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不少傳統(tǒng)的傳動(dòng)行業(yè)客戶使用了3.3kV IGBT模塊，其中軌道交通牽引行業(yè)是的客戶群之一；高壓變頻行業(yè)也正逐步采用3.3kV系列模塊進(jìn)行技術(shù)更新，以替代傳統(tǒng)1.2kV，1.7kV級(jí)聯(lián)模式的復(fù)雜系統(tǒng)。作為一款廣泛應(yīng)用的IGBT模塊產(chǎn)品，很有必要對(duì)其應(yīng)用電路做更深入的細(xì)節(jié)分析，以幫助客戶更安全合理地使用，因此，對(duì)3.3kV IGBT模塊驅(qū)動(dòng)電路的研究十分有意義。英飛凌公司（Infineon）3.3kV IGBT模塊為一款成熟產(chǎn)品，其芯片技術(shù)已經(jīng)從第二代發(fā)展到了第三代。本文以一款I(lǐng)nfineon公司3.3kV IGBT驅(qū)動(dòng)電路為例，主要從安全隔離、門極電路、有源箝位和短路保護(hù)等方面介紹了設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)。華科智源針對(duì)到功率IGBT模塊，研發(fā)的大功率IGBT測(cè)試儀，IGBT模塊測(cè)試系統(tǒng)，IGBT模塊測(cè)試裝置。
1. 驅(qū)動(dòng)電路的安全隔離
在設(shè)計(jì)高壓IGBT驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，首先要考慮安全隔離問題。不同電壓等級(jí)的IGBT模塊有不同的隔離要求，包括驅(qū)動(dòng)信號(hào)與主電路的隔離以及初級(jí)供電電源與主電路的隔離。
驅(qū)動(dòng)信號(hào)與主電路的隔離可以用光纖來實(shí)現(xiàn)。用光纖隔離不僅絕緣性能好、使用方便，而且抗干擾能力強(qiáng)。使用光纖連接信號(hào)時(shí)要注意光纖收發(fā)器的工作溫度，如常見的塑殼光纖收發(fā)器，其工作溫度不超過85℃，可靠的工作環(huán)境溫度在0～70℃。3.3kV IGBT模塊一般采用螺栓式引線端子，為減小電路的寄生電容和電感，驅(qū)動(dòng)電路板常被直接安裝在模塊上。系統(tǒng)實(shí)際工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)板的環(huán)境溫度如果高于70℃，則會(huì)導(dǎo)致光纖收發(fā)信號(hào)異常，因此要么電路布局時(shí)讓光纖收發(fā)器遠(yuǎn)離熱源并預(yù)留一定的散熱空間，要么把含有光纖收發(fā)器部分的驅(qū)動(dòng)電路獨(dú)立出來，避免放在類似功率模塊這樣的熱源附近。
供電電源與主電路的隔離可以用絕緣等級(jí)高的變壓器或者電源模塊來實(shí)現(xiàn)。選擇隔離器件時(shí)不僅要注意其絕緣電壓值的高低，還要注意輸入和輸出之間能承受的電壓上升率（dv/dt）的大小。選用高dv/dt 值的隔離器件，不僅能增強(qiáng)電源的共模抑制能力，還可降低電路間的信號(hào)干擾。
2. 門極電路設(shè)計(jì)
IGBT門極（G極）驅(qū)動(dòng)電阻器、電容器等應(yīng)該盡量靠近模塊引線端子放置。3.3kV IGBT模塊關(guān)斷過壓較小，G極驅(qū)動(dòng)電阻無需遠(yuǎn)大于規(guī)格書給定值。如果IGBT開通、關(guān)斷使用不同阻值的電阻，可以用二極管（是肖特基二極管）隔開（圖1），該二極管還有助于加速負(fù)載短路時(shí)VCE的退飽和，從而安全地關(guān)斷IGBT。考慮到三極管發(fā)射極與基極間電壓（VEB）的限制，因此不建議用圖2所示的連接方法分離開通電阻和關(guān)斷電阻。G極驅(qū)動(dòng)電路板將被直接安裝在模塊上，所以溫度因素不可忽略，要選用溫漂系數(shù)小的器件，比如G極驅(qū)動(dòng)電容選用Ⅰ類介質(zhì)獨(dú)石電容器，這樣可以保證工作時(shí)功率器件開關(guān)性能的穩(wěn)定。
圖1 用二極管分離開通和關(guān)斷電阻的Ｇ極電路
圖2 分開使用開通和關(guān)斷電阻的Ｇ極電路
G極電壓箝位很重要。IGBT自身具有電流限制能力，尤其是在短路的時(shí)候，只要能夠很好地控制G極電壓，短路電流就會(huì)受到限制，從而避免模塊因短路電流過大而損毀。另外，箝住G極電壓還有助于負(fù)載短路時(shí)VCE的退飽和。要想很好地控制住G極電壓，首先選擇輸出能力強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)器。再者由于器件工作在開關(guān)環(huán)境中，電壓、電流的不斷變化必然會(huì)影響G極電壓值。特別是在器件發(fā)生短路的時(shí)候，G極電壓若控制不好不斷上升的話，會(huì)使IC也不斷變大，這會(huì)增大損耗，甚至負(fù)載短路時(shí)還會(huì)導(dǎo)致VCE電壓不易退飽和，因此需外加電路來穩(wěn)定G極電壓。這通常有2種方法，一種是直接在G極加穩(wěn)壓二極管或者TVS管（瞬態(tài)電壓抑制二極管），如圖3中的D2；另一種方法是在G極與驅(qū)動(dòng)側(cè)電源電壓間接一個(gè)肖特基二極管，如圖3中的D1。采用前種方法，其響應(yīng)速度受器件至G極的距離影響；采用后種方法，其抗浪涌程度又和電源有關(guān)；如果同時(shí)使用這兩種方法，則可互相取長補(bǔ)短，箝住G極電壓。但對(duì)那些沒有預(yù)留驅(qū)動(dòng)側(cè)電源電壓管腳位置的驅(qū)動(dòng)芯片就只能用種方法了。
圖3 IGBT門極箝位電路
3. 有源箝位設(shè)計(jì)
IGBT工作期間難免遭受瞬時(shí)C、E之間的過電壓，特別是在器件發(fā)生短路繼而關(guān)斷的時(shí)候，因此需要一個(gè)吸收電路，比較常見的做法是在母線端加吸收電容或使用TVS作有源箝位。這里主要介紹利用TVS進(jìn)行有源箝位，見圖4中圈出部分。TVS是在穩(wěn)壓管工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種產(chǎn)品，在規(guī)定的反向應(yīng)用條件下承受一個(gè)高能量的瞬時(shí)過壓脈沖時(shí)，工作阻抗能立即降至很低的導(dǎo)通值，允許大電流通過。TVS能承受的瞬時(shí)脈沖功率可達(dá)上千瓦，其箝位響應(yīng)時(shí)間為ps級(jí)，圖5示出其工作特性曲線。按導(dǎo)通方向，TVS分為單向和雙向兩種，在IGBT逆變電路中，因?yàn)槭侵绷髂妇€，所以一般選單向TVS管。
圖4 IGBT有源箝位
圖5 TVS的工作特性曲線
選擇有源箝位用的TVS時(shí)需要注意：
(1)TVS的反向工作電壓（VRWM）不低于且盡可能接近于被保護(hù)線路的正常工作電壓（要考慮電網(wǎng)過壓）。
(2)TVS的擊穿電壓VBR有最小值和值，這是由器件的離散性決定的。多個(gè)TVS串聯(lián)后的VBR值之和應(yīng)小于IGBT的擊穿電壓（3.3kV的模塊擊穿電壓為3300V），比如在3.3kV驅(qū)動(dòng)電路中可以用11個(gè)SMCJ220A型TVS串聯(lián)使用。
(3)TVS的峰值脈沖功率（PPPM =VC×IPP）除了與峰值脈沖電流和箝位電壓有關(guān)外，還與脈沖波形、脈沖持續(xù)時(shí)間和環(huán)境溫度有關(guān)（圖6）。選擇TVS時(shí)應(yīng)保證在電路工作溫度時(shí)器件的功率依然能滿足正常工作要求。
圖6 峰值功耗和環(huán)境溫度曲線
(4)峰值脈沖電流（IPPM）為 TVS允許流過的浪涌電流。對(duì)于同一功率等級(jí)的TVS而言，電壓越低所能承受的峰值電流越大。如果電路板布局空間允許，可以考慮用多個(gè)電壓低些的TVS串聯(lián)使用，這樣不僅能承受更大的浪涌電流，還能減小總的結(jié)電容。
(5)注意TVS器件的命名方式，避免選型錯(cuò)誤。以貼片封裝TVS器件為例，一種是以VRWM命名，如：SMAJ***(C)A, SMBJ***(C)A, SMCJ***(C)A, SMDJ***(C)A；另一種是以VBR命名（VBR值與最小值之和的一半），如：P4SMA***(C)A, P6SMB***(C)A, 1.5SMC***(C)A,5.0SMDJ***(C)A。
4. 短路保護(hù)的設(shè)計(jì)
一個(gè)理想的驅(qū)動(dòng)電路中包含各種保護(hù)成分，特別是短路保護(hù)，通過接收短路信號(hào)來關(guān)斷IGBT，避免器件因過熱而損壞。根據(jù)短路的情況，分為Ⅰ類短路和Ⅱ類短路。Ⅰ類短路為上、下橋臂的直通短路，也稱硬短路，可理解為IGBT導(dǎo)通前整個(gè)電路已經(jīng)處在短路的環(huán)境中，所以當(dāng)IGBT門極開通后，VCE無法下降達(dá)到飽和電壓VCE(sat)（圖7）；Ⅱ類短路為負(fù)載短路，又叫軟短路，由圖8可以看到IGBT的VCE有一個(gè)退飽和的過程。
圖7 I類短路波形
圖8 II類短路波形
判斷IGBT是否短路的方法有很多，常見方法是通過檢測(cè)VCE值與預(yù)設(shè)的參考電壓值進(jìn)行比較，來判斷器件是否短路。因?yàn)镮GBT工作時(shí)，在允許的電流范圍內(nèi)，VCE通常只有幾伏；ICE增大時(shí)，VCE也會(huì)增大，當(dāng)ICE增大到一定程度，器件會(huì)迅速地退飽和至母線電壓值（圖8）。如果是Ⅰ類短路情況，則VCE將始終遠(yuǎn)大于VCE(sat)（圖7）。
高壓IGBT模塊短路VCE檢測(cè)時(shí)，其驅(qū)動(dòng)電路VCE參考電壓預(yù)設(shè)值較高，所以用+60V電源，而低壓IGBT驅(qū)動(dòng)電路只用+15V電源。圖9和圖10分別示出FZ1500R33HE3型IGBT模塊正常開通及Ⅱ類短路時(shí)的波形。VCE電壓檢測(cè)點(diǎn)位置如圖11所示。可以看到，正常開通時(shí)，VCE會(huì)降至一個(gè)較低值（由IGBT的VCE(sat)和VCE檢測(cè)二極管的導(dǎo)通壓降決定）。而在IGBTⅡ類短路時(shí)IC不斷上升直至電流的過程中，VCE檢測(cè)電壓也會(huì)上升達(dá)到幾十伏。由于在此期間VCE未退飽和至母線電壓值，不宜關(guān)斷IGBT，所以短路保護(hù)的參考值需要適當(dāng)?shù)卦O(shè)置得高些
圖9 正常開通波形
圖10 II類短路波形
圖11 VCE的檢測(cè)點(diǎn)
圖12示出基于Infineon驅(qū)動(dòng)芯片1ED020I12來設(shè)計(jì)的3.3kV IGBT模塊短路檢測(cè)電路。圖13示出1ED020I12的結(jié)構(gòu)示意圖[4]，它是單通道的IGBT驅(qū)動(dòng)芯片，采用無核變壓器技術(shù)作隔離及信號(hào)傳輸，具有傳播延遲時(shí)間短的優(yōu)勢(shì)。圖12所示電路僅利用了1ED020I12的驅(qū)動(dòng)和短路保護(hù)功能，電隔離的功能由高壓隔離電源模塊來實(shí)現(xiàn)。在Ⅱ類短路時(shí)，3.3kV IGBT VCE的檢測(cè)電壓可能會(huì)有幾十伏，所以電流源的電壓用+60V。但是在1ED020I12內(nèi)部，和DESAT腳輸入進(jìn)行比較的參考電壓是9V，所以電流源的電壓通過電阻分壓后再送給DESAT端。圖12中電容C20可以控制短路信號(hào)的屏蔽時(shí)間，MOS管T3為C20提供放電路徑。
圖12 短路檢測(cè)電路
圖13 1ED020I12的結(jié)構(gòu)示意圖
對(duì)Ⅱ類短路而言，其短路保護(hù)時(shí)間點(diǎn)的設(shè)計(jì)很關(guān)鍵。如果IGBT在電流不斷增大而電壓尚未退飽和至直流母線電壓的情況下被強(qiáng)制關(guān)斷，會(huì)造成關(guān)斷時(shí)的VCE峰值可能超過IGBT所能承受的阻斷電壓從而損壞模塊。圖14示出3.3kV IGBT模塊在II類短路時(shí)不同時(shí)間點(diǎn)關(guān)斷所產(chǎn)生的VCE過壓值的比較。不難看出，關(guān)斷時(shí)，VCE值越低，產(chǎn)生的過電壓峰值就越高。如果把短路保護(hù)時(shí)間適當(dāng)延長，當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，VCE已退飽和至母線電壓值，則器件關(guān)斷時(shí)VCE產(chǎn)生的過電壓就低。
圖14 不同時(shí)間點(diǎn)關(guān)斷IGBT所產(chǎn)生的VCE過壓值的比較
5. 結(jié)語
本文從一款3.3kV IGBT驅(qū)動(dòng)電路入手，對(duì)其設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)進(jìn)行分析和總結(jié)，說明了設(shè)計(jì)中值得關(guān)注的地方，并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試作了直觀的展示，對(duì)于IGBT驅(qū)動(dòng)電路的初次設(shè)計(jì)者有一定的借鑒作用。