基于CLT技術的三電平逆變器板載式驅動電路設計

吳浩偉，李 鵬，周 樑，徐正喜

(武漢第二船舶設計研究院，湖北 武漢430064)

0 引 言

隨著電力電子技術的快速發展和先進電機技術的不斷成熟，艦船綜合電力系統和全電力推進已成為世界各國海軍艦船動力系統的研究熱點和發展方向［1］。由于船舶全電力推進系統功率等級巨大，電網的電壓等級高，為了滿足這種情況下艦船電網各類電源及電能變換裝置的設計開發需求，三電平逆變器以其適用于高壓、大容量的特性成為優選的技術方案［2－3］。

三電平變換器中IGBT 是整個電路進行電能變換的核心部件。由于IGBT 器件工作時需要對高電壓、大電流做高頻斬波變換，自身的熱損耗大，電磁干擾嚴重，工作環境較為惡劣。此外，由于三電平逆變電路中每個橋臂上串聯有4 個IGBT 開關管，存在更多的開關狀態，因此每個開關管在開關過程，其驅動的浮地電位變化更加頻繁，驅動信號受到其他開關管的影響更多，對驅動電路的設計要求也就越高。因此，為了保證IGBT 器件的工作可靠性，充分發揮IGBT 開關特性以及在故障時能迅速發揮保護功能，三電平逆變器的驅動電路設計是整個設計項目中的一個重點和難點。

目前，常見的IGBT 驅動電路主要是基于EX841、M57962、IR2110 等驅動芯片設計開發，雖然其功能基本能夠滿足IGBT 的驅動和保護要求，但也存在以下缺點:如EXB 系列過流保護無自鎖能力，負偏壓不足;M579 系列過流保護僅對IGBT 軟關斷，不能進行降柵壓保護，且工作頻率和控制精度受到限制［4］。為了克服當前主流IGBT 驅動電路設計中的不足，設計高性能、高可靠性的驅動電路，本文引入采用無磁芯變壓器磁技術(Coreless Transformer Technology，CLT)的高性能驅動芯片1ED020I12，通過分析其工作原理和技術特點，結合驅動電路在故障保護和電磁兼容上的優化設計，開發了板載式IGBT 驅動電路，最后給出該驅動電路運用于三電平逆變器中的試驗結果。

1 無磁芯變壓器驅動技術

IGBT 驅動電路所承擔的一個重要功能就是要保證PWM 驅動信號低壓側和主電路高壓側良好的電氣隔離，尤其是對于橋臂上存在多個驅動浮地電位的三電平逆變器而言更為重要。傳統的驅動隔離方法多采用高頻驅動變壓器和光耦隔離。對于直接使用高頻驅動變壓器而言，這種無源式的驅動能力較小，受到IGBT 柵源之間結電容的影響，驅動信號變形明顯;對于采用光耦隔離的驅動方式而言，其存在老化現象，對高溫耐受性一般，并且傳輸延時相對較大。

采用無磁芯變壓器驅動的技術原理如圖1所示。其通過在半導體內集成無磁芯變壓器實現了驅動信號的隔離傳遞，阻斷了主回路的強電磁干擾成分向控制回路的傳導途徑，并通過運放電流實現驅動能力的增強，彌補了常規無源式變壓器隔離驅動能力不足的問題。此外，CLT 技術還具有信號傳輸速度快、延時小、工作溫度范圍寬，且性能不隨使用壽命增加而降低的特點，有效的保證了芯片在各類工作環境和全壽命周期中的工作可靠性。

圖1 無磁芯變壓器驅動原理示意圖Fig.1 The diagram of CLT drive

2 1ED020I12 芯片

1ED020I12 是Infineon 公司基于無磁芯變壓器磁隔離技術開發的新一代高性能IGBT 驅動芯片(見圖2)。其特點為:采用SO－16 貼片封裝，體積小巧，驅動信號磁隔離，高達2 A 的推挽輸出能力，150℃工作溫度的高可靠性設計，故障自動鎖定，有源鉗位，內部集成欠壓保護，IGBT 飽和壓降檢測等故障自檢測能力，全面兼容5 V CMOS 信號，自身工作電壓范圍寬，且芯片小巧緊湊，自身功耗低，易于應用。

圖2 1ED020I12 芯片外觀及管腳圖Fig.2 The picture and pin map of 1ED020I12

當前常見的高性能驅動芯片還有Agilent 公司的HCPL－316J、夏普公司的PC929 與1ED020I12，等。它們的主要特性對比如表1所示。由對比表可以看到，驅動芯片1ED020I12 不僅具備優秀的驅動能力、完善的保護功能，而且由于無磁芯變壓器技術的引入，可承受的工作溫度更高，動態響應速度更快，因此在能夠輸出的最小驅動脈寬和最大工作溫度上比采用光耦隔離的驅動芯片有明顯的優勢。

表1 主流高性能驅動芯片性能對比表Tab.1 Comparison of high performance driver chips

3 基于1ED020I12 芯片的驅動板設計

1)驅動輸出電路

采用1ED020I12 驅動芯片設計的IGBT 驅動板后級驅動電路設計如圖3所示。驅動芯片7 腳輸出的驅動信號通過驅動電阻R4 連接到IGBT 的柵極。R4 的電阻阻值對IGBT 的開關特性有重要的影響:當阻值增大時，驅動脈沖的前后沿變化率減小，減慢了IGBT 的開關速度，可有效減小IGBT 關斷過程中的尖峰電壓和寄生振蕩，但開關損耗會增加;反之，當阻值減小時，IGBT 開關速度加快，開關損耗會得到降低，但開關過程的電磁干擾問題會加重，因此，驅動電阻R4 的取值應更加實際需求綜合權衡確定。二極管Z1 是雙向穩壓二極管，防止驅動電路輸出故障時輸出驅動信號的電壓過高而損壞IGBT的柵極，該穩壓二極管的穩壓值應稍高于驅動電壓，通常可取為±18 V。IGBT 的集電極－柵極和柵極－發射極之間存在著寄生電容，當IGBT 集電極和發射極之間的電壓突然變化時，就會通過這些寄生電容產生電流，使柵極電勢上升，造成IGBT 誤觸發。為了防止上述情況的發生，通常應在IGBT 的柵極和發射極之間接一個門級下拉電阻R11，來提供一個低阻抗回路，保證IGBT 柵極電位不會到干擾。

圖3 后級驅動輸出電路圖Fig.3 Driving output circuit

2)短路故障保護電路

IGBT 的短路故障保護是驅動電路設計的重點環節［5］，芯片自身雖然已經集成了驅動電壓欠壓等基本的保護功能，但對于逆變器運行最為關鍵的IGBT短路保護功能必須通過外部電路的輔助才能實現。該驅動芯片3 腳在芯片輸出高有效驅動電平時作為電流源，對外輸出μA 級電流，并具備IGBT 導通飽和壓降的檢測能力。當IGBT 導通時，由于其導通電壓較低，因此3 腳的電壓通過二極管D6 被嵌位限制住;而當IGBT 發生短路故障時，其導通電壓基本相當于直流母線電壓，因此3 腳輸出的電流將電容C22 的電壓不斷充高，當達到9V，驅動芯片自動進入短路保護狀態，封鎖IGBT 驅動輸出。

由于二極管D6 要連接到IGBT 的高壓側，因此需選用高壓二極管，以防止擊穿。并且，由于該二極管的漏電流同樣會影響電容C22 的電壓高低，因此要求其漏電流必須盡可能小。對于1 200 V 的應用場合，該二極管可選用2 只1N4007 串聯。R6和C22 組成短路故障檢測的延時環節，因為IGBT 的開通過程需要一定的時間，在這段時間內IGBT 集電極和發射極之間的電壓依然較大，此時應屏蔽驅動芯片的飽和壓降檢測功能，以避免誤判斷。R6和C22 的取值大小應結合驅動電阻的阻值大小，根據IGBT 的開關特性綜合考慮。

圖4 短路故障保護電路Fig.4 Fault protection circuit

4 驅動板的電磁兼容設計

雖然驅動芯片本身提供了一定的抗電磁干擾能力，但電磁兼容設計一直都是驅動電路設計的重點和難點，尤其是對于直接安裝在IGBT 表面的板載式驅動板而言，其電池兼容設計應予以足夠的重視［6］。

1)驅動電源共模濾波

對于三電平逆變器而言，由于驅動浮地電位變化較傳統的兩電平變換器而言更加復雜，因此在驅動電路上應更重視其抗共模干擾的設計部分。由于目前的驅動電源多采用高頻DC/DC 變換電路，并利用高頻變壓器實現輸入輸出隔離。受高頻變壓器分布參數的影響，IGBT 開關引起的共模噪聲信號依然能夠通過驅動電源傳遞到控制回路，對驅動板的正常工作造成干擾。因此，各驅動電源在輸入端引入圖5所示的EMI 電路。該電路C1 電容接外部公共電源，作為差模濾波電容保證輸入電壓的平穩，電容C2和C3 電容連接成共模濾波形式，和共模濾波電感L1 一起作為共模濾波電路，有效抑制開關過程中形成的共模噪聲干擾外部的公共電源回路。

圖5 EMI 濾波電路Fig.5 EMI filter circuit

2)PCB 走線和布板

IGBT 驅動板在布板時應注意強電和弱電電路分開，由于同一驅動板需要驅動不同電位下的2 個IGBT，因此2 個彼此獨立的驅動部分也應該清晰的分隔開來，并通過PCB 開槽的方法增大兩部分驅動電路間的爬電距離，保證耐壓要求。

PCB 在布線時，驅動信號從驅動芯片輸出后通過驅動電阻應盡快連接到IGBT 的驅動端，走線應盡可能的短，以減小線路雜散電感。與此同時，驅動信號的輸入和輸出部分在走線時正、負走線應盡可能的貼近，盡量減小環路面積，以抑制電磁干擾;對于電源和地線，在布線時應盡可能的寬，以保證適應大電流流過的需求，在有可能的地方大面積敷銅，以減小電源的輻射干擾，尤其是在驅動芯片的電源和地線端腳，大面積的敷銅不僅可以保證大電流的走線要求，而且銅作為熱的良導體，敷銅可有效幫助芯片散熱，降低工作溫度，提高工作可靠性。

5 試驗結果

針對目前常見的Infineon 公司EconolDUAL2 IGBT模塊設計開發了基于CLT 技術的板載式驅動板，如圖6所示。其大小僅為50 mm×80 mm，可以直接安裝在IGBT 表面，并能夠承受住IGBT 開關過程中嚴重的電磁干擾。利用1 臺DC 900 V 15 kW 三電平逆變器對該驅動板進行實際運行試驗，PWM 開關頻率為5 kHz，試驗波形如圖7所示。

圖6 IGBT 驅動板Fig.6 IGBT driver board

圖7 IGBT 驅動波形Fig.7 IGBT drive signal wave

圖7 為三電平逆變器2、4 管IGBT 的驅動波形，開通電壓+15 V，關斷電壓－9 V。從圖中可以看到，2 路驅動互補對稱，波形穩定、純凈，開關過程的跳變沿陡峭，干擾成分抑制得較好，即使在DC 900 V下也能穩定可靠地驅動IGBT，實現了設計目標。

6 結 語

三電平逆變器IGBT 開關器件多、開關狀態復雜、驅動可靠性要求高，要求IGBT 驅動板體積小、易安裝、抗干擾能力強、工作可靠性高。利用Infineon 公司基于無磁芯變壓器磁隔離技術的驅動芯片，設計開發了小巧靈活、功能完善、安全可靠的板載式IGBT 驅動器，通過在驅動電路、故障保護電路和驅動板電磁兼容性等多方的精心設計，該驅動板能夠實現優秀的驅動能力和穩定可靠的工作性能，具有廣泛的應用前景。

［1］馬偉明．艦船動力發展的方向——綜合電力系統［J］．海軍工程大學學報，2002，14(6):1－6．

MA Wei-ming．Integrated power systems—trend of ship power development［J］．Journal of Naval University of Engineering，2002，14(6):1－6．

［2］NABAE A，TAKAHASHI I，AKAGI H．A new neutralpoint-clamped PWM inverter［J］．IEEE Transactions on Industry Application，1981，17:518－523．

［3］吳浩偉，周樑，李鵬，等．高變換效率的艦船逆變器設計［J］．艦船科學技術，2012，34(11):71－74．

WU Hao-wei，ZHOU Liang，LI Peng，et al．Design of a high efficiency ship inverter［J］．Ship Science and Technology，2012，34(11):71－74．

［4］劉偉明，朱忠尼．光耦合器HCPL－316J 在IGBT 驅動電路中的應用［J］．空軍雷達學院學報，2008，22(2):110－112．

LIU Wei-ming，ZHU Zhong-ni．Application of optocoupler HCPL－316J to IGBT drive circuit［J］．Journal of Air Radar Academy，2008，22(2):110－112．

［5］MAJUMDAR B，MUKHERJEE P，et al．IGBT gate drive circuit with in-built proctection and immunity to transient fault［C］．Proceedings of IEEE Intermational Conference on Industrial Technology，2000:615－612．

［6］趙慧杰，鄺乃興，崔彬．三電平逆變器IGBT 驅動電路電磁兼容研究［J］．電源技術應用，2007，10(2):33－37．

ZHAO Hui-jie，KUANG Nai-xing，CUI Bin．Study of electromagnetic compatibility in IGBT driver of three－level inverter［J］．Power Supply Technologies and Applictions，2007，10(2):33－37．