高壓IGBT模塊驅動應用分析

/龍巖市產品質量檢驗所 吳仰興/

高壓IGBT模塊驅動應用分析

/龍巖市產品質量檢驗所 吳仰興/

文中闡述了Eupec的IGBT及2ED300C17-ST驅動保護電路在GGYAj型電除塵用高頻高壓硅整流設備中的應用試驗情況，證明采用IGBT及驅動保護電路能完全替代原設備中的IPM智能功率模塊，IGBT與驅動保護電路應用成功不但可降低設備生產成本，而且為更大功率諧振變換器開發打下基礎。

IGBT 驅動保護 諧振變換器

0 引言

電除塵用高頻高壓硅整流設備，設備主回路采用的是串聯諧振電路，主回路示意圖如圖1所示，功率模塊在回路中起到開關的作用，分為Q1、Q4與Q2、Q3兩組，每一組輪換導通，功率模塊為某進口智能功率模塊IPM，使用該模塊具有如下缺點：該模塊為較早期產品，目前生產數量少，面臨停產風險；該模塊價格較高，購買周期長，導致設備生產成本明顯增加；驅動與保護電路集成在模塊內部，各項保護參數均不可調節，局限了該模塊在更大容量IGBT變換器中的開發應用。鑒于以上缺點，開發IGBT及驅動保護電路來替代目前的IPM。圖1是對高壓IGBT模塊及驅動保護開發應用的分析。

1 IGBT功率模塊及驅動器的選取

IGBT功率模塊及驅動器必須滿足它們在電路中的作用，IGBT是一種電壓型控制器件，它所需要的驅動電流與驅動功率非常小，可直接與模擬或數字功能塊相接而不需加任何附加接口電路。IGBT的導通與關斷是由柵極電壓Uge來控制的，當Uge大于開啟電壓Uge（th）時IGBT導通，當柵極和發射極間施加反向或不加信號時，IGBT被關斷。在設備中IGBT作為開關器件作用，選取的IGBT本身開通、關斷速度越快，模塊開關損耗也將越小。而驅動器電路選取必須確保IGBT的快速從飽和導通和截止兩個狀態之間來回變換，使IGBT開通上升沿和關斷下降沿都比較陡峭，另外驅動器還必須具有完善的保護功能，如對短路、過流、過壓等故障的保護。目前選用Eupec的IGBT功率模塊，型號為BSM400GA120DLCS，相應的驅動器型號為2ED300C17-ST，經過各項性能對比測試，參數均能滿足要求。

圖1 高壓IGBT模塊及驅動保護開發應用的分析圖

2 2ED300C17-ST/S驅動器的簡介

2.1 驅動器外形及管腳功能（見圖2）

圖2 2ED300C17-ST/S驅動器外形

2ED300C17-ST/S驅動器，初次級采用脈沖變壓器隔離方式，隔離電壓可達到5000VAC，能同時驅動兩個IGBT模塊，可提供±15V的驅動電壓和±30A的峰值電流，能準確可靠驅動IGBT，多項性能參數靈活可調，同時還具有電源電壓欠壓檢測功能，工作頻率可達60kHz，模塊各個腳功能具體如下表所示。

2.2 2ED300C17-ST/S主要參數

驅動器主要極限參數如下：

供電電壓VDD和 VDC，16V；

輸出功率8W；

輸入輸出隔離電壓：5000VAC 50Hz/ min；

門極峰值電流：±30A；

工作溫度：S -25～80℃ ST -40～80℃；

開關頻率：60kHz。

驅動器主要電參數如下：

開通延時時間Tpd on=670ns；

關斷延時時間Tpd off=580ns；

最小脈沖抑制時間tmd=400 ns；

轉換時間差：tdif=50ns；

占空比d：100%。

2.3 性能特點

雙通道驅動輸出；

能夠驅動1200V/1700V Eupec IGBT 器件；

Vcesat 監視；

各種故障“軟關斷”功能；

內部變壓器隔離，輸入輸出沒有公共地，符合EN50178的安全隔離保護；

單電源供電內部采用DC-DC SMPS；

尖峰電流輸出抑制功能；

直接模式和半橋模式選擇性 “輸出”的功能。

2.4 2ED300C17-ST/S結構圖（見圖3）

表 模塊各個腳功能

圖3 2ED300C17-ST/S內部結構圖

3 試驗應用的情況

樣機中主回路由4只型號為BSM400GA120DLCS的Eupec的IGBT功率模塊、2只2ED300C17-ST驅動器、串聯諧振電感、串聯諧振電容、高頻變壓器、并聯電感構成串并聯混合諧振變換器，通過對樣機型式試驗，證明該諧振變換器能滿足直流供電、脈沖供電工作方式，在閃絡、短路、過流等工況下各項性能指標均能達到要求，設備運行可靠。如圖4所示。在開發過程中驅動器的合理應用是個關鍵，下面將著重介紹2ED300C17-ST驅動器應用情況。

圖4 IGBT試驗臺

3.1 在應用2ED300C17-ST驅動器時的注意事項

柵極正向驅動電壓的大小將對電路性能產生重要影響，必須正確選擇。當正向驅動電壓增大時，IGBT的導通電阻下降，使開通損耗減小；但若正向驅動電壓過大則負載短路時其短路電流IC隨Vge增大而增大，可能使IGBT出現擎住效應，導致門控失效，從而造成IGBT的損壞；若正向驅動電壓過小會使IGBT退出飽和導通區而進入線性放大區域，使IGBT過熱損壞，另外，IGBT開通后驅動電路應提供足夠的電壓和電流幅值，使IGBT在正常工作及過載情況下不致退出飽和導通區而損壞，在使用中選Vge=15V。

IGBT快速開通和關斷有利于減小開關損耗。但在大電感負載下IGBT的開關不宜過快，因為高速開通和關斷時，會產生很高的尖峰電壓，極有可能造成IGBT或其他元器件被擊穿。

選擇合適的柵極串聯電阻Rg對IGBT的驅動來說相當重要。Rg較小，柵射極之間的充放電時間常數比較小，會使開通瞬間電流較大，從而損壞IGBT；Rg較大，有利于抑制dVce/dt，但會增加IGBT的開關時間和開關損耗。

當IGBT關斷時，柵射電壓很容易受IGBT和電路寄生參數的干擾，使柵射電壓引起器件誤導通，為防止這種現象發生，可以在柵射間并接一個電阻，驅動器與柵射連線應采用雙絞線并盡可能短（小于20cm）。此外，在實際應用中為防止柵極驅動電路出現高壓尖峰，最好在柵射間并接兩只反向串聯的穩壓二極管，其穩壓值應與正負柵壓相同。

驅動器外圍評估板PCB印制板設計及固定于IGBT模塊GE之間的接口電路PCB印制板設計需合理，避免由于電磁耦合引起IGBT模塊誤動作。

3.2 驅動器工作模式選擇

在方案中驅動器2ED300C17-ST選用半橋工作模式，半橋模式的啟動方式是把9 管腳“模式選擇”接至VDD（1/2/3 管腳）。這種模式在2ED300C17-S 的兩個通道之間產生了互鎖時間，確保總是只有一個通道工作，就是說如果有一個高電平出現在其中一個通道，這個通道打開，在這段時間如果有高電平信號出現在第二通道，信號將被忽略，直到第一個打開的通道關掉，這樣就可有效避免橋式電路中上下橋臂短路直通現象。兩個通道開關之間的轉換時間是可以選擇的，可由輸入6 腳CA和8 腳CB 來決定。

3.3 IGBT 短路和過流關斷SSD“軟關斷”參數設置

通過驅動器Vce端檢測短路或過電流，當IGBT導通時，2ED300C17-S 檢測Vce端的電壓，如果Vce端電壓上升并超出先前設定的參考電壓，將引起故障觸發，同時IGBT通過軟關斷關閉，其僅由外部的Rsx和Csx來調節。Rsx設定參考電壓，Csx設定參考時間，電阻和電容連接在RC A 和COM A 之間或RC B 和COM B 之間。

驅動器中的比較器用來比較Vcesat輸入端電壓和參考電壓Vref。比較器中Vce端的最大電壓為10V，如果在任意時間Vce端電壓超過了參考電壓，將觸發故障、鎖定驅動器并且SSD（軟關斷）關閉。

當故障發生時，SSD“軟關斷”可以避免由于高電壓引起IGBT損壞。正確設定SSD可以改變 IGBT關斷的電流變化率，器件從而可以承受較高的擊穿電壓。軟關斷由電阻Rssd設置，該電阻外接在Sense和-16V之間。IGBT的類型和整個應用結構決定關斷過程和擊穿電壓，電阻Rssd的阻抗由IGBT單元的輸入電容決定。帶有大輸入電容Cies的IGBT 模塊，需要一個小Rssd值，IGBT 單元帶有一個低輸入容量Cies，該單元將需要一個高Rssd值。Rssd的損耗可由下式計算

Pssd= 1024 / R

當有故障發生，軟關斷被激發，內部輸出電容反向充電，因此IGBT的輸入電容Cies和米勒電容Cres緩慢放電。這個過程限制在tsd=4μs。過了該時間Csx確保不超過這個時間

TP-tsd-tsys= tref

TP為IGBT短路時間10μs，tsd為SSD變換時間5μs，tsys為系統轉換時間1μs，tref為參考時間（Vcesat的觸發抑制時間）。軟關閉在故障的關斷期間不是百分之百具有過壓保護功能。如果發生短路的同時PWM脈沖也進入低電平時，SSD則不能啟動。此時有源箝位將會起到過電壓保護的作用。

4 結束語

與原采用IPM智能功率模塊的設備相比較，大大降低設備成本，每臺設備直接節約材料成本約四千元，而且大大縮短了采購周期，目前采用IGBT功率模塊及2ED300C17-ST驅動器的電除塵用高頻高壓硅整流設備1.0A樣機已在某電廠成功投運，設備運行穩定，設備各項性能指標不遜于原產品，為更大容量IGBT變換器的開發奠定了扎實的基礎，使用2ED300C17-ST驅動器可驅動多種IGBT功率模塊，提升了產品兼容性、可擴展性，因此，有了目前的IGBT功率模塊及2ED300C17-ST驅動器開發應用經驗，相信會在不久的將來開發出更大容量的電除塵用高頻高壓硅整流設備。

［1］ 周志敏，周紀海，紀愛華，編.GBT和IPM及其應用電路［M］.北京：人民郵電出版社，2006.

［2］ 王增福，李昶，魏永明，編.軟開關電源原理與應用［M］.1版.北京：電子工業出版社，2006.

ABB在珠海成立機器人公司

2015年8月22日，ABB在珠海宣布，ABB機器人（珠海）有限公司在珠海市高新技術產業開發區正式成立。廣東省委常委、珠海市委書記李嘉，珠海市委常委、常務副市長劉小龍，珠海市委秘書長郭才武，珠海市高新區黨委書記張宜生等珠海市及高新區領導出席了開業典禮。

根據規劃，ABB機器人（珠海）有限公司將在廣東、廣西和海南三省開展ABB機器人應用開發、系統集成以及客戶服務等業務，重點滿足華南地區白色家電、電子制造、汽車和食品飲料等領域對工業機器人快速增長的市場需求。

ABB（中國）有限公司董事長兼總裁顧純元博士表示：“華南地區是ABB工業機器人業務的重要市場之一。新公司的成立有助于ABB進一步貼近市場，更快、更好地服務當地客戶，全面提升ABB機器人在該地區的業務能力。以工業機器人為代表的智能技術是實現制造業轉型升級的重要途徑，ABB愿通過開發和提供可將‘物、人和服務互聯’的智能技術，為客戶創造更多價值。”

位于華南地區的珠江三角洲經濟區是具有全球影響力的制造中心以及中國輕工業最為密集的地區之一。但是隨著近年來招工難以及土地、原料和人工成本的快速上升，珠三角地區的制造業亟需升級轉型，提升其市場競爭力。工業機器人成為解決這一系列挑戰的突破口。