基于2SD315A模块的驱动器设计与实验

李 萍

北京信息科技大学自动化学院 北京 100192

电力电子器件构成的电能变换装置广泛应用于交直流电机、电气化铁道、高压直流输电、无功补偿、变频电器等工业、交通、电力、航空航天、家电领域。目前装置中的功率器件主要采用MOSFET，IGBT，装置的重要性能取决于驱动电路的驱动能力，因此驱动电路是信息与电能变换装置之间重要的电气接口。CONCEPT公司专为IGBT和MOSFET功率器件可靠工作、安全运行设计了2SD315A型驱动模块。驱动模块集成了自检、状态反馈、DC/DC独立电源，是一种完全隔离的智能驱动电路。

1 驱动模块工作原理

2SD315A主要由LDI(LogIC to Driver Interface)，脉冲变压器，IGD(Intelligent Gate Driver)和DC/DC变换器构成(如图1所示)[1]。LDI电路功能是将输入的PWM脉冲信号转化为控制脉冲变压器的信号，并将频率、占空比信息通过脉冲变压器传输到功率驱动信号上。IGD电路功能就是对脉冲变压器输出的PWM信号进行功率放大，并对所驱动的功率器件工作状态进行检测，实现短路、过流、电源欠压的保护功能，还可向LDI提供状态反馈信息，产生短路保护相应时间和脉冲阻断时间等。

图1 2SD315AI模块内部结构示意图

有两种工作模式可供选择，半桥模式和直接模式。驱动器的MOD管脚接地则工作在半桥模式，接电源则工作在直接模式。

2SD315A具有较宽的输入逻辑电平；可灵活方便选择工作模式；具有短路和过流保护功能；具有欠压检测功能；可动态设定短路保护阈值；输入、输出及各通道间完全电气隔离；输出功率大，可实现多管驱动。

2 驱动器电路设计

基于上述2SD315A驱动模块的工作原理设计了驱动接口电路(如图2所示)。

图2 驱动器电路原理图

2.1 工作模式选择

在半桥工作模式中，驱动器的InA管脚作为PWM脉冲输入信号，InB管脚作为脉冲允许信号。只需在驱动器的RC1，RC2管脚外部加入简单的RC电路，便可以产生长度从100 ns到几ms的死区时间。在直接工作模式中，管脚InA和InB分别是两个通道的输入PWM脉冲信号，两个通道之间互相独立，没有互锁功能与设置死区时间。若控制中PWM脉冲信号由控制器产生，死区时间可以通过软件直接设置，因此驱动器选取了直接工作模式。

2.2 PWM脉冲信号

为了解决输入脉冲信号传输需要一定距离，而较长的距离会受到干扰问题，通常会用光纤传输、电流环传输、绝缘隔离传输、差动传输以及强信号传输等。强信号传输是驱动器的PWM脉冲输入信号采用+15 V电平以提高信噪比。同时，信号传输采用双绞屏蔽线，单端接地，大幅降低了噪声的影响。输入高电平电压范围是5～15 V。

2.3 驱动电源检测

当VDD＞12 V时，Z2反向击穿，Q1导通，Q2截止，VL为高电平，驱动器开通；当VDD＜12 V时， Q1截止，Q2导通，VL为低电平，IGD输出负门极电压，IGBT关断，同时输出错误信息。

2.4 IGBT接口电路

驱动接口电路采用对称参数开通、关断电阻，不仅可以减小驱动电阻功率，还可分别控制dv/dt和di/dt的开通和关断，从而减小米勒效应的感生开通。

2.5 状态指示

利用指示灯显示上下桥臂工作状态。IGD导通集电极时，输出约5 mA，在管脚Visox和Lsx间需串一个电阻和发光二极管指示通道x的工作状态，正常情况下发光二极管亮，当发生欠压或短路故障时发光二极管灭。

2.6 驱动电阻选择

为了改善控制脉冲前后沿的斜率和防止振动，减小IGBT集电极大电压尖脉冲，既能获得良好的驱动脉冲，又能控制IGBT通断状态的过渡时间，2SD315A最大输出电压正反向都是15 V，最大输出电流15 A，则Rgmin=2 Ω。这里采用3个10 Ω电阻并联，Rg=3.3 Ω。

2.7 过流、短路保护阈值电阻选择

当IGBT工作在饱和区，集电极电流Ic较大，且与集电极电压Vce近似成正比关系时，2SD315A检测IGBT集电极饱和电压VCE(sat)以判断IGBT是否过流或短路，电路原理如图3所示[2]。

图3 IGBT的c极采集电路原理图

IGD内部集成了比较器和恒流源电路，在IGBT导通无过流或短路状况时，比较器输出低电平，否则，输出高电平。比较器的同相端、反向端分别通过电阻、二极管电容连接到IGBT的集电极和发射极，检测Vce的变化。其中1.4 mA的恒流源经外接电容Ca、电阻Rm和两只串联的二极管Dm连接到IGBT集电极。当IGBT导通时，集电极电压降低，二极管Dm将导通，恒流源经IGBT的E极，此时比较器同相端电位为

式中，Rm=180 Ω，VD=1.2 V。

反相端电位则由外接电阻Rth确定，

当IGBT过流或短路，集电极电压Vce上升，比较器的同相端电位上升，当其高于反相端的电位时，比较器输出高电平，保护电路将关断IGBT。保护门限电位由外接电阻决定，该电阻确定公式为：

由于电流源不易受干扰，采用恒流源电路实施过流保护可增加保护电路的稳定性[3]。

3 驱动器实验

【实验目的】

(1)通过2SD315A外围电路设计，测试脉冲驱动信号发生电路工作性能，验证电路设计方法有效性。

(2)掌握驱动电路测试基本方法。

【实验要求】

(1)设计并搭建IGBT功率开关器件工作主电路。

(2)利用单片机或信号发生器产生PWM信号，测试开关频率，脉冲幅值。

(3)PWM驱动电路连接于IGBT功率器件的G和S两端，构成完整的 IGBT工作电路，测试脉冲驱动信号频率，幅值，测试IGBT功率器件D和S两端电压波形。

根据电路原理图设计并制作的驱动器的电路板(如图4所示)。

图4 2SD315A模块的驱动器电路板

根据实验要求学生设计了测试驱动电路性能的主电路，将功率器件IGBT接入电感、续流二极管、电源构成的测试回路；采用信号源发生器产生高电平为12V，占空比为80%、频率为1 kHz的PWM信号，接入驱动板PWM信号输入端，开启主电路工作电源，测得驱动器输出的脉冲信号如图5所示。改变输入PWM信号的占空比、频率，输出驱动信号也跟随变化，并观察脉冲信号高电平与低电平幅值。学生也可完成IGBT功率器件D和S两端电压波形的测试，观察波形频率及幅值。通过观测脉冲波形可以看出脉冲上升时间短，高电平平稳无抖动，脉冲下降时间快，说明所设计的驱动电路性能优良，能很好实现IGBT的驱动功能。

图5 驱动器输出脉冲波形

4 结语

在学生掌握2SD315A驱动模块工作原理基础上，设计基于直接控制方式的驱动接口电路，构成具有工作状态显示、出错报警功能，安全、可靠的驱动器，通过设置驱动性能测试的实验教学环节，学生更进一步认识与掌握2SD315A模块及外围电路功能，学习驱动电路设计方法和测试方法。试验验证驱动器的性能优良，可将该驱动电路应用于单开关斩波驱动电路或双开关整流器、逆变器单相桥臂的驱动中。