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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EX841、M57962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 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，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-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，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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