馬立新，費少帥，張海兵，欒 健

(上海理工大學(xué)光電信息與計算機工程學(xué)院，上海 200093)

絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)作為現(xiàn)代電力電子技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，其是目前應(yīng)用最為廣泛的電力電子器件。IGBT作為產(chǎn)品核心部件，其驅(qū)動電路的安全可靠性直接關(guān)系著設(shè)備系統(tǒng)的正常工作，而驅(qū)動電路則影響著IGBT的通態(tài)壓降、開關(guān)損耗、承受電路電流電壓時間及dce/d t等參數(shù)，決定著IGBT工作運行中的靜態(tài)與動態(tài)運行特性以及系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，需在系統(tǒng)運行中提供一定的死區(qū)時間，并在故障狀態(tài)下可靠地關(guān)閉系統(tǒng)。而在實際應(yīng)用運行中要求驅(qū)動電路盡可能簡單，除了提供上述功能外，還需具有隔離弱電和強電的技術(shù)。

基于IGBT驅(qū)動電路的設(shè)計要求，本文提出一種基于英飛凌2ED020I12－F2驅(qū)動芯片的IGBT驅(qū)動電路，其中信號邏輯處理由2ED020I12－F2完成，且此電路具有DC/DC隔離自給電源功能，無需輸出級單獨供電，2ED020I12－F2內(nèi)部應(yīng)用無芯變壓器技術(shù)隔離PWM驅(qū)動信號，從而使此電路在強電與控制信號兩方面均實現(xiàn)了前后級隔離，并通過實驗驗證了該設(shè)計的合理性與正確性。

1 2ED020I12－F2的工作原理

2ED020I12－F2應(yīng)用無芯變壓器技術(shù)隔離信號側(cè)與功率側(cè)，其具有包括電壓監(jiān)測、欠壓鎖定、看門狗、軟硬關(guān)斷、控制信號高低壓差分輸入、軌對軌輸出、IGBT短路檢測關(guān)斷及米勒有源鉗位等功能，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 低壓鎖定(UVLO)功能與看門狗功能

為確保IGBT可靠地開通與關(guān)斷，2ED020I12－F2對供電電壓進行檢測，當(dāng)供電電源VCC1或VCC2的電壓低于內(nèi)部門限電壓VULOL值時，芯片2ED020I12－F2會自動停止工作，并處于鎖死狀態(tài)。而芯片也會通過看門狗監(jiān)測內(nèi)部信號，判斷信號傳輸是否正常，芯片正常與否，可通過芯片READY引腳的狀態(tài)指示。

1.2 輸入與輸出

2ED020I12－F2有兩種輸入模式，一種為正向輸入，此時需要將IN－腳接低電平。另一種為反向輸入，這時需要將IN+腳接高電平。在信號電平輸入方面，內(nèi)部設(shè)有最小脈沖寬度限制，由此便會消除一定量的高頻脈沖干擾。

2ED020I12－F2以推挽方式輸出，內(nèi)部MOSFET管壓降較低，有效降低了最大電流輸出時的功率損耗，提高了器件實際運行的可靠性。

1.3 過流保護

IGBT的CE間的電流大小與CE間的電壓近似成正比。根據(jù)其這一特性，2ED020I12－F2通過檢測DESAT引腳CE間的電壓進行IGBT短路或過流的判定，當(dāng)DESAT引腳電壓＞9 V時，可通過芯片內(nèi)部比較器輸出低電平關(guān)閉驅(qū)動信號輸出，從而確保IGBT不會因短路過熱而燒壞。為不引起系統(tǒng)誤保護，芯片還設(shè)計了時間消隱電路，此功能利用器件內(nèi)部高精度恒流源與外部電容共同實現(xiàn)。

1.4 米勒鉗位功能

IGBT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點決定了在其CG與GE間存在一定容量的電容，若在半橋結(jié)構(gòu)中打開下半橋IGBT時會引起上半橋IGBT的d uCE/dt的變化，因IGBT的CG之間存在電容CCG，則此時會產(chǎn)生電流iCE，此電流值為CCG·d uCE/d t。電流iCE通過米勒電容 CCG，門極電阻RG和CGE，當(dāng)CGE上的電壓大于IGBT的門極開通電壓時便會導(dǎo)致IGBT導(dǎo)通，從而引起上下橋臂同時導(dǎo)通的極端惡劣情況。

此芯片為了消除米勒效應(yīng)，設(shè)計了內(nèi)部鉗位電路，通過CLAMP引腳實時監(jiān)測IGBT門極電壓UGE，當(dāng)GE間電壓＞2 V時，芯片會自動打開內(nèi)部MOSFET管，以使CGE電荷迅速釋放。

圖1 2ED020I12－F2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 IGBT驅(qū)動電路的設(shè)計

2.1 驅(qū)動主體電路設(shè)計

基于2ED020I12－F2的IGBT驅(qū)動電路，如圖2所示。系統(tǒng)正常工作時，2ED020I12－F2根據(jù)IN腳輸入給定的電平信號，輸入信號電平范圍0～20 V，因輸入側(cè)設(shè)有鉗位二極管 D7、D10、D17、D23在 PWM 正常或IGBT工作正常情況下，F(xiàn)LT腳輸出高電平，REDAY腳輸出高電平，并導(dǎo)通外部三極管T3和T5，于是可通過發(fā)光二極管LED0和LED1判定芯片工作狀態(tài)。

系統(tǒng)輸出側(cè)采用推挽電路輸出控制信號，以上橋側(cè)為例進行分析，2ED020I12－F2的OUTHS引腳通過門極電阻R7接推挽電路的門極，推挽電路由NPN型T1管和PNP型T2管構(gòu)成，此推挽電路供電為+14 V和－8 V，所以得到IGBT門極控制信號為－8～+15 V的PWM控制信號。此電路的門極驅(qū)動功率具體可用下式得到:

門極驅(qū)動能量

門極驅(qū)動功率

驅(qū)動器總功率

平均輸出電流

最高開關(guān)頻率

峰值輸出電流

其中，RGmin=RGext+RGint，QG為門極電壓差時IGBT門極總電荷;FSW(max)為最高開關(guān)頻率;Iout(AV)為單路輸出的平均電流;Rgext為IGBT外部門極電阻;RGint為IGBT內(nèi)部門極電阻。

若有系統(tǒng)發(fā)生短路或有大電流流過IGBT時，IGBT會從過飽和狀態(tài)進入欠飽和狀態(tài)，集電極－發(fā)射極之間電壓迅速上升。當(dāng)芯片DESAT腳監(jiān)測到IGBT CE間電壓值＞9 V時，此檢測電壓與內(nèi)部比較器比較使芯片迅速封鎖驅(qū)動輸出，軟關(guān)斷IGBT，進而可防止d i/d t變化導(dǎo)致的高壓，也可防止IGBT繼續(xù)過熱而發(fā)生損壞;同時觸發(fā)器件內(nèi)部的反饋通道使FLT輸出為低電平，通知系統(tǒng)控制器方面封鎖PWM輸出到IGBT驅(qū)動器，且LED0和LED1熄滅，從而保證了系統(tǒng)的可靠運行。

圖2 基于2ED020I12－F2的IGBT驅(qū)動電路

2.2 系統(tǒng)供電設(shè)計

設(shè)計采用單電源 +15 V供電設(shè)計，其中VCC的+5 V供電由BUCK降壓電路得到。輸出級供電采用+15 V和－8 V供電，且其是由帶隔離變壓器功能的+15 V轉(zhuǎn)+15 V和－8 V的隔離電源得到，具體如圖3所示。由此使得控制信號和電源供電均實現(xiàn)了前后級的電隔離。

圖3 輸出側(cè)隔離供電模塊

3 實際運行

為驗證此IGBT驅(qū)動電路設(shè)計的正確性，將其做成實物進行各種功能測試和IGBT故障測試，主要包括控制信號PWM波處理、驅(qū)動電流、RDY信號反饋、故障封鎖和故障反饋等。其中，所有元件參數(shù)與電路參數(shù)相同，測試實物如圖4所示。

實際運行中，IGBT使用英飛凌公司生產(chǎn)的FF400R12KE3進行測試，運行效果良好，與理論設(shè)計相一致，門極驅(qū)動輸出為－8～+15 V的PWM，并具有一定的死區(qū)時間，驅(qū)動電流與本設(shè)計使用的門極電阻和IGBT內(nèi)部門極電阻相關(guān)，驅(qū)動波形如圖5所示。而當(dāng)IGBT過流或VCE過壓時，F(xiàn)LT輸出由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖交仞?，且LED0和LED1熄滅，并瞬時關(guān)斷PWM輸出，從而起到了保護IGBT的作用。

圖4 IGBT驅(qū)動電路板

圖5 PWM輸出波形

4 結(jié)束語

研究了2ED020I12－F2的工作原理，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了基于2ED020I12－F2的IGBT驅(qū)動電路，此電路實現(xiàn)了信號的輸入輸出級隔離、輸出級電源的DC/DC隔離、上下橋臂輸出隔離，并滿足IGBT驅(qū)動設(shè)計的一般要求，包括PWM死區(qū)控制、短路保護、欠壓保護及軟關(guān)斷啟動功能等。此外，還通過實驗驗證了該電路設(shè)計的正確性與可靠性。

［1］華偉.現(xiàn)代電力電子器件及其應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2002.

［2］黃家善.電力電子技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1999.

［3］賈好來.EXB 841對IGBT的過流保護研究［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報，1999，27(3):610 －613.

［4］張明柱，朱槿洪，梁文林.IGBT保護有效性與EXB 840/841的合理應(yīng)用［J］.電工技術(shù)雜志，2000(10):47－49.

［5］Chokhawala R S，Catt J，Pelly B R.Gate drive considerations for IGBT modules［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，1995，31(3):603 －611.