過脈沖變壓器，特別是當其占空比變化較大時，最為困難。而LDI主要是對于輸入的PWM信號進行編碼，便于PWM信號通過脈沖變壓器進行傳遞。驅動輸出及其邏輯保護電路的核心芯片是IGD。它集合了變壓器接口、阻斷邏輯生產、狀態反饋、過流短路保護、欠壓檢測和輸出階段識別等功能于一身。每一個IGD用于一個通道，主要功能是對變壓器傳來的信號進行解碼，并對PWM信號進行功率放大，對IGBT過流、短路及副邊電源欠壓檢測保護，向LDI反饋副邊狀態，以產生短路保護的響應時間和阻斷時間等。

2 驅動電路設計

2.1 前級驅動電路

    由于驅動器放置在IGBT模塊上，控制器與驅動板之間的邏輯信號走線相對較長，為了提高信號的抗干擾能力，在驅動信號送入模塊前，用光耦進行了隔離，設計的前級驅動電路如圖2所示。當有信號輸入時，信號經過光耦隔離、波形整形、鎖死/去鎖死，最終送入2SC0535模塊。

2.2 信號鎖存指示

    故障輸出端SO1、SO2為集電極開路電路，外部需要接上拉電阻。當故障發生時，相應通道的SOx輸出低電平；否則，輸出高電平。如果電源欠壓，電源欠壓檢測電路也會輸出低電平。如圖3所示，當有錯誤發生時，U10A管腳被拉低，U10C、U10D輸出由高電平跳變為低電平，D觸發器U9在此刻的下降沿將錯誤信號鎖存住，相應的錯誤指示燈亮。此時由于U10A與U10B的配合，即使錯誤消失，錯誤信號一直被鎖住不變，直到手動按鍵S1才能恢復。利用撥碼開關可以實現信號的鎖死與去鎖死功能。如果將LOCK端與Key1端接在一起，則只要有錯誤發生時，LOCK端的持續低電平會將兩路輸入信號全部封鎖，確保了IGBT的安全運行。如果將unLOCK與Key1連接，則輸入信號不會受到另一路錯誤信號的封鎖，而是被全部送到模塊內部，由模塊判斷并封鎖對應的輸入信號。

2.3 死區時間和工作模式

    2SC0535提供兩種工作模式可供選擇，即直接模式和半橋模式。對于直接模式，將MOD輸入端連接到GND就可以了。在這種模式下，兩個通道互不影響。在半橋拓撲中，只有當控制電路產生了足夠的死區時間，可以使每個IGBT都安全工作時，才能選擇此模式，因為兩個IGBT同時導通或者重疊導通會導致直流母線短路。當MOD端通過一個71 kΩ～181 kΩ電阻R_m接到GND后，則選擇了半橋模式。參考圖4，在此模式下，INA作為驅動信號的輸入端，而INB則作為信號的使能端。

    死區時間T_d可以通過電阻R_m來設定，見式（1）：

2.4 有源鉗位保護

    有源鉗位電路的目的是鉗位IGBT的集電極電位，避免關斷過程中因V_ce過壓而損壞IGBT。如果關斷時產生的電壓尖峰太陡，都會使IGBT受到威脅。IGBT在正常情況關斷時會產生一定的電壓尖峰，但是數值不會太高。但在變流器過載或者橋臂短路時關斷管子，產生的電壓尖峰則非常高，此時IGBT非常容易損壞。如圖5所示，其工作原理是：當集電極電位過高時，TVS被擊穿，電流I_AAC流進ASIC(專用集成電路)的ACC單元。該電流大于40 mA時，下管MOSFET開始被線性關斷；當電流大于500 mA時，下管MOSFET完全關閉。此時門極處于開路狀態，I_z會向門極電容充電，使門極電壓從米勒平臺回到+15 V，從而使關斷電流變緩慢，達到電壓鉗位的效果。這個電路的特點是TVS的負載非常小，TVS的工作點非常接近額定點，鉗位的準確度及電路的有效性得到大大提高。在3 300 V的IGBT中，使用了串聯8個300 V的TVS，其中7個單向，1個雙向，獲得了良好的鉗位效果。

2.5 短路保護

    IGBT短路保護的基本工作原理如圖6所示，電路由一個比較器和相應的電路完成。

    (1)比較器的反相輸入端，B點為參考電壓值。具體電壓值為恒流源150 μA乘以R_thx。

    (2)比較器的同相輸入端，對于A點，分兩種情況：

    ①如果IGBT正常導通，則集電極為飽和電壓值，D_m反向截止，C_a無充電回路，A點電位穩定。

    ②IGBT短路時，集電極電位升至母線電壓，此時電流走向如圖6虛線所示，分為兩路。由于R_Vce的限流作用，15 V電源作為負載源，使得A點電位通過R_m給C_a充電而迅速提高，最終等于15 V加上D_m和并減去R_m上的壓降。SCALE-2這種保護方式比SCALE中的保護動作更快，也更可靠。這時集電極電壓的高壓主要承受在R_Vce上。

    2SC0535驅動器的每一個通道都配有V_ce檢測電路。驅動器將會可靠地進行IGBT短路保護，但是不一定能進行過流保護。過流保護的時間優先級較低，可以通過外電路集中式保護在控制器中實現。

    在響應時間內，V_ce檢測電路不起作用。響應時間是指從功率半導體開通后直至驅動器開始檢測集電極電位所經過的時間。如圖7所示，每個通道的IGBT集電極-發射極電壓是獨立檢測的。在導通狀態下經過響應時間后再檢測V_ce，以判斷短路或過流狀況。如果在響應時間結束時，測得V_ce超出動態閾值V_cethx，則驅動器判斷為短路或過流。然后，驅動器關閉相應IGBT。故障信號立即傳送到相應的SOx輸出端。該IGBT一直保持關斷，且SOx一直指示故障，直至阻斷時間T_b結束。在響應時間區間外，當V_ce超過閾值時，T_b開始計時。設置R_Vce的電阻值，以使R_Vce流過0.6～1 mA的電流，但不能超過1 mA。

2.6 門極鉗位保護

    IGBT短路時會進入線性區，這就意味著在線性區內，門極可以強烈地影響短路電流。如果門極電壓高于15 V，則短路電流會沖得很高，比Datasheet上給定的短路電流倍數要高很多，這是很危險的。在IGBT短路時，集電極電流I_c急劇增大，由于IGBT存在米勒效應，導致門極電位會有上升的趨勢。這種作用是來自集電極的，并不是來自驅動電路。如果不對門極電位進行鉗位，短路電流可能會沖得很高，IGBT也會超出短路安全工作(SCSOA),甚至產生閂鎖效應，損壞IGBT。為了保證IGBT短路時，短路電流不超過規定范圍，門極鉗位電路是十分必要的。圖8所示的是基于SCALE-2芯片組的IGBT驅動器門極鉗位電路。當IGBT發生短路時，二極管D1會將門極電位鉗位在15 V，不至于由于IGBT米勒效應而使門極電位升高，造成短路電流劇烈增加，損壞IGBT。

3 實驗波形

    測試平臺原理圖如圖9所示。配合雙脈沖，可以方便觀測IGBT在一個周期內的波形。

    圖10的波形是一個完整的雙脈沖實驗波形，母線電壓為1 600 V。

    圖11是IGBT第一次關段時候的波形，可以看出隨著門極電壓從+15 V下降到-10 V，IGBT的V_ce電壓開始上升，V_ce上升到1 600 V(峰值1 700 V，與主電路中雜散電感和電流下降速率相關)，IGBT電流從600 A下降到0。

    圖12是IGBT第二次開通和關段的波形，當門極電壓從-10 V上升到+15 V，IGBT的V_ce電壓從1 600 V下降到V_cesat，IGBT電流從0上升到1 000 A。其中清晰可見二極管反向恢復電流。

    考慮到短路試驗的危險性，將雙脈沖平臺上管IGBT用一個很粗的導線短接，而非粗短的銅排，并用了一個寬度為11 μs的脈沖進行實驗。波形2為母線電壓V_ce，V_ce=1 800 V。從圖13中可以看出，由于短接導線的電感量相對于銅排的大一些，短路電流的上升速率并不是特別大。從IGBT退飽和到電流被關斷時間約為5 μs，關斷時刻短路電流最大值達到了5.85 kA，電壓尖峰達到2.65 kV，有源鉗位動作顯著。

    本文根據IGBT的特性設計了基于2SC0535的驅動保護電路。試驗證明，設計的驅動保護電路性能良好，可在機車牽引方面得到廣泛的應用。

參考文獻

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[2] 周志敏，紀愛華.高效功率器件驅動與保護電路[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[3] 張爭龍，張浩然.基于變壓器的功率器件驅動電路的研究[J].微型機與應用，2013，32(2)：19-22.

[4] CONCEPT.2SC0535T description and application manual[EB/OL].(2012-03-08)[2014-06-03].http://igbt-driver.com/sites/default/files/product_document/application_manual/2SC0535T_Manual_0.pdf.

[5] 常文彬.牽引變流器IGBT驅動特性的研究[D].北京：北京交通大學，2012.