• 產(chǎn)品品牌： 英飛凌
• 產(chǎn)品Tag：IGBT模塊   FZ2400R12KE3

優(yōu)勢(shì)供應(yīng)FZ2400R12KE3英飛凌1單元1700V IGBT模塊
zui大電流:2400A
電大電壓:1200V
洽淡!

電力電子變換技術(shù)的發(fā)展，使得各種各樣的電力電子器件得到了迅速的發(fā)展。20世紀(jì)80年代，為了給高電壓應(yīng)用環(huán)境提供一種高輸入阻抗的器件，有人提出了絕緣柵雙極晶體管（IGBT）[1]。在IGBT中，用一個(gè)MOS門極區(qū)來(lái)控制寬基區(qū)的高電壓雙極型晶體管的電流傳輸，這就產(chǎn)生了一種具有功率MOSFET的高輸入阻抗與雙極型器件*通態(tài)特性相結(jié)合的非常誘人的器件，它具有控制功率小、開(kāi)關(guān)速度快和電流處理能力大、飽和壓降低等性能。在中小功率、低噪音和高性能的電源、逆變器、不間斷電源（UPS）和交流電機(jī)調(diào)速裝置的設(shè)計(jì)中，是目前zui為常用的一種器件。

2、關(guān)于IGBT的驅(qū)動(dòng)特性分析

IGBT驅(qū)動(dòng)電路原理示意圖

    為了提高系統(tǒng)的可靠性，功率器件的驅(qū)動(dòng)電路也在不斷的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了許多的驅(qū)動(dòng)集成電路。IGBT的觸發(fā)和關(guān)斷要求給柵極和發(fā)射極之間加上正向電壓和負(fù)向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生。當(dāng)選擇這些驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，必須基于以下的參數(shù)來(lái)進(jìn)行：器件的關(guān)斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。圖1為一典型的IGBT驅(qū)動(dòng)電路原理示意圖。因?yàn)镮GBT柵極-發(fā)射極阻抗大，F(xiàn)Z2400R12KE3故此可使用MOSFET驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行開(kāi)通，不過(guò)由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，IGBT的關(guān)斷偏壓應(yīng)該比許多MOSFET驅(qū)動(dòng)電路提供的偏壓更強(qiáng)。

對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路的一般要求[2,3]：

    1）柵極驅(qū)動(dòng)電壓：IGBT開(kāi)通時(shí)，正向柵極電壓的值應(yīng)該足夠令I(lǐng)GBT產(chǎn)生*飽和，并使通態(tài)損耗減至zui小，同時(shí)也應(yīng)限制短路電流和它所帶來(lái)的功率應(yīng)力。在任何情況下，開(kāi)通時(shí)的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，應(yīng)該在15～20 V之間。當(dāng)柵極電壓為零時(shí)，IGBT處于斷態(tài)。但是，為了保證IGBT在集電極-發(fā)射極電壓上出現(xiàn)dv/dt噪聲時(shí)仍保持關(guān)斷，必須在柵極上施加一個(gè)反向關(guān)斷偏壓，采用反向偏壓還減少了關(guān)斷損耗。反向偏壓應(yīng)該在-5～-15V之間。

    2）串聯(lián)柵極電阻（Rg）：選擇適當(dāng)?shù)臇艠O串聯(lián)電阻對(duì)IGBT柵極驅(qū)動(dòng)相當(dāng)重要。IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷是通過(guò)柵極電路的充放電來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此柵極電阻值將對(duì)IGBT的動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生極大的影響。數(shù)值較小的電阻是柵極電容的充放電較快，從而減小開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗。所以，較小的柵極電阻增強(qiáng)了器件工作的耐固性（可避免dv/dt帶來(lái)的誤導(dǎo)通），F(xiàn)Z2400R12KE3但與此同時(shí)，它只能承受較小的柵極噪聲，并可能導(dǎo)致柵極-發(fā)射極電容和柵極驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線的寄生電感產(chǎn)生振蕩。

    3）柵極驅(qū)動(dòng)功率：IGBT的開(kāi)關(guān)要消耗來(lái)自柵極電源的功率，其功率受柵極驅(qū)動(dòng)正、負(fù)偏置電壓的差值△VGE、FZ2400R12KE3柵極總電荷QG和工作開(kāi)關(guān)頻率fs的影響。電源的zui大峰值電流IGPK為：IGPK=±（ΔVGE/Rg），電源的平均功率PAV為：PAV=ΔVGE×QG×fs。

    本文中，將對(duì)幾種的用于驅(qū)動(dòng)1 700 V IGBT的高性能集成電路做詳細(xì)的介紹，討論其選型方法和特點(diǎn)及使用過(guò)程中的注意事項(xiàng)。

3  驅(qū)動(dòng)1 700 V IGBT的幾種集成芯片

3.1  M579..Series高性能驅(qū)動(dòng)IC

    M579..Series是日本三菱公司為IGBT驅(qū)動(dòng)提供的一種IC系列，表1給出了這種系列的幾種芯片的基本應(yīng)用特性（其中有*者為芯片內(nèi)部含有Booster電路）。

M57962K內(nèi)部功能框圖

M57962K驅(qū)動(dòng)大功率IGBT模塊時(shí)的典型電路圖

    在M579..Series中，以M57962K-01為例進(jìn)行介紹。隨著逆變器功率的增大、電壓等級(jí)升高和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的抗*力顯得尤為重要，比較有效的辦法就是提高驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)斷IGBT時(shí)的負(fù)電壓，M57962K-01的負(fù)電源是外加的，所以實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較方便。它的功能框圖如圖2所示，對(duì)此不做詳細(xì)介紹。圖3給出了M57962K在驅(qū)動(dòng)大功率1 700 V IGBT模塊時(shí)的典型電路圖。在這種電路中，選用NPN和PNP快速晶體管（tf≤200 ns）構(gòu)成電壓提升電路，并且要有足夠的電流增益以承載需要的電流。

表1  M579..Series的基本應(yīng)用特性

在使用M57962K驅(qū)動(dòng)大功率1 700 V IGBT模塊時(shí)，應(yīng)注意以下3個(gè)方面的問(wèn)題。

    1）驅(qū)動(dòng)芯片的zui大輸出電流峰值受柵極電阻Rg的zui小值限制，例如，對(duì)于M57962K來(lái)說(shuō)，Rg的允許值在5 Ω左右，這個(gè)值對(duì)于大功率的IGBT來(lái)說(shuō)高了一些，且當(dāng)Rg較高時(shí)，會(huì)引起IGBT的開(kāi)關(guān)上升時(shí)間td（on）、下降時(shí)間td（off）以及開(kāi)關(guān)損耗的增大，在較高開(kāi)關(guān)頻率（5 kHz以上）應(yīng)用時(shí)，這些附加損耗是不可接受的。

    2） 必須考慮驅(qū)動(dòng)電路的功耗，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率高到一定程度時(shí)（高于14 kHz），會(huì)引起驅(qū)動(dòng)芯片過(guò)熱。

    3）驅(qū)動(dòng)電路緩慢的關(guān)斷會(huì)使大功率IGBT模塊的開(kāi)關(guān)效率降低，這是因?yàn)榇蠊β蔍GBT模塊的柵極寄生電容相對(duì)比較大，而驅(qū)動(dòng)電路的輸出阻抗不夠低。還有，驅(qū)動(dòng)電路緩慢的關(guān)斷還會(huì)使大功率IGBT模塊需要較大的吸收電容。

    以上這3種限制在設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)不當(dāng)可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，但通過(guò)附加的Booster電路都可以加以克服,如圖3所示。

    圖4給出了M57962K驅(qū)動(dòng)IGBT時(shí)過(guò)電流情況下的波形。從圖4a中可以看出，在IGBT過(guò)電流的時(shí)候，過(guò)流信號(hào)輸出以后，門極電壓會(huì)以一個(gè)緩慢的斜率下降。圖4b、圖4c給出了IGBT短路時(shí)的軟關(guān)斷過(guò)程（集電極-發(fā)射極之間的電壓VCE和集電極電流IC的軟關(guān)斷波形）。

3.2  2SD--.Series 高性能驅(qū)動(dòng)IC[4]

    2SD--.Series是瑞士CONCEPT公司生產(chǎn)的一種于高電壓、大電流IGBT的集驅(qū)動(dòng)、保護(hù)等功能于一體的復(fù)合驅(qū)動(dòng)電路。該驅(qū)動(dòng)電路的供電僅需提供單電源，使其應(yīng)用起來(lái)更為方便，通過(guò)內(nèi)部的DC/DC電路產(chǎn)生±15 V驅(qū)動(dòng)電源，開(kāi)關(guān)頻率可大于100 kHz，且具有高可靠和長(zhǎng)壽命特性，可驅(qū)動(dòng)1 200 V、1 700 V、3 300 V等電壓等級(jí)、大電流的IGBT。表2給出了這種系列的幾種驅(qū)動(dòng)模塊的基本應(yīng)用參數(shù)。

表2  2SD..Series的基本特性

    以660 V電壓等級(jí)變頻器設(shè)計(jì)為例，選取2SD106AI-17、2SD31I驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)分別驅(qū)動(dòng)BSM150GB170DLC和 FP200R170KE3三個(gè)并聯(lián)。下面針對(duì)2SD106AI-17進(jìn)行詳細(xì)地介紹。2SD106AI-17的功能框圖如圖5所示。由圖可見(jiàn)：2SD106AI-17由電子接口LDI 、智能柵極驅(qū)動(dòng)IGD和15 v DC／DC電源組成。該驅(qū)動(dòng)板主要有兩個(gè)功能塊。其中一號(hào)功能塊為L(zhǎng)DI（邏輯與驅(qū)動(dòng)之間的接口），每一個(gè)LDI可驅(qū)動(dòng)兩路。加在輸入端的PWM信號(hào)通過(guò)脈沖變壓器隔離后，即可輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)IGBT工作。二號(hào)功能塊為IGD（智能柵極驅(qū)動(dòng)），該功能塊工作時(shí)，每路用一個(gè)IGD從脈沖變壓器接收編碼脈沖信號(hào)，然后解碼出原始的PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率放大，可給IGBT柵極提供數(shù)安培的驅(qū)動(dòng)電流。

2SD106AI-17內(nèi)部功能框圖

2SD106AI-17驅(qū)動(dòng)模塊電路圖

驅(qū)動(dòng)150A/1700V IGBT模塊電路設(shè)計(jì)圖

3.3  驅(qū)動(dòng)1 700 V IGBT高性能IC的選型設(shè)計(jì)分析

    驅(qū)動(dòng)1 700 V IGBT集成電路和常用的驅(qū)動(dòng)1 200 V IGBT 的系列電路有以下區(qū)別。

    1） 2SD106AI-17具有短路和過(guò)流以及電源監(jiān)測(cè)功能，另外每路還都具有一個(gè)欠壓監(jiān)測(cè)電路。對(duì)于短路和過(guò)流保護(hù)來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)中的每路都有一個(gè)Vce監(jiān)測(cè)電路。Rth為關(guān)斷閾值的參考電阻。而當(dāng)Vce出現(xiàn)故障后，鎖定時(shí)間功能開(kāi)始啟動(dòng)，并在鎖定時(shí)間內(nèi)使驅(qū)動(dòng)器鎖定IGBT，而不再接受輸入信號(hào)。一旦Vce超過(guò)由Rth設(shè)定的閾值，鎖定將立即啟動(dòng)。同時(shí)在直接模式下（將MOD輸入與V相連，RC1和RC2接地，即為直接模式），狀態(tài)輸出端SO1和SO2分別返回，因此當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，可以方便地根據(jù)狀態(tài)輸出端的信號(hào)確定故障出現(xiàn)在那一路。而當(dāng)檢測(cè)到故障消失后立即恢復(fù)驅(qū)動(dòng)器輸出。

    2） 2SD106AI-17驅(qū)動(dòng)器的輸入電平與５ V、15 V的邏輯電平相匹配，可不加任何元件而直接與邏輯電路相連。在實(shí)際應(yīng)用中這一點(diǎn)是非常方便的。若用5 V輸入電平時(shí)信號(hào)連線不能太長(zhǎng)，因?yàn)樵谶@種情況下，拉長(zhǎng)線對(duì)5 V電平的電磁干擾是非常嚴(yán)重的，有時(shí)甚至不能正常工作，為了獲得較高的信噪比，應(yīng)使用15 V電平，則可通過(guò)較長(zhǎng)的電纜相連，但實(shí)際應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)線越短越好。

    3）根據(jù)實(shí)際要求可方便地設(shè)置IGBT保護(hù)關(guān)斷閾值。2SD106AI-17驅(qū)動(dòng)器有的Rth端（參考電阻），可通過(guò)選擇接在Rth端的參考電阻來(lái)確定IGBT的保護(hù)關(guān)斷閾值。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器檢測(cè)到Vce的電壓值超過(guò)Rth端的電壓時(shí)，將啟動(dòng)IGBT保護(hù)功能。此時(shí)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部電流源將提供150 μＡ的電流。參考電阻值可通過(guò)下列公式來(lái)計(jì)算：Rth＝Vth/150 μＡ

    若Vth為5.85 Ｖ時(shí)，Rth應(yīng)選擇39 kΩ的電阻。

    4）2SD106AI-17有兩種工作模式：直接模式和半橋模式。在直接模式下，各路驅(qū)動(dòng)將獨(dú)立地工作。該模式可用于已產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間的PWM信號(hào)的驅(qū)動(dòng)，也可用于驅(qū)動(dòng)獨(dú)立工作的各路IGB，前面已介紹過(guò)此種接法。另一種是半橋模式（將MOD輸入接地即為半橋模式），在這種模式下通過(guò)與RC1和RC2相連的RC網(wǎng)絡(luò)可獲得數(shù)百納秒的可調(diào)死區(qū)時(shí)間。當(dāng)輸入端Ｂ為低電平時(shí)，兩路IGBT都被關(guān)斷，即輸入IA為PWM輸入，IB為使能輸入。在VL/R輸入端接上4.7 V齊納二極管可使輸入端IA和IB設(shè)置在TTL電平。由于該模式下的狀態(tài)輸出SO1和SO2連接在一起，因此，兩路故障為“或”的關(guān)系。當(dāng)RC網(wǎng)絡(luò)為10 kΩ/100 pF時(shí)，死區(qū)時(shí)間為500 s。

    5） 2SD106AI-17驅(qū)動(dòng)模塊外圍電路簡(jiǎn)單，只需提供+15 V電源。

    6） 2SD106AI-17組成的驅(qū)動(dòng)板具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、可靠性高、多種保護(hù)功能等特點(diǎn)，同時(shí)體積較大、價(jià)格較高的缺點(diǎn)在成本控制設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)考慮。

4、結(jié)束語(yǔ)

    隨著IGBT的制造技術(shù)的提高，相繼出現(xiàn)了電壓等級(jí)越來(lái)越高、額定功率越來(lái)越大的單管、兩單元IGBT模塊及六單元IGBT模塊。隨之而來(lái)的問(wèn)題是，在惡劣的電磁環(huán)境下，如何提高高耐壓IGBT的驅(qū)動(dòng)電路的可靠性。三菱、Concept等公司相繼推出的高性能職能驅(qū)動(dòng)IC為設(shè)計(jì)人員和IGBT應(yīng)用廠家提供了很好的驅(qū)動(dòng)方案。通過(guò)在660 V/200 KW變頻器上應(yīng)用及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行驗(yàn)證，文中介紹的驅(qū)動(dòng)方案具有很好的可靠性。同時(shí)成本和安裝體積問(wèn)題是設(shè)計(jì)人員在自主設(shè)計(jì)高可靠、小型化、多功能、驅(qū)動(dòng)電路時(shí)要考慮的問(wèn)題。