新型IGBT驱动器2SC0435T的应用＊

罗志清 刘 庆 袁汉祖 赵小波

（武汉船舶通信研究所 武汉 430079）

1 引言

IGBT具有高耐压、大电流、高速和低饱和压降等良好特点，故应用广泛［1］。驱动电路作为控制电路与功率半导体器件之间的桥梁，在充分利用IGBT的性能，提高系统可靠性等方面发挥着关键作用［2～4］。IGBT驱动电路的设计除了考虑提供良好的驱动性能与可靠保护以外，还必须关注IGBT的寄生效应、电磁兼容性、绝缘电压、开关速度的优化、成本与集成度等问题［5～6］。设计高可靠性、高稳定性的IGBT驱动电路是一项复杂的系统工程［7］。

本文以CONCEPT公司的新型智能化IGBT驱动模块2SC0435T为例，分析了此驱动器的设计要点，给出了该驱动器的外围应用电路，并对应用中需要注意的关键问题进行了分析和讨论。

2 2SC0435T简介

2SC0435T是瑞士CONCEPT公司为高压IGBT的可靠工作和安全运行而设计的第二代驱动模块［9］。这款基于SCALE－2驱动内核的双通道驱动器集低成本、超紧凑于一身，而且有非常宽的应用范围［10］。2SC0435T驱动器专门为要求高可靠性的应用领域而设计，其集成了智能驱动、自检、状态反馈、有源箝位、DC／DC隔离电源等功能，并将控制部分与功率部分完全隔离，克服了传统驱动电路在大电压情况下电源隔离难的问题［11］。该模块采用脉冲变压器隔离方式，加上相应的外围电路之后，能同时产生两路IGBT驱动信号，具有准确可靠的驱动功能、灵活可调的过流保护与有源箝位功能，同时可对电源电压进行欠压检测；其工作频率可达100kHz，电气隔离可达到4000VAC。

2SC0435T内部包含有两路IGBT驱动电路，可用于驱动两路IGBT，且具有安全性、智能性与易用性等特点。其拥有两种工作模式：直接模式和半桥模式。在直接模式中，两个通道之间没有任何连接，需有两路输入信号。当用于半桥方式时，只需一路输入信号就可以直接产生具有死区时间PWM波。

3 IGBT驱动电路设计

笔者曾参与研制电力电子变流装置，主功率开关器件选用的是infineon公司的IGBT模块，下面以此为例来对2SC0435T的应用问题进行一些分析和讨论。以2SC0435T为核心的IGBT的驱动电路如图1所示。

在图1中，INA、INB为驱动信号的输入端，SO1、SO2为驱动电路的故障输出端，C1、G1、E1，C2、G2、E2为驱动电路的输出端，分别接至IGBT的集电极C，栅极G，发射极E。

IGBT驱动器通常处于强电磁场环境，如果输入信号采用电缆传输，此时输入信号的处理需要比较谨慎。如果驱动器INA，INB前端使用长线进行传输，窄脉冲抑制电路非常必要。这里需要选用施密特触发器，这样跳沿会陡峭，并且门电路要就近接入INA，INB，具体电路如图2所示。

图1 2SC0435T驱动外围电路典型电路图

图2 驱动器输入信号处理图

MOD端为模式选择端，该管脚通过一个电阻接地的方式来选择工作模式。当该输入端直接接地时，为直接模式。在该模式下，两个通道各自独立，相互没有影响，输入INA对应1通道，INB对应2通道。

当MOD端通过一个电阻接地时，驱动工作在半桥模式。在该模式下，输入INA、INB具有以下功能：INB作为使能输入，INA为驱动信号输入。

当输入INB为低电平时，两个通道同时闭锁；当INB变为高电平，则两个通道都被使能，输出信号由INA决定。当INA信号由低变高时，2通道的门极信号关断，1通道在经过一个死区时间TD后导通，其信号示意图如图3所示。

图3 半桥模式信号示意图

死区时间的值可以通过电阻RM来确定，根据以下公式：

其中0.6μs＜TD＜4.1μs，72kΩ＜RM＜182kΩ。

TB管脚可以通过一个电阻RB接地来设置阻断时间。电阻RB与阻断时间TB的关系式如下：

其中20ms＜TD＜130ms，71kΩ＜RB＜181kΩ。

当RB＝0Ω时，阻断时间的最小典型值为9μs，但是管脚TB一定不能悬空。

状态输出端SOX（X代表通道名称，1或者2，下同）为集电极开路输出，由于报错信号SO的管脚直接连到ASIC中，其内部为漏极开路电路，因此这个管脚对噪声比较敏感。如果有噪声进入这个管脚，会导致错误出现。对于SO信号的处理，有以下方法：

1）SO信号必须有明确的电位，最好就近上拉；

2）SO信号经过长线传输时，可以考虑配合门电路，以提高电压信号抗扰能力，且接收端要配合阻抗合适的下拉电阻；

3）SO接10Ω电阻，再用肖特基二极管做上下拉钳位保护；控制器端用电阻上拉。

当驱动器未检测到故障，其输出为高阻态。当驱动器检测IGBT模块过流、短路或者供电电源欠压时，相对应的状态输出口SOX变为低电平。在经过一个阻断时间TB之后，通过激励信号的边沿触发来自动复位SOX端口。

4 应用关键问题与分析

4.1 有源箝位

有源钳位电路的目标是钳住IGBT的集电极电位，使其不要到达太高的水平，如果关断时产生的电压尖峰太高，或者太陡，都会使IGBT受到威胁。其原因是随着系统的功率变大，IGBT的di／dt会增大，且杂散电感也会越大，因此电压尖峰会越高。

在IGBT短路时，关断短路电流的di／dt会更高，比关断额定电流要高很多，因此短路时电压尖峰更高。所以有可能出现，驱动器发现了IGBT的短路现象，并且也及时关断，但是由于di／dt太高，产生了非常高的电压尖峰，在关断该短路电流后仍然可以损坏IGBT。这时，有源钳位电路就非常必要。

基本的有源箝位电路的实现方法是在IGBT的集电极和门极之间用瞬态电压抑制二极管（TVS）建立一个反馈通道。图4所示为CONCEPT公司推出的基于SCALE－2芯片组的有源箝位的功能示意图。

图4 有源箝位功能示意图

当TVS被击穿时，电流IAAC会流进ASIC（专用集成电路）的AAC单元。该单元会根据IAAC的大小操纵下管MOSFET。当该电流大于40mA时，下管MOSFET开始被线性地关断，当电流大于500mA时，下管MOSFET完全关闭。

此时门极处于开路状态，Iz会向门极电容充电，使门极电压从米勒平台回到＋15V，从而使关断电流变缓慢，达到电压钳位的效果。这个电路的特点是TVS的负载非常小，TVS的工作点非常接近额定点，钳位的准度大大提高。

4.2 VCE监控／短路保护

2SC0435T的两个通道都有VCE监控电路，在图1的电路中，电阻Rthx用于定义关断的参考值，流过电阻Rthx的电流的典型值是150μA。

为了使2SC0435T具有通用性，设置响应时间的定时电容Cax没有被集成到驱动器内部，而需要在外部连接。在响应时间区域内，VCE监控电路不起作用。响应时间的定义是：从IGBT开通时刻起，到集电极电压检测生效的这个时间区间，如图5中所示。

图5 功率器件开通关断过程图

两个通道IGBT的VCE检测电路是各自独立的。在IGBT开通后，经过一段响应时间，就开始检测VCE，以此来判断是否出现短路或过流，如果在响应时间的结束时刻，检测到VCE超过了设定的门槛电压，驱动器即认为发生短路或过流，并将该通道的IGBT驱动信号关断，故障信号会马上传到相应的SOX状态输出口上，该通道的驱动信号会一直保持关断状态，直到阻断时间TB结束。每个通道的阻断时间TB是各自独立的，TB的起始时刻是：VCE超过了检测电路的门槛值的时刻，且TB是在响应时间区间以外的。

响应时间的数值由定时电容Cax的大小决定，它们的关系如表1所示。

表1 参考电阻（电压）与响应时间关系

4.3 二极管检测IGBT退饱和保护

2SC0435T可以利用二极管检测功率器件C、E之间饱和压降来进行保护，典型电路如图6所示。

图6 二极管检测IGBT退饱和保护典型电路

Rax用于设定合适的响应时间，其阻值可以由以下式子计算：

VGLx为驱动器关断电压，2SC0435T关断电压为－10V。Cax和Rax的推荐值为

Vce监控的门槛电压值等于REFx管脚的电位（150μA流过Rthx）减去180Ω的电阻的压降再减去D1、D2的导通压降。当IGBT关断时，VCEx的电位被拉低到COMx，IGBT开通时，电流流过Rax，并且电流的大小主要由Rax的阻值决定。

在这需要注意的就是，IGBT的最短关断时间不能短于Tmin［ns］＝1400＊Cax［nF］，目的是不减少下一个开通脉冲到来时的响应时间。

4.4 IGBT栅极电阻的选择

IGBT的开关特性受栅极电容的再充电控制，栅极电容的再充电可以通过栅极电阻控制。IGBT的动态性能可以通过栅极电阻值来调整。栅极电阻影响IGBT的开关时间、开关损耗、反向偏置安全运行区域（RBSOA）、短路电流安全运行区域（SCSOA）、EMI、dv／dt、di／dt和续流二极管的反向恢复电流。栅极电阻必须按照各个应用参数仔细选择和优化。所以在实际应用中要综合考虑，折衷选择驱动栅极电阻。在一般的应用中，遵循以下几个原则：

1）通常情况下，额定电流大的IGBT模块将采用较小的栅极电阻驱动；同样的，额定电流小的IGBT模块，将需要较大的栅极电阻。

2）一般而言，最优的栅极电阻值将介于IGBT数据手册中所列的值和大约两倍于数据表中所列值之间。

3）在大多数的应用中，导通栅极电阻RG（on）比关断栅极电阻RG（off）小。根据各自的参数，RG（off）约为RG（on）的两倍。

4）在应用中应使寄生电感最小，尤其是在直流环节电路中。保持IGBT关断过电压在IGBT数据表的指定范围内是必要的，特别是在短路情况下。

5）由于栅级电阻功率较大，建议使用电阻并联的形式。这将产生一个冗余，如果一个栅极电阻损坏，系统可临时运行，但开关损耗较大。采用栅级电阻并联的方式，也有利于增强热扩散。栅级电阻并联的布局必须保证栅极电阻所产生的过大热量不会使安装在附近的元件过热。在考虑布局时，必须为栅极电阻留出足够大的冷却区域。

6）栅极电阻电路和IGBT模块之间的距离应尽可能短。距离长会在栅极－发射极的通道上产生较大的电感。结合IGBT的输入电容，该线路电感将形成一个LC电路。

5 应用实例

本文以驱动infineon公司的IGBT为例，给出了驱动电路际波形；同时还给出驱动器在不同门极关断电阻情况下的输出波形。

图7 驱动输出波形图

图7是驱动电路带载输出波形图，其中RG（on）＝1.5Ω，RG（off）＝2Ω。从图中可看出，驱动激励信号与驱动输出脉宽基本一致，延时较小。图8分别是在不同的栅极关断电阻下，驱动电路的输出波形图，其中RG（on）＝1.5Ω。

图8 不同门极关断电阻下输出波形

从图中可看出，随着栅极关断电阻逐渐减小，驱动输出的下降时间逐渐变短，也即关断变快。

同时，将该驱动电路应用到工程实践上，其能稳定、可靠工作。在发生过流等故障时，驱动电路能及时、有效地起到保护的作用。

6 结语

本文介绍了一种以新型IGBT驱动器2SC0435T为核心的驱动电路的设计及应用。通过工程实践，证明该驱动器具有较强的动态驱动能力，而且包含有完善的短路过流保护、有源箝位功能和电源监控功能。此外，该驱动器外围电路简单可靠，使用方便灵活，应用场合广泛，是一款性能优良的驱动模块。

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［9］CT－Concept Technology Ltd.Description and Application Manual for SCALE Drivers.http：／／www.igbt－driver.com／en／produtcs／scale－2／scale－2－cores／2sc0435t.pdf.

［10］CT－Concept Technology Ltd.Description and Application Manual for SCALE Drivers.http：／／www.igbt－driver.com／en／produtcs／scale－2／scale－2－pnp.pdf.

［11］CT－Concept Technology Ltd.Description and Application Manual for SCALE Drivers.http：／／www.igbt－driver.com／en／produtcs／scale－2／scale－2－cores.pdf.