基于2SD106的IGBT驱动电路设计与应用

引言

IGBT驱动电路的关键是驱动保护电路设计，良好的驱动电路必须保证IGBT的开关损耗量尽可能小。在IGBT承受短路电流时，如能实现可靠关断，则可以保护IGBT。

由于大功率的IGBT模块在开通关断时，需要瞬间大电流。本系统选择2SD106AI-17作为驱动模块，该模块驱动能力强，驱动峰值电流达到6A，隔离能力强，具有完善灵活的保护电路。

本文设计的驱动电路应用在混合动力汽车的异步电机的逆变器系统中，三相全桥逆变器选用IGBT型号为UPEC的FF400R12KE3，考虑到开关频率高和逆变器空间等因素的限制，最终采用CONCEPT公司的驱动模块2SD106AI-17。在实际运行中，该模块具有较好的驱动能力和较强的可靠性。

2SD106AI-17驱动模块简介

2SD106AI-17是瑞士CONCEPT公司生产的SCALE系列驱动模块之一，是驱动大功率IGBT和MOSFET专用模块，内部集成了短路和过流保护电路、欠压监测电路。该SCALE驱动板采用ASIC设计，仅用15V电源驱动，开关频率可大于100kHz，具有高可靠性和使用寿命长等特性。它有两个驱动输出通道，可以选择两种不同的工作模式，适合两个单管和半桥驱动，曾获得1998年度ABB优秀电力电子项目称号。

2SD106AI-17跟其他型号的SCALE系列驱动模块的内部结构差不多，都是由电子接口LDI 、智能栅极驱动IGD和15V D C/DC电源组成，其方框图如图１所示。当外部输入PWM信号后，由LDI进行编码处理，为保证信号不受外界条件的干扰，处理过的信号在进入IGD前需用高频隔离变压器进行电气隔离。从隔离变压器另一侧接收到的信号首先在IGD单元进行解码，并把解码后的PWM信号进行放大（±15V/±15A），以驱动外接大功率IGBT。当智能门极驱动单元IGD内的保护电路检测到IGBT发生过流和短路故障时 ，由封锁时间逻辑电路和状态确认电路产生相应的响应时间和封锁时间，并把此时的状态信号进行编码送到逻辑控制单元LDI。LDI单元对传送来的IGBT工作状态信号进行解码处理，使之在控制回路中得以处理 。为防止2SD106AI-17的两路输出驱动信号相互干扰，由DC/DC转换器提供彼此隔离的电源供电。同时，还提供了电源监测电路，当控制电源电压低于10~11V时，模块会自动把IGBT封锁，同时产生一个错误信号。

图1 SCALE驱动模块的内部原理图(略)

驱动电路设计

图2为2SD106AI-17的典型驱动电路，下面详细介绍驱动电路的设计过程。

图2 2SD106AI-17的驱动电路(略)

2SD106AI-17的工作模式选择

2SD106AI-17有两种工作模式，分别是直接模式和半桥模式。前者是两路IGBT独立工作，可用于已经产生死区时间的PWM信号的驱动；后者是驱动板上自动产生死区时间，两路IGBT协调工作。在这个电路中，把Mod端接地，使SCALE处于半桥模式，InA为PWM输入端，InB为使能信号。当InB输入为低电平时，两路IGBT同时关断。死区时间是由硬件产生的，死区时间的选择就是选择RC网络的值。在综合考虑之后，选择死区时间是2.1μS，选择的电阻和电容是22kΩ和22pF。

驱动电阻的选择

在驱动IGBT时，必须选择合适的驱动电阻。阻值越小，上升和下降时间就越短，但是di/dt随之变大，由于杂散电感的存在，使得IGBT承受比较高的尖锋电压；阻值越大，上升和下降时间就越长，有可能无法使IGBT按时开通和关断。故选择驱动电阻阻值时要综合考虑这两方面因素，同时也要考虑2SD106AI-17的最大驱动电流（6A），驱动电阻的最小值可以按照这个公式：

R_{2}=ΔU/I_{OP} (1)
由电气特性可知，ΔU=30V（门极驱动电压15V ），根据公式(1)，取驱动电阻为5.1Ω。

参考电阻的选取

参考电阻就是2SD106AI-17连接到IGBT的发射极（E端）的电阻，确定IGBT保护关断阀值。导通后，当C端上的电压超过参考电阻上的电压时，驱动模块就会启动保护功能。参考电阻的计算公式可以按照公式（2）计算得到。

R_{th}=V_{th}/150μA （2）

在 不同的系统中，IGBT的过电流保护限值是不同的。如图3所示，FF400R12KE3的保护电流实际上相当于短路电流，此时瞬时电流值非常大，对IGBT的损伤也非常大，按照正常做法，必须有可靠的过流保护。由公式（2）可以计算出一个参考电阻，其中V th =3.2V，则R th =22kΩ。

图3 FF400R12KE3的Ic/Vce输出特性(略)

根 据上述驱动电路设计，用2SD106AI-17模块来驱动FF400R12KE3。需要注意的是驱动电路应尽可能靠近IGBT安装，同时IGBT与驱动电路应 采用双绞线连接，参考电阻、参考电 位必须尽可能地 接近IGBT模块的E端。图4为2SD106AI-17输出到IGBT门极的一路波形，开关频率为6.6 k Hz。

图4 2SD106AI-17的一路输出波形(略)

实验问题与分析

基于以上的驱动电路，应用于本实验室自主研制的混合动力汽车逆变器上，将其进行具体装车试验。图5为逆变器系统结构框图。

图5 逆变器系统框图(略)

系统选用FF400R12KE3为逆变器的开关器件，开关频率为6.6kHz，采用SVPWM调制方式产生PWM波形；采用基于转子磁场定向的矢量控 制作为电机的控制策略，核心控制单元为定点DSP-TMS320LF2407A；相电流信号i s通过D/A输出，用示波器进行观测；直流母线电压为350V；负载由电涡流测功机进行模拟。在做额定负载实验中，逆变器输出170A的电流 很正常，电压电流波形如图6。在实际车辆运行中，发现逆变器没有电流输出。

图6 逆变器输出电压电流波形(略)

实验系统所用电机具体参数如下：

额定功率：50kW

额定频率：200Hz

额定电压：240V

额定电流：167A

额定转矩：160N.m

额定转速：3000r/min

联结方式：Y

最高转速：6000r/min

问题排查过程：

1.利用外部电源单独给逆变器供电，发现逆变器工作正常，排除了逆变器出现问题的可能。

2 .在问题状态下，用示波器查DSP主控板有没有PWM波形输出。发现有波形输出，基本排除了主控板的因素。

3.在问题状态下，测量车辆24V供电系统，发现电池的电压在启动瞬间降到10V左右，同时又观察别的系统单元，发现这时也都停止工作。可知问题基本是由供电电源不稳引起的。

4.在驱动板的电源输入端增加两个大电容，问题不再出现。

问题原因：

在发动机启动的时候，点火系统需要一个大电流，导致车上的24V系统电压下降很严重，使得2SD106AI-17的输入电源低于其自身的保护电压（11V），从而使2SD106AI-17产生了复位。因此，为了适应车上的工作状况， 必须在2SD106AI-17的电源侧增加电 容，使驱动模块在启动时期内不复位。

在设计和使用2SD106AI时，要注意以下事项：1、必须计算驱动需要的功率，选择合适的供电电源，特别是在车上时要用宽输入的电源；2、安装时请不要用手随便触摸驱动模块，防止静电损害模块；3、驱动电阻要靠近IGBT的门极。

结束语

本文分析了2SD106AI-17的工作原理，设计了基于2SD106AI-17的IGBT驱动电路，并将其应用在具体混合动力汽车的逆变器驱动系统上。实验表明，基于2SD106AI-17的驱动板可靠性非常好，非常适用于车上的环境。

[1].FF400R12KE3datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/FF400R12KE3_1464325.html.