在高压大功率逆变器的研制过程中，我们选用Eupec公司的的大功率IGBT模块FF 200 R 33 KF2(200A/3300V)。由于大功率IGBT模块需要的瞬时驱动电流大，而常用IGBT驱动模块EX841、M57962等的驱动功率有限，为此，我们选用了2SD315AI-33。该模块驱动能力强，峰值电流可达 ，隔离能力强，有完善的保护功能。另外，在高压大功率场合下，开关管开通关断的 、 很高，很容易对控制电路等弱电信号造成干扰，严重威胁高压大功率逆变器的安全运行。因此，本系统采用了光纤连接器来隔离主电路和控制电路。光纤连接器实现了PWM控制信号的远距离传输，延时小而且从根本xx了来自功率开关器件的干扰。本文结合驱动模块2SD315AI-33和光纤连接器HFBR1521/2521，给出了高压大功率逆变器中IGBT模块的驱动保护方案。
1 2SD315AI-33模块简介 2SD315AI-33模块是瑞士CONCEPT公司生产的SCALE系列驱动器之一，是驱动和保护大功率IGBT的专用集成驱动模块，内部集成有过流保护电路。它有两个驱动输出通道，适合两个单管或一个半桥式的双单元IGBT模块。作为半桥驱动器的时候，可以非常方便改变外接的RC死区设置环节来设置死区时间。 1.1 2SD315AI-33驱动模块内部结构 2SD315AI-33模块内部结构框图如图1所示，包含两路IGBT驱动电路。内部电路可以分为3大功能部分：{dy}功能部分是LDI主要接收来自控制侧的信号，经过处理后送给下一级IGD;并将IGD通过隔离变压器传送过来的短路、过流等信号处理之后送给控制电路。第二功能部分是IGD主要接收来自LDI的控制信号并输出驱动脉冲;同时，它还负责检测过流、短路等故障。第三功能部分是是输出与输入相隔离的DC/DC变换器，为IGD驱动提供两路隔离电源。 1.2 2SD315AI-33的主要特点 (1)可选择的工作模式和死区设置 2SD315AI-33驱动模块有两种工作模式，即直接模式和半桥模式，靠模式选择端MOD来决定。当模式选择端MOD外接高电平VCC的时候就选择了直接工作模式。在直接模式中两个驱动通道是相互独立的，INA 和INB分别为两个通道的输入，SO1 和SO2分别是两个通道工作状态输出端。这种工作模式下死区时间设置端RC1、RC2 一定要同时接地。如果MOD端子接地，则选择了半桥工作模式。半桥模式工作时，该驱动器同时驱动一个桥臂上的两个IGBT，此时死区时间设置端根据需要外接RC电路以产生所需要的死区时间。在半桥工作模式下，INA为PWM输入信号，2SD315AI-33模块将INA的输入信号分为两路互补并加入了死区的驱动信号，送给一个桥臂的上下管。INB为保护信号。 (2)短路过流保护 2SD315AI-33驱动器内部集成了过流保护电路，通过集电极检测电路来保护功率半导体器件。每个通道检测功率半导体Vce饱和导通压降，由于饱和导通压降Vce和Ic近似成正比例关系，通过检测Vce就可以判断回路是否短路或过流。需要注意的是输出端子Cx不能直接连接到主回路的集电极上，必须通过一个或两个串联在一起的反向二极管来保护测量端，一般选用1N4007作为串联使用的二极管。通过比较检测到的电压Vce和预设的阈值保护电压来确定是否过流，如发生过流则 和 输出过流保护信号，同时发出封锁信号封锁输出，封锁时间大约有1s左右的时间。 2 光纤传送原理 光纤传送分为三部分：光纤发送器、光纤、光纤接收器。 本系统中采用的光纤发送器和接收器分别为HFBR-1521和HFBR-2521。以HFBR-1521和HFBR-2521为例来说明。 HFBR-1521内部为一发光二级管。HFBR-2521内部为一光控的集电极开路三级管，有光信号时，三级管导通，输出Vo为低电平;没有光信号时，三级管截止，输出Vo被上拉为高电平。 光纤传输信号的最远距离和传输速率有很大关系，40 kBd时，可传输120m;5 MBd时，可传输20m。 3 系统设计 3.1 光纤隔离 光纤发送器采用HFBR-1521，接收器采用HFBR-2521。 光纤连接图如图3所示，PWM信号为DSP发出的控制信号，INA/INB送到驱动模块2SD315AI-33的PWM接收脚INA和INB。 施密特触发器74ALS14主要作用： (1)波形整形和驱动放大 (2)在光纤由于意外情况损坏时，光纤接收器的1脚Vo为高电平，经过74ALS14反向后使得INB电平变低，及时关断IGBT模块，保证整个系统的可靠性，因而74ALS14必不可少。 3 .2 驱动模块外围电路设计 驱动电路采用半桥工作模式，如图4所示。INA为驱动模块的PWM输入引脚，INB为保护信号输入引脚。INA输入信号通过驱动模块内部处理，分成两路加入了死区的互补信号，从根本上避免了IGBT桥臂直通的危险。死区时间由外接的RC决定。INB为保护信号，当INB输入低电平时，驱动模块封锁两路驱动脉冲。 3.3 保护电路的设计 系统保护电路如图5所示，SO为驱动模块2SD315AI-33的故障信号。当出现过流等故障时，驱动模块立即封锁驱动脉冲，且SO变为低电平。SO信号通过处理后得到Error信号，Error信号送回控制电路，进行故障保护。同时，SO信号经过一定的延时之后送到2SD315AI-33模块的VL/Reset脚，xx模块内部的故障信息，为故障xx后驱动模块重新工作作准备。 4 实验结果 针对图3的光纤连接图进行了PWM信号的传输实验，实验系统中光纤长度1m。图6 和图7中，ch1和ch2分别对应图3中的PWM和INA/INB信号。由图6可见，高频PWM信号传输无失真。由图7可见，PWM波形传输延时仅为120ns左右，满足逆变器高频驱动脉冲信号传输的需要。 实际装置中的高压大功率IGBT模块选用的是eupec公司的FF 200 R 33 KF2(200A/3300V)模块，g和e之间节电容CGE为33nF。图8和图9是采用2SD315AI-33驱动模块时的驱动波形VGE和开关波形VCE，基级驱动电阻RG取 。 从图8中可以看出IGBT开关波形的上升、下降沿很陡，开关耗损小;但由于大功率IGBT的CGE电容很大，所以开通延时、关断延时较大，从图中可以看出开通和关断延时分别为1us和1.5us。若减小驱动电阻RG，则IGBT开通和关断的速度会加快;但RG不能小于 ，否则驱动模块会因为瞬时输出驱动电流过大而损坏。 实验中，还对2SD315AI-33的工作频率进行了测试，工作频率可以高达120kHz，可以满足高速功率MOSFEET的驱动要求，试验波形如图9所示。 实验过程中还多次进行短路保护实验，将逆变桥输出直接短路，驱动模块每次都能很好地对主电路进行保护。 5 结论 光纤传输PWM信号不仅失真，延时小，传输距离远，而且从根本上xx了主电路对控制电路的干扰。驱动模块2SD315AI-33的驱动能力强，工作频率高，而且保护功能完备。实验结果表明基于驱动模块2SD315AI-33和光纤连接器的大功率IGBT的驱动保护方案是xx可行的，保证了高压大功率逆变器的可靠运行。
科研人员经过连续技术攻关, 在原有xx半导体分立器件自动测试系统基础上, 于2008年4月26日自行研发出国内首台1250A大电流测试台,圆满解决了功率IGBT等新型半导体器件的全参数测试难题,填补了国内在半导体自动测试领域的空白。该项产品综合技术指标达到国际{lx1}水平.
与国外同类产品相比, 该产品具有更高的性能价格比和国外厂家不能做到的优质售后服务保证. 联系人：张生15929809590 佰人科技有限公司 |
