以2SD315AI為核心的IGBT驅動電路的設計與調試

鄭月非 張愛玲

（太原理工大學電氣與動力工程學院，太原 030024）

1 引言

2SD315AI是瑞士CONCEPT公司為高壓IGBT的可靠工作和安全運行而設計的驅動模塊，可驅動1200～1700V的 IGBT。2SD315AI集成了智能驅動、自檢、狀態反饋、DC/DC電源等功能，并將控制部分與功率部分完全隔離。該模塊采用脈沖變壓器隔離方式，加上相應的外圍電路之后，能同時產生兩路IGBT驅動信號，可提供15V的驅動電壓和15A的峰值電流，具有準確可靠的驅動功能與靈活可調的過流保護功能， 同時可對電源電壓進行欠壓檢測，工作頻率可達100kHz以上；電氣隔離可達到4000V AC。

2SD315AI應用于逆變器、電機驅動、開關電源、DC/DC電源。其擁有兩種工作模式：直接模式和半橋模式。在直接模式中，兩個通道之間沒有任何連接，需有兩路輸入信號。當用于半橋方式時，只需一路輸入信號就可以直接產生具有任何死區時間PWM波。

2SD315AI 與其他驅動器相比具有以下幾個顯著的特點：

（1）可靈活定義邏輯電平。

（2）可自由選擇工作模式。

（3）具有短路和過流保護功能。

（4）具有欠壓監測功能。

（5）可動態設定短路保護閾值。

從目前檢索到的文獻來看，有關2SD315AI應用的報道較多，但對以其為核心所構成的驅動電路的設計及調試方法的報道卻不多見。本文設計了以2SD315AI為核心的外圍電路，并介紹了其調試方法。該方法在不接IGBT的情況下，可以對驅動電路進行調試，從而可以防止直接接IGBT時，因驅動電路設計或調試方法不當，對IGBT所產生的不必要的損壞。

2 驅動電路的設計

本文設計的以2SD315AI為核心的 IGBT的驅動電路如圖1所示。

圖中INA、INB為驅動信號輸入端，其具有施密特觸發特性，能夠對輸入信號波形進行整形，提高了對輸入信號的抗干擾能力。C1、G1、E1 ，C2、G2、E2為驅動電路的輸出端，分別接至IGBT的集電極C，柵極G，發射極E，Gx，Ex之間的電壓即為IGBT的柵極驅動電壓，以下用Vgex表示。Vgex有+15V、-15V兩種電平，+15V使IGBT導通，-15V使IGBT可靠關斷。

圖1 2SD315AI驅動電路

輸入端VL/Reset決定了2SD315AI的邏輯電平，當其為高電平時，執行VL（Voltage Level）功能，設其電壓為VL，則輸入端INA、INB的高電平為2/3VL～VDD，低電平為0～1/3VL；當其為低電平時，執行復位功能，對驅動芯片進行復位。

驅動電路的故障輸出為SO1、SO2，分別對應于通道1 和2，當相應通道發生故障時，對應故障輸出端為低電平。同時封鎖驅動芯片輸出（Vgex=-15V），封鎖時間為1s左右。

發光二極管LED4、LED3分別是通道1、2的工作指示燈。此指示燈和電阻串聯后接在管腳LSx和Visox之間，正常工作時，Visox輸出+16V電壓，相應的發光二極管發光；反之熄滅。

值得注意的是LSx引腳極為敏感，所以在設計電路時LED發光二極管和33K電阻應盡可能的靠近Visox、LSx引腳。同時不需要狀態指示時，則必須將LSx與COM x短接，否則會引起電磁干擾，致使整個電路不能正常工作。

圖中驅動芯片工作在獨立模式下，在這種工作方式下，兩個通道之間沒有任何邏輯聯系，需有兩路輸入信號，此時MOD引腳接高電平VDD；RC1、RC2接地；輸入端INA、INB分別接相應的驅動信號，相應的輸出信號分別為Vge1、Vge2。

在實際應用中，驅動電路一般要求盡量靠近IGBT模塊，同時盡可能地縮短驅動裝置輸出PWM脈沖信號到IGBT柵極之間的引線長度，以增強驅動回路得抗干擾性能。

3 2SD315AI的調試方法

本文采用下述方法及步驟對圖1所示的驅動電路進行調試。

3.1 C、E開路，斷開SO1， SO2

正常情況下SO1， SO2如圖1連接，調試時斷開比較方便觀測。

（1）引腳INA、INB不加輸入信號，此時工作指示燈LED3、LED4亮；故障輸出端SO1、SO2輸出電壓不穩定，有時為高電平，有時為低電平；同時輸出電壓Vgex為-15V。

（2）只給INA端加輸入信號，故障輸出端SO1變低，該路指示燈LED4滅，說明該路處于非正常工作狀態；SO2有時低有時高，狀態不確定，輸出Vge1為-15V。

綜上所述，C、E開路時Vgex總為-15V，故障輸出及工作指示燈均不能正常工作，驅動電路處于非正常工作狀態。

3.2 C、E短路，斷開SO1， SO2

將驅動電路輸出端Cx、Ex短接，以模擬IGBT負載，調試方法如下。

（1）兩路輸入信號都不加，工作指示燈均亮；SO1、SO2有時低，有時高，電平不穩定，輸出Vge1、Vge2均為-15V。

（2）第一路INA端加輸入信號，兩路指示燈均亮，SO1高，輸出Vge1的電平為+15或-15V的PWM波；SO2有時高，有時為低，狀態不確定，輸出Vge2為-15V。

（3）INB、INA都加輸入信號，指示燈均亮，SO1，SO2都為高電平，同時兩路都有相應的PWM波輸出，表示該驅動電路工作正常。

綜上所述，C、E短接時，驅動電路處于正常工作狀態；同時只有兩路都加輸入信號時故障輸出端SO1，SO2才能工作正常。

4 柵極電阻Rg的選擇

由IGBT特性可知，柵極電阻Rg增大，則IGBT開通與關斷時間Ton、Toff增加，但浪涌電流IGP下降。所以Rg的選擇應在滿足IGP的前提下盡可能的小，其值可按如下方法計算。

當驅動電路的輸出電壓Vge由15V變為-15V時，Rg通過的電流最大，再根據2SD315AI芯片最大輸出電流為15A，則Rg可按公式（1）確定。

5 過流保護閾值的調整

圖2為圖1中2SD315AI通道1過流及短路保護電路圖。圖中，C3取值1.5nF，C3的取值直接影響到從檢測到Vce超過閾值到過流保護動作的響應時間（Reaction time）。

圖2 2SD315AI芯片過流保護電路圖

驅動芯片輸出端C1所接二極管是為了防止電流從IGBT的集電極流向驅動電路，從而保護2SD315AI。Rm4為驅動芯片C1端的輸出電阻，推薦典型值為180Ω。

根據IGBT特性，當其飽和導通時，集電極電流Ic與管壓降Vce成正比，設飽和時的管壓降用Vcesat來表示，故可根據Vcesat來判斷Ic是否處于過流狀態。

由圖2可知，運算放大器在芯片內部構成了一個電壓比較器，其輸出端OVERCURRENT為驅動芯片內部的過流保護信號。當IGBT飽和導通時，如果Vce大于過流保護電壓Vceoff，U+大于U-，OVERCURRENT為高電平，芯片執行過流保護功能，驅動電路的輸出Vge1為-15V以關斷IGBT；同時故障輸出端SO1為低電平。

根據運放虛短虛斷的原理，臨界過流狀態時公式（2）成立

式中，U+，U-分別為運放輸入端正負極電壓；Vceoff為過流保護電壓；N為二極管的個數，式中假設二極管管壓降為0.6V； Rth5為過流保護閾值電阻。由上所述，調節Rth5的阻值即可調整過流保護的閾值。計算可得閾值電阻Rth5的選取與過流保護電壓有表1所示的關系。

表1 閾值電阻R th5的選擇

需要注意的是，過流保護閾值的調整必須接IGBT負載，開始調試時可以先把Rth5調低一些，現象調對后再根據實際系統的要求進行設定。

6 結論

本文介紹了以2SD315AI為核心的驅動電路的設計及調試方法，以及門極電阻的選擇及過流保護閾值的調整方法。將上述方法用于一臺功率為100kW的逆變電路（選用EUPEC公司的IGBT，型號FF600R12KE3）的調試，取得了預期的效果。

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[5] CT- Concept Technology Ltd. Dual SCALE Driver 2SD315AI Dual SCALE Driver Core for IGBTs and Power MOSFETS. http://www.igbt-driver.com/fileadmin/Public/PDF/Products/ENG/SCALE/Cores/2SD315AI/2S D315AI.pdf