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3300V大功率IGBT模块驱动电路设计-华科智源

2021-02-02 10:54:15

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不少传统的传动行业客户使用了3.3kV IGBT模块,其中轨道交通牵引行业是最大的客户群之一;高压变频行业也正逐步采用3.3kV系列模块进行技术更新,以替代传统1.2kV,1.7kV级联模式的复杂系统。作为一款广泛应用的IGBT模块产品,很有必要对其应用电路做更深入的细节分析,以帮助客户更安全合理地使用,因此,对3.3kV IGBT模块驱动电路的研究十分有意义。英飞凌公司(Infineon)3.3kV IGBT模块为一款成熟产品,其芯片技术已经从第二代发展到了第三代。本文以一款Infineon公司3.3kV IGBT驱动电路为例,主要从安全隔离、门极电路、有源箝位和短路保护等方面介绍了设计时的注意事项。华科智源针对到功率IGBT模块,研发的大功率IGBT测试仪,IGBT模块测试系统,IGBT模块测试装置。
  
  1. 驱动电路的安全隔离
  在设计高压IGBT驱动电路时,首先要考虑安全隔离问题。不同电压等级的IGBT模块有不同的隔离要求,包括驱动信号与主电路的隔离以及初级供电电源与主电路的隔离。
  驱动信号与主电路的隔离可以用光纤来实现。用光纤隔离不仅绝缘性能好、使用方便,而且抗干扰能力强。使用光纤连接信号时要注意光纤收发器的工作温度,如常见的塑壳光纤收发器,其最高工作温度不超过85℃,可靠的工作环境温度在0~70℃。3.3kV IGBT模块一般采用螺栓式引线端子,为减小电路的寄生电容和电感,驱动电路板常被直接安装在模块上。系统实际工作时,驱动板的环境温度如果高于70℃,则会导致光纤收发信号异常,因此要么电路布局时让光纤收发器远离热源并预留一定的散热空间,要么把含有光纤收发器部分的驱动电路独立出来,避免放在类似功率模块这样的热源附近。
  供电电源与主电路的隔离可以用绝缘等级高的变压器或者电源模块来实现。选择隔离器件时不仅要注意其绝缘电压值的高低,还要注意输入和输出之间能承受的电压上升率(dv/dt)的大小。选用高dv/dt 值的隔离器件,不仅能增强电源的共模抑制能力,还可降低电路间的信号干扰。
 
  2. 门极电路设计
  IGBT门极(G极)驱动电阻器、电容器等应该尽量靠近模块引线端子放置。3.3kV IGBT模块关断过压较小,G极驱动电阻无需远大于规格书给定值。如果IGBT开通、关断使用不同阻值的电阻,可以用二极管(最好是肖特基二极管)隔开(图1),该二极管还有助于加速负载短路时VCE的退饱和,从而安全地关断IGBT。考虑到三极管发射极与基极间电压(VEB)的限制,因此不建议用图2所示的连接方法分离开通电阻和关断电阻。G极驱动电路板将被直接安装在模块上,所以温度因素不可忽略,要选用温漂系数小的器件,比如G极驱动电容最好选用Ⅰ类介质独石电容器,这样可以保证工作时功率器件开关性能的稳定。

 


图1 用二极管分离开通和关断电阻的G极电路

 


图2 分开使用开通和关断电阻的G极电路


  G极电压箝位很重要。IGBT自身具有最大电流限制能力,尤其是在短路的时候,只要能够很好地控制G极电压,短路电流就会受到限制,从而避免模块因短路电流过大而损毁。另外,箝住G极电压还有助于负载短路时VCE的退饱和。要想很好地控制住G极电压,首先选择输出能力强的驱动器。再者由于器件工作在开关环境中,电压、电流的不断变化必然会影响G极电压值。特别是在器件发生短路的时候,G极电压若控制不好不断上升的话,会使IC也不断变大,这会增大损耗,甚至负载短路时还会导致VCE电压不易退饱和,因此需外加电路来稳定G极电压。这通常有2种方法,一种是直接在G极加稳压二极管或者TVS管(瞬态电压抑制二极管),如图3中的D2;另一种方法是在G极与驱动侧电源电压间接一个肖特基二极管,如图3中的D1。采用前种方法,其响应速度受器件至G极的距离影响;采用后种方法,其抗浪涌程度又和电源有关;如果同时使用这两种方法,则可互相取长补短,箝住G极电压。但对那些没有预留驱动侧电源电压管脚位置的驱动芯片就只能用第一种方法了。

 

 
图3  IGBT门极箝位电路

  
  3. 有源箝位设计
  IGBT工作期间难免遭受瞬时C、E之间的过电压,特别是在器件发生短路继而关断的时候,因此需要一个吸收电路,比较常见的做法是在母线端加吸收电容或使用TVS作有源箝位。这里主要介绍利用TVS进行有源箝位,见图4中圈出部分。TVS是在稳压管工艺基础上发展起来的一种产品,在规定的反向应用条件下承受一个高能量的瞬时过压脉冲时,工作阻抗能立即降至很低的导通值,允许大电流通过。TVS能承受的瞬时脉冲功率可达上千瓦,其箝位响应时间为ps级,图5示出其工作特性曲线。按导通方向,TVS分为单向和双向两种,在IGBT逆变电路中,因为是直流母线,所以一般选单向TVS管。

 


图4  IGBT有源箝位

 


图5  TVS的工作特性曲线


  选择有源箝位用的TVS时需要注意:
  (1)TVS的最大反向工作电压(VRWM)不低于且尽可能接近于被保护线路的正常最大工作电压(要考虑电网过压)。
  (2)TVS的击穿电压VBR有最小值和最大值,这是由器件的离散性决定的。多个TVS串联后的最大VBR值之和应小于IGBT的击穿电压(3.3kV的模块击穿电压为3300V),比如在3.3kV驱动电路中可以用11个SMCJ220A型TVS串联使用。
  (3)TVS的峰值脉冲功率(PPPM =VC×IPP)除了与峰值脉冲电流和箝位电压有关外,还与脉冲波形、脉冲持续时间和环境温度有关(图6)。选择TVS时应保证在电路最高工作温度时器件的功率依然能满足正常工作要求。

 

 

图6  峰值功耗和环境温度曲线

  (4)最大峰值脉冲电流(IPPM)为 TVS允许流过的最大浪涌电流。对于同一功率等级的TVS而言,电压越低所能承受的峰值电流越大。如果电路板布局空间允许,可以考虑用多个电压低些的TVS串联使用,这样不仅能承受更大的浪涌电流,还能减小总的结电容。
  (5)注意TVS器件的命名方式,避免选型错误。以贴片封装TVS器件为例,一种是以VRWM命名,如:SMAJ***(C)A, SMBJ***(C)A, SMCJ***(C)A, SMDJ***(C)A;另一种是以VBR命名(VBR最大值与最小值之和的一半),如:P4SMA***(C)A, P6SMB***(C)A, 1.5SMC***(C)A,5.0SMDJ***(C)A。
 
  4. 短路保护的设计
  一个理想的驱动电路中包含各种保护成分,特别是短路保护,通过接收短路信号来关断IGBT,避免器件因过热而损坏。根据短路的情况,分为Ⅰ类短路和Ⅱ类短路。Ⅰ类短路为上、下桥臂的直通短路,也称硬短路,可理解为IGBT导通前整个电路已经处在短路的环境中,所以当IGBT门极开通后,VCE无法下降达到饱和电压VCE(sat)(图7);Ⅱ类短路为负载短路,又叫软短路,由图8可以看到IGBT的VCE有一个退饱和的过程。

 


图7  I类短路波形

 


图8  II类短路波形


  判断IGBT是否短路的方法有很多,常见方法是通过检测VCE值与预设的参考电压值进行比较,来判断器件是否短路。因为IGBT工作时,在允许的电流范围内,VCE通常只有几伏;ICE增大时,VCE也会增大,当ICE增大到一定程度,器件会迅速地退饱和至母线电压值(图8)。如果是Ⅰ类短路情况,则VCE将始终远大于VCE(sat)(图7)。
  高压IGBT模块短路VCE检测时,其驱动电路VCE参考电压预设值较高,所以用+60V电源,而低压IGBT驱动电路只用+15V电源。图9和图10分别示出FZ1500R33HE3型IGBT模块正常开通及Ⅱ类短路时的波形。VCE电压检测点位置如图11所示。可以看到,正常开通时,VCE会降至一个较低值(由IGBT的VCE(sat)和VCE检测二极管的导通压降决定)。而在IGBTⅡ类短路时IC不断上升直至最大电流的过程中,VCE检测电压也会上升达到几十伏。由于在此期间VCE未完全退饱和至母线电压值,不宜关断IGBT,所以短路保护的参考值需要适当地设置得高些

 

图9  正常开通波形

 

图10  II类短路波形

 

 

图11  VCE的检测点

 
  图12示出基于Infineon驱动芯片1ED020I12来设计的3.3kV IGBT模块短路检测电路。图13示出1ED020I12的结构示意图[4],它是单通道的IGBT驱动芯片,采用无核变压器技术作隔离及信号传输,具有传播延迟时间短的优势。图12所示电路仅利用了1ED020I12的驱动和短路保护功能,电隔离的功能由高压隔离电源模块来实现。在Ⅱ类短路时,3.3kV IGBT VCE的检测电压可能会有几十伏,所以电流源的电压用+60V。但是在1ED020I12内部,和DESAT脚输入进行比较的参考电压是9V,所以电流源的电压通过电阻分压后再送给DESAT端。图12中电容C20可以控制短路信号的屏蔽时间,MOS管T3为C20提供放电路径。

 

 


图12  短路检测电路

 


图13  1ED020I12的结构示意图


  对Ⅱ类短路而言,其短路保护时间点的设计很关键。如果IGBT在电流不断增大而电压尚未完全退饱和至直流母线电压的情况下被强制关断,会造成关断时的VCE峰值可能超过IGBT所能承受的阻断电压从而损坏模块。图14示出3.3kV IGBT模块在II类短路时不同时间点关断所产生的VCE过压值的比较。不难看出,关断时,VCE值越低,产生的过电压峰值就越高。如果把短路保护时间适当延长,当IGBT关断时,VCE已完全退饱和至母线电压值,则器件关断时VCE产生的过电压就低。

 

 

图14  不同时间点关断IGBT所产生的VCE过压值的比较

 
  5. 结语
  本文从一款3.3kV IGBT驱动电路入手,对其设计细节进行分析和总结,说明了设计中值得关注的地方,并通过实验测试作了直观的展示,对于IGBT驱动电路的初次设计者有一定的借鉴作用。


作者: 深圳市华科智源科技有限公司
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