基于2SC0535的大功率IGBT驱动保护电路设计*

文 阳 ，杨 媛 ，高 勇

（1.西安理工大学 自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048；2.西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安 710048）

随着科学技术的发展，具有高耐压、大电流、开关速度高和低饱和压降等诸多优点的IGBT在机车牵引、有源滤波、新能源等电力电子领域有了更为广泛的应用[1]。而IGBT的驱动与保护是由IGBT驱动器来完成的，高性能的驱动器可以让IGBT工作在较为理想的开关状态，减小开关损耗。应用在大功率或者环境复杂多变场合下的IGBT，鉴于其特殊性，对于IGBT驱动器的要求就更为严格，如需具备瞬间驱动电流大、可靠性要求高、有完备的保护、集成度高等特点[2]。本文介绍了瑞士CONCEPT公司的2SC0535驱动器，并采用其作为核心部件，设计了前级驱动电路、后级功率驱动电路、故障信号指示电路。最终用双脉冲平台和3 300 V/1 200 A IGBT进行了实验。实验证明，该驱动器具有良好的驱动与保护功能[3]。

1 2SC0535简介

2SC0535装备了CONCEPT公司最新的SCALE-2芯片组[4]。SCALE-2芯片组是一套专用集成电路（ASIC），包含智能门级驱动所需的大部分功能。该模块采用变压器隔离方式，可以同时驱动两个IGBT模块，提供+15 V、-10 V门级驱动电压和±35 A的驱动电流。图1为2SC0535的功能框图，它主要由DC/DC转换电路、输入处理电路、驱动输出及逻辑保护电路组成[5]。

DC/DC转换电路将输入部分与工作部分进行隔离。输入处理部分由LDI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，特别是当其占空比变化较大时，最为困难。而LDI主要是对于输入的PWM信号进行编码，便于PWM信号通过脉冲变压器进行传递。驱动输出及其逻辑保护电路的核心芯片是IGD。它集合了变压器接口、阻断逻辑生产、状态反馈、过流短路保护、欠压检测和输出阶段识别等功能于一身。每一个IGD用于一个通道，主要功能是对变压器传来的信号进行解码，并对PWM信号进行功率放大，对IGBT过流、短路及副边电源欠压检测保护，向LDI反馈副边状态，以产生短路保护的响应时间和阻断时间等。

图1 2SC0535的功能框图

2 驱动电路设计

2.1 前级驱动电路

由于驱动器放置在IGBT模块上，控制器与驱动板之间的逻辑信号走线相对较长，为了提高信号的抗干扰能力，在驱动信号送入模块前，用光耦进行了隔离，设计的前级驱动电路如图2所示。当有信号输入时，信号经过光耦隔离、波形整形、锁死/去锁死，最终送入2SC0535模块。

图2 前级驱动电路

2.2 信号锁存指示

图3 信号锁存指示电路

故障输出端SO1、SO2为集电极开路电路，外部需要接上拉电阻。当故障发生时，相应通道的SOx输出低电平；否则，输出高电平。如果电源欠压，电源欠压检测电路也会输出低电平。如图3所示，当有错误发生时，U10A管脚被拉低，U10C、U10D输出由高电平跳变为低电平，D触发器U9在此刻的下降沿将错误信号锁存住，相应的错误指示灯亮。此时由于U10A与U10B的配合，即使错误消失，错误信号一直被锁住不变，直到手动按键S1才能恢复。利用拨码开关可以实现信号的锁死与去锁死功能。如果将LOCK端与Key1端接在一起，则只要有错误发生时，LOCK端的持续低电平会将两路输入信号全部封锁，确保了IGBT的安全运行。如果将unLOCK与Key1连接，则输入信号不会受到另一路错误信号的封锁，而是被全部送到模块内部，由模块判断并封锁对应的输入信号。

2.3 死区时间和工作模式

2SC0535提供两种工作模式可供选择，即直接模式和半桥模式。对于直接模式，将MOD输入端连接到GND就可以了。在这种模式下，两个通道互不影响。在半桥拓扑中，只有当控制电路产生了足够的死区时间，可以使每个IGBT都安全工作时，才能选择此模式，因为两个IGBT同时导通或者重叠导通会导致直流母线短路。当MOD端通过一个 71 kΩ～181 kΩ电阻 Rm接到 GND后，则选择了半桥模式。参考图4，在此模式下，INA作为驱动信号的输入端，而INB则作为信号的使能端。

图4 半桥模式中的信号逻辑

死区时间Td可以通过电阻 Rm来设定，见式（1）：

其中，0.6 μs＜Td＜4.1 μs，72 kΩ＜Rm＜182 kΩ。

2.4 有源钳位保护

有源钳位电路的目的是钳位IGBT的集电极电位，避免关断过程中因Vce过压而损坏IGBT。如果关断时产生的电压尖峰太陡，都会使IGBT受到威胁。IGBT在正常情况关断时会产生一定的电压尖峰，但是数值不会太高。但在变流器过载或者桥臂短路时关断管子，产生的电压尖峰则非常高，此时IGBT非常容易损坏。如图5所示，其工作原理是：当集电极电位过高时，TVS被击穿，电流IAAC流进ASIC(专用集成电路)的ACC单元。该电流大于40 mA时，下管MOSFET开始被线性关断；当电流大于500 mA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+15 V，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，钳位的准确度及电路的有效性得到大大提高。在3 300 V的IGBT中，使用了串联8个300 V的TVS，其中7个单向，1个双向，获得了良好的钳位效果。

图5 有源钳位工作原理图

2.5 短路保护

IGBT短路保护的基本工作原理如图6所示，电路由一个比较器和相应的电路完成。

图6 IGBT短路保护原理图

(1)比较器的反相输入端，B点为参考电压值。具体电压值为恒流源150μA乘以Rthx。

(2)比较器的同相输入端，对于A点，分两种情况：

①如果IGBT正常导通，则集电极为饱和电压值，Dm反向截止，Ca无充电回路，A点电位稳定。

②IGBT短路时，集电极电位升至母线电压，此时电流走向如图6虚线所示，分为两路。由于RVce的限流作用，15 V电源作为负载源，使得A点电位通过Rm给Ca充电而迅速提高，最终等于15 V加上Dm和并减去Rm上的压降。SCALE-2这种保护方式比SCALE中的保护动作更快，也更可靠。这时集电极电压的高压主要承受在RVce上。

2SC0535驱动器的每一个通道都配有Vce检测电路。驱动器将会可靠地进行IGBT短路保护，但是不一定能进行过流保护。过流保护的时间优先级较低，可以通过外电路集中式保护在控制器中实现。

图7 IGBT的开通特征

在响应时间内，Vce检测电路不起作用。响应时间是指从功率半导体开通后直至驱动器开始检测集电极电位所经过的时间。如图7所示，每个通道的IGBT集电极-发射极电压是独立检测的。在导通状态下经过响应时间后再检测Vce，以判断短路或过流状况。如果在响应时间结束时，测得Vce超出动态阈值Vcethx，则驱动器判断为短路或过流。然后，驱动器关闭相应IGBT。故障信号立即传送到相应的SOx输出端。该IGBT一直保持关断，且SOx一直指示故障，直至阻断时间Tb结束。在响应时间区间外，当Vce超过阈值时，Tb开始计时。设置 RVce的电阻值，以使 RVce流过 0.6～1 mA的电流，但不能超过1 mA。

2.6 门极钳位保护

IGBT短路时会进入线性区，这就意味着在线性区内，门极可以强烈地影响短路电流。如果门极电压高于15 V，则短路电流会冲得很高，比Datasheet上给定的短路电流倍数要高很多，这是很危险的。在IGBT短路时，集电极电流Ic急剧增大，由于IGBT存在米勒效应，导致门极电位会有上升的趋势。这种作用是来自集电极的，并不是来自驱动电路。如果不对门极电位进行钳位，短路电流可能会冲得很高，IGBT也会超出短路安全工作(SCSOA),甚至产生闩锁效应，损坏IGBT。为了保证IGBT短路时，短路电流不超过规定范围，门极钳位电路是十分必要的。图8所示的是基于SCALE-2芯片组的IGBT驱动器门极钳位电路。当IGBT发生短路时，二极管D1会将门极电位钳位在15 V，不至于由于IGBT米勒效应而使门极电位升高，造成短路电流剧烈增加，损坏IGBT。

图8 门极钳位

3 实验波形

测试平台原理图如图9所示。配合双脉冲，可以方便观测IGBT在一个周期内的波形。

图9 双脉冲测试平台原理图

图10的波形是一个完整的双脉冲实验波形，母线电压为1 600 V。

图11是IGBT第一次关段时候的波形，可以看出随着门极电压从+15 V下降到-10 V，IGBT的 Vce电压开始上升，Vce上升到1 600 V(峰值1 700 V，与主电路中杂散电感和电流下降速率相关)，IGBT电流从600 A下降到0。

图10 双脉冲测试波形

图11 第一次关断波形

图12是IGBT第二次开通和关段的波形，当门极电压从-10 V上升到+15 V，IGBT的 Vce电压从 1 600 V下降到Vcesat，IGBT电流从0上升到1 000 A。其中清晰可见二极管反向恢复电流。

图12 第二次开通和关断波形

图13 短路实验波形

考虑到短路试验的危险性，将双脉冲平台上管IGBT用一个很粗的导线短接，而非粗短的铜排，并用了一个宽度为11μs的脉冲进行实验。波形2为母线电压 Vce，Vce=1 800 V。从图13中可以看出，由于短接导线的电感量相对于铜排的大一些，短路电流的上升速率并不是特别大。从IGBT退饱和到电流被关断时间约为 5μs，关断时刻短路电流最大值达到了5.85 kA，电压尖峰达到2.65 kV，有源钳位动作显著。

本文根据IGBT的特性设计了基于2SC0535的驱动保护电路。试验证明，设计的驱动保护电路性能良好，可在机车牵引方面得到广泛的应用。

[1]范立荣，张凯强.一种适合中频感应加热电源的IGBT驱动技术[J].微型机与应用，2014，33(8)：22-25.

[2]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.

[3]张争龙，张浩然.基于变压器的功率器件驱动电路的研究[J].微型机与应用，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.牵引变流器IGBT 驱动特性的研究[D].北京：北京交通大学，2012.