????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 《IGBT驅動電路設計與應用》
引言 ? IGBT驅動電路的關鍵是驅動保護電路設計，良好的驅動電路必須保證IGBT的開關損耗量盡可能小。在IGBT承受短路電流時，如能實現可靠關斷，則可以保護IGBT。 ? 由于大功率的IGBT模塊在開通關斷時，需要瞬間大電流。本系統選擇2SD106AI-17作為驅動模塊，該模塊驅動能力強，驅動峰值電流達到6A，隔離能力強，具有完善靈活的保護電路。 ? 本文設計的驅動電路應用在混合動力汽車的異步電機的逆變器系統中，三相全橋逆變器選用IGBT型號為UPEC的FF400R12KE3，考慮到開關頻率高和逆變器空間等因素的限制，*終采用CONCEPT公司的驅動模塊2SD106AI-17。在實際運行中，該模塊具有較好的驅動能力和較強的可靠性。 ? 2SD106AI-17驅動模塊簡介 2SD106AI-17是瑞士CONCEPT公司生產的SCALE系列驅動模塊之一，是驅動大功率IGBT和MOSFET專用模塊，內部集成了短路和過流保護電路、欠壓監測電路。該SCALE驅動板采用ASIC設計，僅用15V電源驅動，開關頻率可大于100kHz，具有高可靠性和使用壽命長等特性。它有兩個驅動輸出通道，可以選擇兩種不同的工作模式，適合兩個單管和半橋驅動，曾獲得1998年度ABB優良電力電子項目稱號。 ? 2SD106AI-17跟其他型號的SCALE系列驅動模塊的內部結構差不多，都是由電子接口LDI 、智能柵極驅動IGD和15V D C/DC電源組成，其方框圖如圖１所示。當外部輸入PWM信號后，由LDI進行編碼處理，為保證信號不受外界條件的干擾，處理過的信號在進入IGD前需用高頻隔離變壓器進行電氣隔離。從隔離變壓器另一側接收到的信號首先在IGD單元進行解碼，并把解碼后的PWM信號進行放大（±15V/±15A），以驅動外接大功率IGBT。當智能門極驅動單元IGD內的保護電路檢測到IGBT發生過流和短路故障時 ，由封鎖時間邏輯電路和狀態確認電路產生相應的響應時間和封鎖時間，并把此時的狀態信號進行編碼送到邏輯控制單元LDI。LDI單元對傳送來的IGBT工作狀態信號進行解碼處理，使之在控制回路中得以處理 。為防止2SD106AI-17的兩路輸出驅動信號相互干擾，由DC/DC轉換器提供彼此隔離的電源供電。同時，還提供了電源監測電路，當控制電源電壓低于10~11V時，模塊會自動把IGBT封鎖，同時產生一個錯誤信號。 ? 圖1 SCALE驅動模塊的內部原理圖(略) ? 驅動電路設計 圖2為2SD106AI-17的典型驅動電路，下面詳細介紹驅動電路的設計過程。 ? 圖2 2SD106AI-17的驅動電路(略) 2SD106AI-17的工作模式選擇 2SD106AI-17有兩種工作模式，分別是直接模式和半橋模式。前者是兩路IGBT獨立工作，可用于已經產生死區時間的PWM信號的驅動；后者是驅動板上自動產生死區時間，兩路IGBT協調工作。在這個電路中，把Mod端接地，使SCALE處于半橋模式，InA為PWM輸入端，InB為使能信號。當InB輸入為低電平時，兩路IGBT同時關斷。死區時間是由硬件產生的，死區時間的選擇就是選擇RC網絡的值。在綜合考慮之后，選擇死區時間是2.1μS，選擇的電阻和電容是22kΩ和22pF。 驅動電阻的選擇 在驅動IGBT時，必須選擇合適的驅動電阻。阻值越小，上升和下降時間就越短，但是di/dt隨之變大，由于雜散電感的存在，使得IGBT承受比較高的尖鋒電壓；阻值越大，上升和下降時間就越長，有可能無法使IGBT按時開通和關斷。故選擇驅動電阻阻值時要綜合考慮這兩方面因素，同時也要考慮2SD106AI-17的*大驅動電流（6A），驅動電阻的*小值可以按照這個公式： ? R_{2}=ΔU/I_{OP} (1) 由電氣特性可知，ΔU=30V（門極驅動電壓15V），根據公式(1)，取驅動電阻為5.1Ω。 參考電阻的選取 參考電阻就是2SD106AI-17連接到IGBT的發射極（E端）的電阻，確定IGBT保護關斷閥值。導通后，當C端上的電壓超過參考電阻上的電壓時，驅動模塊就會啟動保護功能。參考電阻的計算公式可以按照公式（2）計算得到。 ? R_{th}=V_{th}/150μA （2） ? 在不同的系統中，IGBT的過電流保護限值是不同的。如圖3所示，FF400R12KE3的保護電流實際上相當于短路電流，此時瞬時電流值非常大，對IGBT的損傷也非常大，按照正常做法，必須有可靠的過流保護。由公式（2）可以計算出一個參考電阻，其中V th =3.2V，則R th =22kΩ。 ? 圖3 FF400R12KE3的Ic/Vce輸出特性(略) ? 根 據上述驅動電路設計，用2SD106AI-17模塊來驅動FF400R12KE3。需要注意的是驅動電路應盡可能靠近IGBT安裝，同時IGBT與驅動電路應采用雙絞線連接，參考電阻、參考電 位必須盡可能地 接近IGBT模塊的E端。圖4為2SD106AI-17輸出到IGBT門極的一路波形，開關頻率為6.6 k Hz。 ? 圖4 2SD106AI-17的一路輸出波形(略) ? 實驗問題與分析 基于以上的驅動電路，應用于本實驗室自主研制的混合動力汽車逆變器上，將其進行具體裝車試驗。圖5為逆變器系統結構框圖。 ? 圖5 逆變器系統框圖(略) ? 系統選用FF400R12KE3為逆變器的開關器件，開關頻率為6.6kHz，采用SVPWM調制方式產生PWM波形；采用基于轉子磁場定向的矢量控制作為電機的控制策略，核心控制單元為定點DSP-TMS320LF2407A；相電流信號is通過D/A輸出，用示波器進行觀測；直流母線電壓為350V；負載由電渦流測功機進行模擬。在做額定負載實驗中，逆變器輸出170A的電流很正常，電壓電流波形如圖6。在實際車輛運行中，發現逆變器沒有電流輸出。 ? 圖6 逆變器輸出電壓電流波形(略) ? 實驗系統所用電機具體參數如下： ? 額定功率：50kW ? 額定頻率：200Hz ? 額定電壓：240V ? 額定電流：167A ? 額定轉矩：160N.m ? 額定轉速：3000r/min ? 聯結方式：Y ? *高轉速：6000r/min 問題排查過程： 1.利用外部電源單獨給逆變器供電，發現逆變器工作正常，排除了逆變器出現問題的可能。 ? 2.在問題狀態下，用示波器查DSP主控板有沒有PWM波形輸出。發現有波形輸出，基本排除了主控板的因素。 ? 3.在問題狀態下，測量車輛24V供電系統，發現電池的電壓在啟動瞬間降到10V左右，同時又觀察別的系統單元，發現這時也都停止工作。可知問題基本是由供電電源不穩引起的。 ? 4.在驅動板的電源輸入端增加兩個大電容，問題不再出現。 問題原因： 在發動機啟動的時候，點火系統需要一個大電流，導致車上的24V系統電壓下降很嚴重，使得2SD106AI-17的輸入電源低于其自身的保護電壓（11V），從而使2SD106AI-17產生了復位。因此，為了適應車上的工作狀況， 必須在2SD106AI-17的電源側增加電 容，使驅動模塊在啟動時期內不復位。 ? 在設計和使用2SD106AI時，要注意以下事項：1、必須計算驅動需要的功率，選擇合適的供電電源，特別是在車上時要用寬輸入的電源；2、安裝時請不要用手隨便觸摸驅動模塊，防止靜電損害模塊；3、驅動電阻要靠近IGBT的門極。 ?《IGBT驅動電路設計與應用》
? 結束語 本文分析了2SD106AI-17的工作原理，設計了基于2SD106AI-17的IGBT驅動電路，并將其應用在具體混合動力汽車的逆變器驅動系統上。實驗表明，基于2SD106AI-17的驅動板可靠性非常好，非常適用于車上的環境。《IGBT驅動電路設計與應用》
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