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大功率IGBT模块的驱动板保护方法

2020-03-14  共同成长8...

大功率IGBT逆变器的研制过程中,我们选用英飞凌公司的的大功率IGBT模块FF 400 R 33 KF2(400A/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EX841M57962等的驱动功率有限,至此, 选用了2SD31I-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,延时小而且从根本消除了来自功率开关器件的干扰。本文结合驱动模块2SD31I-33和光纤连接器HFBR1521/2521,给出了高压大功率逆变器中IGBT模块的驱动保护方法。

  1 2SD31I-33模块介绍

   2SD31I-33模块是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 2SD31I-33驱动模块内部结构

  2SD31I-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:*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 2SD31I-33的主要特点

  (1)可选择的工作模式和死区设置

  2SD31I-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 INB分别为两个通道的输入,SO1 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RC1RC2 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,INAPWM输入信号,2SD31I-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

  2SD31I-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VceIc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 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-1521HFBR-2521。以HFBR-1521HFBR-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zui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2SD31I-33PWM接收脚INAINB

  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1Vo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2SD31I-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2SD31I-33模块的VL/Reset脚,清除模块内部的故障信息,为故障消除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,ch1ch2分别对应图3中的PWMINA/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,ge之间节电容CGE33nF。图8和图9是采用2SD31I-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

  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IGBTCGE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1us1.5us。若减小驱动电阻RG,则IGBT开通和关断的速度会加快;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2SD31I-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,而且从根本上消除了主电路对控制电路的干扰。驱动模块2SD31I-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2SD31I-33和光纤连接器的大功率IGBT的驱动保护方案是完全可行的,保证了高压大功率逆变器的可靠运行。

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