基于2SD315A模塊的驅(qū)動器設(shè)計與實驗

李 萍

北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院 北京 100192

電力電子器件構(gòu)成的電能變換裝置廣泛應(yīng)用于交直流電機、電氣化鐵道、高壓直流輸電、無功補償、變頻電器等工業(yè)、交通、電力、航空航天、家電領(lǐng)域。目前裝置中的功率器件主要采用MOSFET，IGBT，裝置的重要性能取決于驅(qū)動電路的驅(qū)動能力，因此驅(qū)動電路是信息與電能變換裝置之間重要的電氣接口。CONCEPT公司專為IGBT和MOSFET功率器件可靠工作、安全運行設(shè)計了2SD315A型驅(qū)動模塊。驅(qū)動模塊集成了自檢、狀態(tài)反饋、DC/DC獨立電源，是一種完全隔離的智能驅(qū)動電路。

1 驅(qū)動模塊工作原理

2SD315A主要由LDI(LogIC to Driver Interface)，脈沖變壓器，IGD(Intelligent Gate Driver)和DC/DC變換器構(gòu)成(如圖1所示)[1]。LDI電路功能是將輸入的PWM脈沖信號轉(zhuǎn)化為控制脈沖變壓器的信號，并將頻率、占空比信息通過脈沖變壓器傳輸?shù)焦β黍?qū)動信號上。IGD電路功能就是對脈沖變壓器輸出的PWM信號進行功率放大，并對所驅(qū)動的功率器件工作狀態(tài)進行檢測，實現(xiàn)短路、過流、電源欠壓的保護功能，還可向LDI提供狀態(tài)反饋信息，產(chǎn)生短路保護相應(yīng)時間和脈沖阻斷時間等。

圖1 2SD315AI模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

有兩種工作模式可供選擇，半橋模式和直接模式。驅(qū)動器的MOD管腳接地則工作在半橋模式，接電源則工作在直接模式。

2SD315A具有較寬的輸入邏輯電平；可靈活方便選擇工作模式；具有短路和過流保護功能；具有欠壓檢測功能；可動態(tài)設(shè)定短路保護閾值；輸入、輸出及各通道間完全電氣隔離；輸出功率大，可實現(xiàn)多管驅(qū)動。

2 驅(qū)動器電路設(shè)計

基于上述2SD315A驅(qū)動模塊的工作原理設(shè)計了驅(qū)動接口電路(如圖2所示)。

圖2 驅(qū)動器電路原理圖

2.1 工作模式選擇

在半橋工作模式中，驅(qū)動器的InA管腳作為PWM脈沖輸入信號，InB管腳作為脈沖允許信號。只需在驅(qū)動器的RC1，RC2管腳外部加入簡單的RC電路，便可以產(chǎn)生長度從100 ns到幾ms的死區(qū)時間。在直接工作模式中，管腳InA和InB分別是兩個通道的輸入PWM脈沖信號，兩個通道之間互相獨立，沒有互鎖功能與設(shè)置死區(qū)時間。若控制中PWM脈沖信號由控制器產(chǎn)生，死區(qū)時間可以通過軟件直接設(shè)置，因此驅(qū)動器選取了直接工作模式。

2.2 PWM脈沖信號

為了解決輸入脈沖信號傳輸需要一定距離，而較長的距離會受到干擾問題，通常會用光纖傳輸、電流環(huán)傳輸、絕緣隔離傳輸、差動傳輸以及強信號傳輸?shù)?。強信號傳輸是?qū)動器的PWM脈沖輸入信號采用+15 V電平以提高信噪比。同時，信號傳輸采用雙絞屏蔽線，單端接地，大幅降低了噪聲的影響。輸入高電平電壓范圍是5～15 V。

2.3 驅(qū)動電源檢測

當(dāng)VDD＞12 V時，Z2反向擊穿，Q1導(dǎo)通，Q2截止，VL為高電平，驅(qū)動器開通；當(dāng)VDD＜12 V時， Q1截止，Q2導(dǎo)通，VL為低電平，IGD輸出負門極電壓，IGBT關(guān)斷，同時輸出錯誤信息。

2.4 IGBT接口電路

驅(qū)動接口電路采用對稱參數(shù)開通、關(guān)斷電阻，不僅可以減小驅(qū)動電阻功率，還可分別控制dv/dt和di/dt的開通和關(guān)斷，從而減小米勒效應(yīng)的感生開通。

2.5 狀態(tài)指示

利用指示燈顯示上下橋臂工作狀態(tài)。IGD導(dǎo)通集電極時，輸出約5 mA，在管腳Visox和Lsx間需串一個電阻和發(fā)光二極管指示通道x的工作狀態(tài)，正常情況下發(fā)光二極管亮，當(dāng)發(fā)生欠壓或短路故障時發(fā)光二極管滅。

2.6 驅(qū)動電阻選擇

為了改善控制脈沖前后沿的斜率和防止振動，減小IGBT集電極大電壓尖脈沖，既能獲得良好的驅(qū)動脈沖，又能控制IGBT通斷狀態(tài)的過渡時間，2SD315A最大輸出電壓正反向都是15 V，最大輸出電流15 A，則Rgmin=2 Ω。這里采用3個10 Ω電阻并聯(lián)，Rg=3.3 Ω。

2.7 過流、短路保護閾值電阻選擇

當(dāng)IGBT工作在飽和區(qū)，集電極電流Ic較大，且與集電極電壓Vce近似成正比關(guān)系時，2SD315A檢測IGBT集電極飽和電壓VCE(sat)以判斷IGBT是否過流或短路，電路原理如圖3所示[2]。

圖3 IGBT的c極采集電路原理圖

IGD內(nèi)部集成了比較器和恒流源電路，在IGBT導(dǎo)通無過流或短路狀況時，比較器輸出低電平，否則，輸出高電平。比較器的同相端、反向端分別通過電阻、二極管電容連接到IGBT的集電極和發(fā)射極，檢測Vce的變化。其中1.4 mA的恒流源經(jīng)外接電容Ca、電阻Rm和兩只串聯(lián)的二極管Dm連接到IGBT集電極。當(dāng)IGBT導(dǎo)通時，集電極電壓降低，二極管Dm將導(dǎo)通，恒流源經(jīng)IGBT的E極，此時比較器同相端電位為

式中，Rm=180 Ω，VD=1.2 V。

反相端電位則由外接電阻Rth確定，

當(dāng)IGBT過流或短路，集電極電壓Vce上升，比較器的同相端電位上升，當(dāng)其高于反相端的電位時，比較器輸出高電平，保護電路將關(guān)斷IGBT。保護門限電位由外接電阻決定，該電阻確定公式為：

由于電流源不易受干擾，采用恒流源電路實施過流保護可增加保護電路的穩(wěn)定性[3]。

3 驅(qū)動器實驗

【實驗?zāi)康摹?/p>

(1)通過2SD315A外圍電路設(shè)計，測試脈沖驅(qū)動信號發(fā)生電路工作性能，驗證電路設(shè)計方法有效性。

(2)掌握驅(qū)動電路測試基本方法。

【實驗要求】

(1)設(shè)計并搭建IGBT功率開關(guān)器件工作主電路。

(2)利用單片機或信號發(fā)生器產(chǎn)生PWM信號，測試開關(guān)頻率，脈沖幅值。

(3)PWM驅(qū)動電路連接于IGBT功率器件的G和S兩端，構(gòu)成完整的 IGBT工作電路，測試脈沖驅(qū)動信號頻率，幅值，測試IGBT功率器件D和S兩端電壓波形。

根據(jù)電路原理圖設(shè)計并制作的驅(qū)動器的電路板(如圖4所示)。

圖4 2SD315A模塊的驅(qū)動器電路板

根據(jù)實驗要求學(xué)生設(shè)計了測試驅(qū)動電路性能的主電路，將功率器件IGBT接入電感、續(xù)流二極管、電源構(gòu)成的測試回路；采用信號源發(fā)生器產(chǎn)生高電平為12V，占空比為80%、頻率為1 kHz的PWM信號，接入驅(qū)動板PWM信號輸入端，開啟主電路工作電源，測得驅(qū)動器輸出的脈沖信號如圖5所示。改變輸入PWM信號的占空比、頻率，輸出驅(qū)動信號也跟隨變化，并觀察脈沖信號高電平與低電平幅值。學(xué)生也可完成IGBT功率器件D和S兩端電壓波形的測試，觀察波形頻率及幅值。通過觀測脈沖波形可以看出脈沖上升時間短，高電平平穩(wěn)無抖動，脈沖下降時間快，說明所設(shè)計的驅(qū)動電路性能優(yōu)良，能很好實現(xiàn)IGBT的驅(qū)動功能。

圖5 驅(qū)動器輸出脈沖波形

4 結(jié)語

在學(xué)生掌握2SD315A驅(qū)動模塊工作原理基礎(chǔ)上，設(shè)計基于直接控制方式的驅(qū)動接口電路，構(gòu)成具有工作狀態(tài)顯示、出錯報警功能，安全、可靠的驅(qū)動器，通過設(shè)置驅(qū)動性能測試的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生更進一步認識與掌握2SD315A模塊及外圍電路功能，學(xué)習(xí)驅(qū)動電路設(shè)計方法和測試方法。試驗驗證驅(qū)動器的性能優(yōu)良，可將該驅(qū)動電路應(yīng)用于單開關(guān)斬波驅(qū)動電路或雙開關(guān)整流器、逆變器單相橋臂的驅(qū)動中。