基于2ED020I12－F2的IGBT驱动电路设计

马立新，费少帅，张海兵，栾 健

(上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)作为现代电力电子技术发展的产物，其是目前应用最为广泛的电力电子器件。IGBT作为产品核心部件，其驱动电路的安全可靠性直接关系着设备系统的正常工作，而驱动电路则影响着IGBT的通态压降、开关损耗、承受电路电流电压时间及dce/d t等参数，决定着IGBT工作运行中的静态与动态运行特性以及系统运行稳定性，需在系统运行中提供一定的死区时间，并在故障状态下可靠地关闭系统。而在实际应用运行中要求驱动电路尽可能简单，除了提供上述功能外，还需具有隔离弱电和强电的技术。

基于IGBT驱动电路的设计要求，本文提出一种基于英飞凌2ED020I12－F2驱动芯片的IGBT驱动电路，其中信号逻辑处理由2ED020I12－F2完成，且此电路具有DC/DC隔离自给电源功能，无需输出级单独供电，2ED020I12－F2内部应用无芯变压器技术隔离PWM驱动信号，从而使此电路在强电与控制信号两方面均实现了前后级隔离，并通过实验验证了该设计的合理性与正确性。

1 2ED020I12－F2的工作原理

2ED020I12－F2应用无芯变压器技术隔离信号侧与功率侧，其具有包括电压监测、欠压锁定、看门狗、软硬关断、控制信号高低压差分输入、轨对轨输出、IGBT短路检测关断及米勒有源钳位等功能，其内部结构如图1所示。

1.1 低压锁定(UVLO)功能与看门狗功能

为确保IGBT可靠地开通与关断，2ED020I12－F2对供电电压进行检测，当供电电源VCC1或VCC2的电压低于内部门限电压VULOL值时，芯片2ED020I12－F2会自动停止工作，并处于锁死状态。而芯片也会通过看门狗监测内部信号，判断信号传输是否正常，芯片正常与否，可通过芯片READY引脚的状态指示。

1.2 输入与输出

2ED020I12－F2有两种输入模式，一种为正向输入，此时需要将IN－脚接低电平。另一种为反向输入，这时需要将IN+脚接高电平。在信号电平输入方面，内部设有最小脉冲宽度限制，由此便会消除一定量的高频脉冲干扰。

2ED020I12－F2以推挽方式输出，内部MOSFET管压降较低，有效降低了最大电流输出时的功率损耗，提高了器件实际运行的可靠性。

1.3 过流保护

IGBT的CE间的电流大小与CE间的电压近似成正比。根据其这一特性，2ED020I12－F2通过检测DESAT引脚CE间的电压进行IGBT短路或过流的判定，当DESAT引脚电压＞9 V时，可通过芯片内部比较器输出低电平关闭驱动信号输出，从而确保IGBT不会因短路过热而烧坏。为不引起系统误保护，芯片还设计了时间消隐电路，此功能利用器件内部高精度恒流源与外部电容共同实现。

1.4 米勒钳位功能

IGBT的内部结构特点决定了在其CG与GE间存在一定容量的电容，若在半桥结构中打开下半桥IGBT时会引起上半桥IGBT的d uCE/dt的变化，因IGBT的CG之间存在电容CCG，则此时会产生电流iCE，此电流值为CCG·d uCE/d t。电流iCE通过米勒电容 CCG，门极电阻RG和CGE，当CGE上的电压大于IGBT的门极开通电压时便会导致IGBT导通，从而引起上下桥臂同时导通的极端恶劣情况。

此芯片为了消除米勒效应，设计了内部钳位电路，通过CLAMP引脚实时监测IGBT门极电压UGE，当GE间电压＞2 V时，芯片会自动打开内部MOSFET管，以使CGE电荷迅速释放。

图1 2ED020I12－F2的内部结构

2 IGBT驱动电路的设计

2.1 驱动主体电路设计

基于2ED020I12－F2的IGBT驱动电路，如图2所示。系统正常工作时，2ED020I12－F2根据IN脚输入给定的电平信号，输入信号电平范围0～20 V，因输入侧设有钳位二极管 D7、D10、D17、D23在 PWM 正常或IGBT工作正常情况下，FLT脚输出高电平，REDAY脚输出高电平，并导通外部三极管T3和T5，于是可通过发光二极管LED0和LED1判定芯片工作状态。

系统输出侧采用推挽电路输出控制信号，以上桥侧为例进行分析，2ED020I12－F2的OUTHS引脚通过门极电阻R7接推挽电路的门极，推挽电路由NPN型T1管和PNP型T2管构成，此推挽电路供电为+14 V和－8 V，所以得到IGBT门极控制信号为－8～+15 V的PWM控制信号。此电路的门极驱动功率具体可用下式得到:

门极驱动能量

门极驱动功率

驱动器总功率

平均输出电流

最高开关频率

峰值输出电流

其中，RGmin=RGext+RGint，QG为门极电压差时IGBT门极总电荷;FSW(max)为最高开关频率;Iout(AV)为单路输出的平均电流;Rgext为IGBT外部门极电阻;RGint为IGBT内部门极电阻。

若有系统发生短路或有大电流流过IGBT时，IGBT会从过饱和状态进入欠饱和状态，集电极－发射极之间电压迅速上升。当芯片DESAT脚监测到IGBT CE间电压值＞9 V时，此检测电压与内部比较器比较使芯片迅速封锁驱动输出，软关断IGBT，进而可防止d i/d t变化导致的高压，也可防止IGBT继续过热而发生损坏;同时触发器件内部的反馈通道使FLT输出为低电平，通知系统控制器方面封锁PWM输出到IGBT驱动器，且LED0和LED1熄灭，从而保证了系统的可靠运行。

图2 基于2ED020I12－F2的IGBT驱动电路

2.2 系统供电设计

设计采用单电源 +15 V供电设计，其中VCC的+5 V供电由BUCK降压电路得到。输出级供电采用+15 V和－8 V供电，且其是由带隔离变压器功能的+15 V转+15 V和－8 V的隔离电源得到，具体如图3所示。由此使得控制信号和电源供电均实现了前后级的电隔离。

图3 输出侧隔离供电模块

3 实际运行

为验证此IGBT驱动电路设计的正确性，将其做成实物进行各种功能测试和IGBT故障测试，主要包括控制信号PWM波处理、驱动电流、RDY信号反馈、故障封锁和故障反馈等。其中，所有元件参数与电路参数相同，测试实物如图4所示。

实际运行中，IGBT使用英飞凌公司生产的FF400R12KE3进行测试，运行效果良好，与理论设计相一致，门极驱动输出为－8～+15 V的PWM，并具有一定的死区时间，驱动电流与本设计使用的门极电阻和IGBT内部门极电阻相关，驱动波形如图5所示。而当IGBT过流或VCE过压时，FLT输出由高电平转变为低电平回馈，且LED0和LED1熄灭，并瞬时关断PWM输出，从而起到了保护IGBT的作用。

图4 IGBT驱动电路板

图5 PWM输出波形

4 结束语

研究了2ED020I12－F2的工作原理，并在此基础上设计了基于2ED020I12－F2的IGBT驱动电路，此电路实现了信号的输入输出级隔离、输出级电源的DC/DC隔离、上下桥臂输出隔离，并满足IGBT驱动设计的一般要求，包括PWM死区控制、短路保护、欠压保护及软关断启动功能等。此外，还通过实验验证了该电路设计的正确性与可靠性。

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