基于SiC與IGBT的驅動電路設計

摘要：功率半導體器件是電力電子系統中的關鍵器件。目前市面上主流的功率半導體器件有絕緣柵雙極型晶體管（insulate-gate bipolar transistor，IGBT）、金屬氧化物半導體場效應晶體管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor， MOSFET）、碳化硅（silicon carbide，SiC）等，并且其設計逐漸向大功率、高電壓發展，此時設計一種穩定可靠的驅動電路就顯得尤為重要。分析了1ED34x1Mc12M驅動芯片的各項參數，并以該芯片為核心設計了驅動及保護電路。該電路可用于驅動及保護IGBT和SiC。實驗結果表明，該驅動電路輸出功率大、穩定性好，可以滿足IGBT和SiC驅動的實際需求。

關鍵詞：1ED34x1Mc12M芯片；驅動電路；絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）；碳化硅（SiC）

中圖分類號：TN322+.8；TN386 文獻標識碼：A

0 引言

絕緣柵雙極型晶體管（insulate-gate bipolar transistor，IGBT）和碳化硅（silicon carbide，SiC）具有開關頻率高、穩定性強等優點，被廣泛應用于高功率、大電流相關領域。高功率、大電流導致工作環境電熱應力高、磁場環境惡劣，對于驅動的負面影響較大，容易對驅動造成損害。據不完全統計，驅動和隔離引起的功率器件損毀在30%以

上[1]，所以有效可靠的驅動及電路保護設計對功率器件的正常穩定運行至關重要。

肖標等[2]提出一種面向開關時序與驅動電壓自主協同調控的混合開關（hybrid switch，HyS）驅動電路軟硬件架構設計方法，所設計的驅動電路不僅能為HyS提供由不同開關時序與驅動電壓組成的3種開關模式，而且能根據負載電流水平實現開關時序與驅動電壓的自主協同調控。邢鑫怡等[3]提出一種適用于600 V高壓下的三相全橋IGBT驅動電路，解決多個輸入信號同時輸入導致的高低壓電位之間的串擾等問題，提高了驅動電路可靠性。蔣佳琛等[4]設計了一款基于有源鉗位脈沖寬度調制（pulse width modulation，PWM）控制器LM5025的單端有源鉗位反激式高壓大功率IGBT的驅動電源。吳士濤等[5]基于ACPL-332J芯片設計了變頻器全控型功率元件IGBT驅動及其故障保護電路，并成功應用于3 300 V礦用變頻器中。于浪浪等[6]根據換流回路以及電路工作原理，設計了中點鉗位（neutral point clamped，NPC）三電平功率模塊的驅動電路，并給出了增強驅動電流、防直通以及死區時間可調整的驅動方案。趙柯等[7]通過給驅動電路引入中間電平的方式，將被控器件關斷動態過程與關斷穩態后的柵極電壓進行區分，以降低SiC MOSFET的閾值電壓漂移量，同時還保留了負柵極關斷電壓的優勢。

上述文獻所設計的驅動電路大多只適用于單一類型的功率器件，市面上很少有適用于多種類型功率器件的通用型驅動。本文提出了一種可同時適用于SiC和IGBT的驅動電路，針對不同的功率器件只需通過參考其數據手冊更換合適的模塊電源、驅動集成電路（integrated circuit，IC）輸入端電阻以及門極電阻，即可用于驅動對應的功率器件。

1 電路系統組成與設計要點

1.1 電路系統組成

驅動電路原理框圖如圖1所示，由1ED34x1Mc-

12M驅動芯片、數字信號處理器（digital signal processor，DSP）控制板和半導體功率器件組成。

1.2 設計要點

根據SiC和IGBT的工作特性，對于驅動電路主要有以下要求。

（1）所提供峰值電流足夠大，能夠提高開關速度，減小米勒平臺時間。

（2）驅動電路需具有退飽和保護（desaturation，DESAT）、有源鉗位保護、故障反饋等功能。

（3）在故障信號返回時系統要快速響應，啟動故障保護，保護功率器件。

（4）可以同時適用于驅動SiC和IGBT。

2 原理分析與驅動電路設計

2.1 驅動芯片選擇

1ED34x1Mc12M驅動芯片具備5.7 kV的電壓等級和9 A的電流能力，能夠支持驅動650 V、

1 200 V、1 700 V、2 300 V的IGBT、SiC和MOSFET等功率開關器件，絕對最大輸出電源電壓為40 V，且具有多種保護措施，集成了輸入、輸出兩個欠壓鎖定（under voltage lock out，UVLO）模塊、退飽和保護控制和檢測模塊、有源鉗位控制和檢測模塊以及輸出控制模塊。

1ED34x1Mc12M系列驅動芯片由隔離的單通道柵極驅動器IC組成，通過兩個簡單的電阻即可調整各種參數，如去飽和檢測的濾波時間、前沿空白時間和軟關斷電流水平等，這些參數可以從低壓輸入側進行調整。所有邏輯輸入/輸出（input/output，I/O）引腳都與3.3 V或5 V供電電壓相關，與互補金屬氧化物半導體（complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS）兼容，并且可以直接連接微控制器。1ED34x1Mc12M芯片功能框圖如圖2所示。

2.2 驅動電源設計

為了正常啟動柵極驅動IC，輸入和輸出側都需要供電。1ED34x1Mc12M系列驅動芯片可以適應多種輸入和輸出側的供電配置。輸出側可以采用單極性供電或雙極性供電方式。在供電方面一般有如下要求。

（1）可以有效隔離一次側設備帶來的共模干擾對系統的影響，使負載能夠穩定工作。

（2）母線電壓在傳輸過程中會存在損耗，故輸送到印制電路板（printed circuit board，PCB）的電壓可能會較低，而負載需要穩定的電壓，因此需要寬壓輸入、穩壓輸出。

（3）在異常情況下，電源可以通過及時停止供電來保護系統的負載和本身不受破壞。

在供電方面采用直流—直流轉換器隔離模塊電源，采用隔離式設計可以對電源系統實現降低噪聲、電壓轉換、穩壓和保護等功能，滿足對驅動芯片的供電需求。

電源開關期間柵極電阻存在功率損耗，此時柵極驅動器IC內部的功率損耗也較大。每個封裝都可以在不超過最高結溫時，在一定的工作條件下達到最大功耗。柵極驅動器IC的內部功率損耗POUT 計算公式：

POUT =PQ+Psource+Psink。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

式中，PQ為驅動器輸出級的工作功率損耗，Psource為導通損耗，Psink為關斷損耗。

可以通過VCC2與VEE2引腳之間的工作電源電流IQ2和電源電壓VCC2計算PQ：

PQ = IQ2·VCC2。" " " " " " " nbsp; " " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

可以使用內部柵極驅動器電阻RDS和外部柵極電阻器電阻RG之間的電阻分壓器以及總柵極電荷QG和開關頻率fsw來計算Psource和Psink：

Psource =" QG·fsw·VCC2· 。 （3）

Psink =" QG·fsw·VCC2· 。 （4）

式中，ON、OFF分別為開通和關斷，source、sink分別為開通和關斷狀態下的功率。

由于IGBT和SiC型號不同，所需要的驅動電壓也不同，功率的損耗也不同，需根據所選半導體功率器件的型號，參考其技術指標選取合適的模塊電源。供電電路在輸入端啟示位置設有穩壓二極管保證供電質量，然后再通過LC濾波器去除尖峰與毛刺，輸出側通過大量電容充放電進行電能儲能和濾波，保證電路的穩定性。

2.3 驅動電路輸入端設計

2.3.1 故障檢測與清除機制

故障輸入和故障輸出（FLT_N）狀態輸出報告顯示逆變器系統中的故障。開漏輸出（open-drain output）向微控制器報告設備運行相關的故障，故障輸出為低電平有效。故障關斷輸入通過故障關斷功能將柵極驅動器輸出切換為關斷，輸入為低電平有效。FLT_N引腳連接到3.3 V I/O的微控制器，并使用一個外部上拉電阻連接VCC1，FLT_N信號以GND1為參考。逆變器中所有柵極驅動器IC的FLT_N引腳輸出電壓信號后經過兩級與門形成單線SO故障信號。SO信號為低有效，SO信號為低電平時表示系統故障，啟動保護。

就緒狀態輸出（RDYC）引腳設計考慮了邏輯輸入和漏極開路輸出，具有3種不同的功能：①RDYC作為所有就緒源極的就緒狀態輸出；②RDYC作為故障斷開輸入；③RDYC作為故障清除輸入。所有柵極驅動器IC的RDYC引腳輸出后經過兩級與門形成單線RDYC信號。PWM輸入為高電平時，將所有RDYC信號置為高電平，即故障清除。

RDYC狀態輸出表示柵極驅動IC正確運行。開漏輸出為高電平有效時，表明設備運行準備就緒。故障清除輸入端和故障關斷輸入端可清除柵極驅動器故障。RDYC引腳連接到3.3 V I/O的微控制器，并使用一個外部上拉電阻連接到VCC1，RDYC信號以GND1為參考。RDYC信號為高有效，當RDYC信號為高電平時，表明系統準備就緒。

2.3.2 IN輸入端電路設計

IN輸入控制門極驅動IC的輸出，當IN置于高電平時，功率器件會被打開。它需要連接到微控制器的PWM輸出，該輸出為5 V或3.3 V。若IN未連接，內部的下拉電阻將確保功率器件處于斷開狀態。此外，將最小的脈沖寬度設定為103 ns，以確保門驅動IC對IN端口的毛刺具有抗干擾能力。

IN輸入電路設計圖如圖3所示，當RDYC為高電平、SO信號為低電平時，系統準備就緒可正常啟動，輸入的PWM信號首先經過SN74LVC1G14DCKR芯片，該芯片是一款具有施密特觸發功能的“非門”集成電路，可實現數理邏輯運算。其采用先進的CMOS工藝設計，該設計具有低功耗和高輸出驅動能力，它可以將邊沿變化緩慢的周期性信號變換為邊沿較陡的矩形脈沖信號。當輸入電壓由低向高增加到一定閾值時，輸出電壓會發生突變。施密特觸發器可以對波形整形，消除波形畸變、振蕩現象和噪聲，增強系統的穩定性。

2.4 驅動電路輸出端設計

2.4.1 輸出電源電容選擇

驅動器輸出電源電容位置的設計規則是盡可能接近IC的電源引腳VCC2和VEE2。電容值需要足夠大，以限制電源開關導通期間的電壓降。電容C的計算公式：

C = ×1.2。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（5）

式中，IQ為門極驅動器的供電電流，tp為開關頻率的周期，?Vcc為電壓變化最大允許值。20%的附加裕度涵蓋了電容和門極電荷參數的典型公差。

輸出端需要并聯足夠大且合適的電容，并在電路后端設有鉗位二極管，當出現過電壓時，鉗位二極管能夠迅速導通，把電壓鉗制在安全范圍內，保護敏感器件不受損害。

2.4.2 IC輸出電路設計

IC輸出電路設計圖如圖4所示。其中，門極驅動電阻的大小影響功率模塊的開關損耗以及開關時間、短路安全工作區、反向偏壓安全工作區等，在驅動電路設計中，門極驅動電阻的選擇非常重要。門極驅動電阻RG的計算公式：

RG =" - RG（int）。 " " " " " " " " " " " " "（6）

式中，VG（on）為正偏電源電壓，VG（off）為負偏電源電壓，IGM為門極峰值電流，RG（int）為模塊內部電阻。

根據所選功率模塊的不同，通過計算可得到相應的電阻值，采用適當的電阻可以減小開關的損耗以及驅動信號上升與下降的時間，從而提高系統的整體效率。另外，本設計在功率模塊的柵極和發射極并聯瞬態抑制二極管和平衡電阻來防止門極電壓超過閾值，保證系統的安全性與可靠性。

2.5 電路保護機制

為確保安全操作，柵極驅動IC配備了輸入和輸出側的UVLO電路。UVLO電路針對IGBT進行了優化。去飽和檢測電路在短路情況下可以保護外部功率器件免受破壞。柵極驅動IC對DESAT故障做出反應，使用可調的軟關斷方法將功率器件關閉，軟關斷功能在過電流條件下以軟控制方式關閉外部功率器件，以保護功率器件免受集電極—發射極過電壓的損害。主動米勒鉗位功能保護功率器件免受快速開關應用中的寄生導通。

3 結論

針對不同型號的IGBT和SiC，選用合適的模塊電源、驅動IC輸入端電阻以及門極電阻。中央處理器（central processing unit，CPU）可輸出15 kHz、50 kHz、100 kHz等不同頻率的PWM波，再經驅動電路放大后，可用于IGBT和高頻SiC的驅動。

本文以1ED34x1Mc12M芯片為核心，設計了一種適用于IGBT和SiC的驅動電路，針對不同類型的半導體功率器件，根據其技術手冊選取合適的模塊電源、驅動IC輸入端電阻以及門極電阻即可進行高效的驅動。通過對不同類型的半導體功率器件進行脈沖測試，驗證了其正常驅動波形整體性能良好，且具有退飽和保護、有源鉗位保護、故障信號反饋等多種保護功能，保證了系統運行的穩定性與可靠性。

參考文獻

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