基于2ED020I12-FA隔离芯片的IGBT驱动电路研究与设计

李祥来，颜渐德，谢卫才

(湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411104)

0 引言

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重要成果，广泛应用于工业传动、新能源发电、新能源汽车、轨道牵引等领域.为了保证其在设备中安全、可靠、高效地工作,其驱动电路的研究就显得尤为重要.驱动电路影响着IGBT的通态压降、开关损耗、承受电路电流电压时间参数，决定着IGBT工作运行中的静态与动态运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[1-2].而在实际应用运行中又要求驱动电路尽可能简单，因此IGBT驱动电路的设计非常关键.

针对 IGBT 驱动电路的设计要求，本文设计了基于英飞凌 2ED020I12-FA 驱动芯片的IGBT驱动电路.实验结果表明，该驱动模块具有驱动能力强、工作可靠等特点.

1 IGBT驱动技术的类型与要求

驱动电路的好坏直接决定了IGBT 模块能否正常可靠工作，除了隔离传输和功率放大作用外，还具备如下功能：减小二极管反向恢复电流尖峰、降低关断过压、减小 IGBT 开关损耗、抑制功率回路中的电磁干扰(EMI)，以及在故障情况下确保其运行在安全工作区.从控制策略角度出发，现阶段驱动电路可以分为被动式和主动式[3-4]，而主动式又包含开环和闭环两种控制方式，图1详细列出了IGBT栅极驱动电路控制技术分类.

图1 IGBT栅极驱动电路控制技术分类

为了实现更好的驱动功能,对驱动电路一般有以下几个要求[5-6]:

①提供有效的驱动电压；②保证合适的开关频率;③具有较强的抗干扰能力；④完善的保护功能；⑤功率回路与控制回路的隔离能力；⑥一定的电流驱动能力.

2 2ED020I12-FA隔离芯片的工作原理

2ED020I12-FA采用无芯变压器技术，实现控制回路与功率回路的隔离，它是一种双通道高压、高速电压型功率器件栅极驱动器，具有电压监测、欠压锁定、软关断、控制信号高低压差分输入、轨对轨输出、功率器件短路检测关断及米勒有源钳位等功能.

2.1 输入与输出

2ED020I12-FA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-FA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.

2ED020I12-FA初级具有互锁功能，可避免由微控制器产生错误的输入信号或EMI同时开关半桥的高边和低边造成短路.

2.2 欠压锁定( UVLO)功能

为确保IGBT可靠地开通与关断，2ED020I12-FA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VUVL值时，芯片2ED020I12-FA会发出关断信号，直接关断IGBT，这时芯片对输入信号处于无响应状态，供电电源恢复正常后，芯片也接入正常工作状态.判断信号传输是否正常，可通过芯片READY引脚的状态指示来确定.

2.3 过流保护与米勒钳位

IGBT的CE间电流大小与CE间电压近似成正比.根据其这一特性，2ED020I12-FA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].

IGBT的内部结构特点决定了在其CG与GE间存在寄生电容，若在半桥结构中打开下桥IGBT时会引起上桥IGBT的CE间电压变化，该电压变化也会使GE间的寄生电容充电，当CGE上感生的电压大于IGBT的栅极开通电压时便会导致上桥IGBT导通，从而形成上下桥臂直通的恶劣情形.该芯片为了有效消除这一现象 — 米勒效应，内部设计了保护电路，CLAMP引脚实时监测上桥IGBT栅极电压UGE，当GE间电压>2 V时芯片会自动打开内部晶体管，迅速释放CGE上的电荷，有效消除隐患.

3 驱动电路设计

3.1 DC/DC电源电路

IGBT的栅极驱动电压一般要求在±20 V以内，超过这个范围，栅-射极间的二氧化硅氧化膜结构就有可能发生绝缘破坏进而造成可靠性下降.所以IGBT开通的驱动电压一般设计在12～20 V，本设计为15 V.同理，为了更加可靠的关断IGBT，通常设计负压关断，根据IGBT厂家的指导意见，负压范围一般取-5 V至-10 V，本设计取-8 V.

驱动电源模块根据输出侧的结构，一般有两种方案，开环设计与闭环设计，所谓开环设计，输出侧的电压不是恒压的，电压随着驱动输出功率的大小变化而变化.闭环设计是恒压输出，在额定功率输出内都能实现稳定电压输出.虽然闭环设计比开环设计电路更加复杂，但驱动的可靠性和稳定性都好于开环方案.本设计采用的输出闭环设计，实现二次侧+15 V和-8 V的恒定.

下图2为基于QA151模块设计的隔离型驱动电源，一次侧输入为DC15 V，二次侧输出为+15 V和-8 V.

图2 DC/DC电源模块

3.2 驱动信号电路

基于2ED020I12-FA的IGBT驱动电路，如图3所示，这是一个半桥驱动电路.PWM信号输入为IN1、IN2，故障信号输出为FLT.在IGBT正常工作时，FLT信号输出为高电平，反之为低.驱动电路的状态指示灯为LED1、LED2，驱动模块正常工作时，指示灯亮，反之不亮.

以上桥臂驱动电路为例进行分析.上桥驱动的输入信号为IN1，信号首先经过钳位二极管D7，保证信号的幅值符合模块的输入要求，再经过R6、C14组成的RC滤波电路后，送入模块2ED020I12-FA的信号输入端INHS+, 同时INHS-端接信号的参考点GND,系统就形成了同相输入模式.PWM信号经模块隔离放大后，从OUTHS端输出，驱动能力为2 A，该驱动功率能直接驱动150 A以下的IGBT.为了提高驱动功率，在外部加了一级由Q1、Q2组成的推挽放大大路，经过功率放大后，峰值输出电流高达8 A.可以正常驱动600 A/1200 V及以下IGBT.

图3 基于2ED020I12-FA的半桥IGBT驱动电路

4 实验测试

为验证本文所述IGBT驱动电路设计的正确性，将其做成实物，在英飞凌IGBT模块FF450R12ME4上进行各项功能测试，主要包括PWM信号波的处理、驱动电流放大、故障封锁和故障反馈等.测试实物如图4所示，实物器件参数与电路中所标信息一致.

图4 驱动电路实物图

如图5、图6所示为IGBT驱动模块实际运行波形图，运行结果表明，该模块性能良好，达到了设计目标.具体表现为栅极驱动输出开通电压为15 V，关断电压为-7 V，输出电压上升有一个较为明显的缓冲平台，能有效抑制一次回路的过冲现象.

图5 PWM输入输出波形(10 kHz)

图6 PWM输入输出波形(15 kHz)

5 总结

本文基于英飞凌公司2ED020I12-FA芯片设计了完整的半桥IGBT驱动系统，其中包括驱动主电路、DC/DC电源电路、二级功率放大电路、过流保护电路等.经过在矿用机车感应电机拖动系统中的应用验证，该驱动模块具有结构简单、安装方便、工作稳定可靠等特点.