大功率IGBT模塊的驅(qū)動板保護方法

大功率IGBT逆變器的研制過程中，我們選用英飛凌公司的的大功率IGBT模塊FF 400 R 33 KF2（400A/3300V）。由于大功率IGBT模塊需要的瞬時驅(qū)動電流大，而常用IGBT驅(qū)動模塊EX841、M57962等的驅(qū)動功率有限，至此， 選用了2SD31I-33。該模塊驅(qū)動能力 強，峰值電流可達 ，隔離能力強，有完善的保護功能。另外，在高壓大功率場合下，開關管開通關斷的 、 很高，很容易對控制電路等弱電信號造成干擾，嚴重威脅高壓大功率逆變器的安全運行。因此，本系統(tǒng)采用了光纖連接器來隔離主電路和控制電路。光纖連接器實現(xiàn)了PWM控制信號的遠距離傳輸，延時小而且從根本消除了來自功率開關器件的干擾。本文結合驅(qū)動模塊2SD31I-33和光纖連接器HFBR1521/2521，給出了高壓大功率逆變器中IGBT模塊的驅(qū)動保護方法。

　　1 2SD31I-33模塊介紹

　　 2SD31I-33模塊是CONCEPT公司生產(chǎn)的SCALE系列驅(qū)動器之一，是驅(qū)動和保護大功率IGBT的集成驅(qū)動模塊，內(nèi)部集成有過流保護電路。它有兩個驅(qū)動輸出通道，適合兩個單管或一個半橋式的雙單元IGBT模塊。作為半橋驅(qū)動器的時候，可以非常方便改變外接的RC死區(qū)設置環(huán)節(jié)來設置死區(qū)時間。

　　1.1 2SD31I-33驅(qū)動模塊內(nèi)部結構

　　2SD31I-33模塊內(nèi)部結構框圖如圖1所示，包含兩路IGBT驅(qū)動電路。內(nèi)部電路可以分為3大功能部分：*功能部分是LDI主要接收來自控制側(cè)的信號，經(jīng)過處理后送給下一級IGD;并將IGD通過隔離變壓器傳送過來的短路、過流等信號處理之后送給控制電路。第二功能部分是IGD主要接收來自LDI的控制信號并輸出驅(qū)動脈沖;同時，它還負責檢測過流、短路等故障。第三功能部分是是輸出與輸入相隔離的DC/DC變換器，為IGD驅(qū)動提供兩路隔離電源。

　　1.2 2SD31I-33的主要特點

　　（1）可選擇的工作模式和死區(qū)設置

　　2SD31I-33驅(qū)動模塊有兩種工作模式，即直接模式和半橋模式，靠模式選擇端MOD來決定。當模式選擇端MOD外接高電平VCC的時候就選擇了直接工作模式。在直接模式中兩個驅(qū)動通道是相互獨立的，INA 和INB分別為兩個通道的輸入，SO1 和SO2分別是兩個通道工作狀態(tài)輸出端。這種工作模式下死區(qū)時間設置端RC1、RC2 一定要同時接地。如果MOD端子接地，則選擇了半橋工作模式。半橋模式工作時，該驅(qū)動器同時驅(qū)動一個橋臂上的兩個IGBT，此時死區(qū)時間設置端根據(jù)需要外接RC電路以產(chǎn)生所需要的死區(qū)時間。在半橋工作模式下，INA為PWM輸入信號，2SD31I-33模塊將INA的輸入信號分為兩路互補并加入了死區(qū)的驅(qū)動信號，送給一個橋臂的上下管。INB為保護信號。

　　（2）短路過流保護

　　2SD31I-33驅(qū)動器內(nèi)部集成了過流保護電路，通過集電極檢測電路來保護功率半導體器件。每個通道檢測功率半導體Vce飽和導通壓降，由于飽和導通壓降Vce和Ic近似成正比例關系，通過檢測Vce就可以判斷回路是否短路或過流。需要注意的是輸出端子Cx不能直接連接到主回路的集電極上，必須通過一個或兩個串聯(lián)在一起的反向二極管來保護測量端，一般選用1N4007作為串聯(lián)使用的二極管。通過比較檢測到的電壓Vce和預設的閾值保護電壓來確定是否過流，如發(fā)生過流則 和 輸出過流保護信號，同時發(fā)出封鎖信號封鎖輸出，封鎖時間大約有1s左右的時間。

　　2 光纖傳送原理

　　光纖傳送分為三部分：光纖發(fā)送器、光纖、光纖接收器。

　　本系統(tǒng)中采用的光纖發(fā)送器和接收器分別為HFBR-1521和HFBR-2521。以HFBR-1521和HFBR-2521為例來說明。

　　HFBR-1521內(nèi)部為一發(fā)光二級管。HFBR-2521內(nèi)部為一光控的集電極開路三級管，有光信號時，三級管導通，輸出Vo為低電平;沒有光信號時，三級管截止，輸出Vo被上拉為高電平。

　　光纖傳輸信號的zui遠距離和傳輸速率有很大關系，40 kBd時，可傳輸120m;5 MBd時，可傳輸20m。

　　3 系統(tǒng)設計

　　3.1 光纖隔離

　　光纖發(fā)送器采用HFBR-1521，接收器采用HFBR-2521。

　　光纖連接圖如圖3所示，PWM信號為DSP發(fā)出的控制信號，INA/INB送到驅(qū)動模塊2SD31I-33的PWM接收腳INA和INB。

　　施密特觸發(fā)器74ALS14主要作用：

　　（1）波形整形和驅(qū)動放大

　　（2）在光纖由于意外情況損壞時，光纖接收器的1腳Vo為高電平，經(jīng)過74ALS14反向后使得INB電平變低，及時關斷IGBT模塊，保證整個系統(tǒng)的可靠性，因而74ALS14*。

　　3 .2 驅(qū)動模塊外圍電路設計

　　驅(qū)動電路采用半橋工作模式，如圖4所示。INA為驅(qū)動模塊的PWM輸入引腳，INB為保護信號輸入引腳。INA輸入信號通過驅(qū)動模塊內(nèi)部處理，分成兩路加入了死區(qū)的互補信號，從根本上避免了IGBT橋臂直通的危險。死區(qū)時間由外接的RC決定。INB為保護信號，當INB輸入低電平時，驅(qū)動模塊封鎖兩路驅(qū)動脈沖。

　　3.3 保護電路的設計

　　系統(tǒng)保護電路如圖5所示，SO為驅(qū)動模塊2SD31I-33的故障信號。當出現(xiàn)過流等故障時，驅(qū)動模塊立即封鎖驅(qū)動脈沖，且SO變?yōu)榈碗娖健?/font>SO信號通過處理后得到Error信號，Error信號送回控制電路，進行故障保護。同時，SO信號經(jīng)過一定的延時之后送到2SD31I-33模塊的VL/Reset腳，清除模塊內(nèi)部的故障信息，為故障消除后驅(qū)動模塊重新工作作準備。