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高压IGBT模块2SD315AI-33的应用研究

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

最大电压上升率:100kV/μs。
  
  2工作原理及性能特点
  
  2.1工作原理
  
  图2为2SD315AI-33的功能框图。它主要由DC/DC转换电路、输入处理电路、驱动输出及逻辑保护电路组成。
  
  DC/DC转换电路的功能是将输入部分与工作部分进行隔离。而其输入处理电路由LDI001及其外围电路组成。由于控制电路产生的PWM信号不能直接通过脉冲变压器,尤其是当脉冲信号的频率和占空比变化较大时,尤为困难。LDI001就是专门为此而设计的,此专用集成芯片的功能主要是对输入的PWM信号进行编码,以使之可通过脉冲变压器进行传输。由于该器件内部带有施密特触发器,因此对输入端信号无特殊的边沿陡度要求,并能提供准静态的状态信号反馈。将其设计为集电极开路方式,可以适应任何电平逻辑,并可直接产生死区时间。以上优点使得接口既易用又灵活,从而省去了其它专用电路所必需的许多外围器件。
  
  驱动输出及逻辑保护电路的核心芯片是IGD001。它将变压器接口、过流短路保护、阻断逻辑生成、反馈状态记录、供电监视和输出阶段识别等功能都已集成在一起。每个IGD用于一个通道,其具体功能是对脉冲变压器传来的PWM信号进行解码,对PWM信号进行功率放大,对IGBT的短路、过流及电源的欠压检测保护,并向LDI反馈状态,以产生短路保护的响应时间和阻断时间等。
  
  2.2性能特点
  
  2SD315AI-33与其它驱动器相比具有以下几个显著的特点:
  
  (1)可灵活定义逻辑电平;
  
  (2)可自由选择工作模式;
  
  (3)具有短路和过流保护功能;
  
  (4)具有欠压监测功能;
  
  (5)可动态设定短路保护阈值
  
  32SD315AI-33在实际中的应用
  
  3.1应用实例
  
  笔者所在实验室中正在设计的“双逆变器-电机”能量互馈式交流传动试验系统由于采用专为电力机车所设计的300kW异步电机,故逆变器和变流器的主开关器件选用的是EUPEC公司的高压IGBT模块FZ1200R33KF1。该器件的电压等级为3300V,电流等级为1200A。根据FZ1200R33KF1对驱动保护电路的要求以及2SD315AI-33驱动模块的性能特点,笔者设计了IGBT的驱动保护电路,具体如图3所示。
  
  该电路由输入保护、电源保护、上电复位、死区时间设定及与IGBT的接口电路几部分组成,该电路工作于半桥模式。以下分别予以介绍:
  
  输入保护:通常驱动板通过引线与控制电路相连,因此,应对驱动电路的输入InputA和InputB给予适当地保护,以便在掉电或输入信号呈高阻时,输入端能够通过电阻Rx1接地。电容Cx1的作用是抑制输入端出现的短脉冲或有害的尖峰脉冲。该电路会产生大约1μs的信号延迟。
  
  电源保护:在一定的情况下,如果驱动器外部发生短路(如IGBT毁坏或短路),则驱动模块内部的DC/DC变换器可能会导致电源线短路。故设计时在VDD端增加了一个熔断器,以保证在出现故障时电路板不致毁坏。图中的16V稳压管Z2用于过压保护。
  
  上电复位:由于上电后的错误信息总是保存在驱动模块的错误寄存器中,因此在驱动电路与控制电路分离的情况下,可通过图3连接于VL/Reset的上电复位电路进行复位。该电路同时还有欠压保护功能。VDD>12.7V时,Z1反向击穿,Q1导通,Q2截止,VL为高电平,驱动器开通;而当VDD<12V时,Q1截止,Q2导通,VL为低电平,驱动器关断。另外,该复位电路还可保证在开启电源后的一个较短时间内使加于所有IGBT器件控制端上的电压均为低,以保证所有IGBT器件均处于关断状态。
  
  与IGBT接口:当开通时,驱动电流经RG1和二极管DG流向IGBT,即开通电阻Ron=RG1关闭时,由于二极管DG的单向导电性,门极经RG1和RG2放电即关断电阻Roff=RG1+RG2。这样就使得开通的di/dt、dV/dt和关断的dV/dt可以分别控制,从而改善了开关过程,减少了开关损耗。
  
  3.2设计中需要特别注意的问题
  
  在任何时候都不能使过流检测管脚CX直接接到IGBT的集电极,而需通过二极管连接。其反向承受的峰值电压应超过

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