/龙岩市产品质量检验所 吴仰兴/

高压IGBT模块驱动应用分析

/龙岩市产品质量检验所 吴仰兴/

文中阐述了Eupec的IGBT及2ED300C17-ST驱动保护电路在GGYAj型电除尘用高频高压硅整流设备中的应用试验情况，证明采用IGBT及驱动保护电路能完全替代原设备中的IPM智能功率模块，IGBT与驱动保护电路应用成功不但可降低设备生产成本，而且为更大功率谐振变换器开发打下基础。

IGBT 驱动保护 谐振变换器

0 引言

电除尘用高频高压硅整流设备，设备主回路采用的是串联谐振电路，主回路示意图如图1所示，功率模块在回路中起到开关的作用，分为Q1、Q4与Q2、Q3两组，每一组轮换导通，功率模块为某进口智能功率模块IPM，使用该模块具有如下缺点：该模块为较早期产品，目前生产数量少，面临停产风险；该模块价格较高，购买周期长，导致设备生产成本明显增加；驱动与保护电路集成在模块内部，各项保护参数均不可调节，局限了该模块在更大容量IGBT变换器中的开发应用。鉴于以上缺点，开发IGBT及驱动保护电路来替代目前的IPM。图1是对高压IGBT模块及驱动保护开发应用的分析。

1 IGBT功率模块及驱动器的选取

IGBT功率模块及驱动器必须满足它们在电路中的作用，IGBT是一种电压型控制器件，它所需要的驱动电流与驱动功率非常小，可直接与模拟或数字功能块相接而不需加任何附加接口电路。IGBT的导通与关断是由栅极电压Uge来控制的，当Uge大于开启电压Uge（th）时IGBT导通，当栅极和发射极间施加反向或不加信号时，IGBT被关断。在设备中IGBT作为开关器件作用，选取的IGBT本身开通、关断速度越快，模块开关损耗也将越小。而驱动器电路选取必须确保IGBT的快速从饱和导通和截止两个状态之间来回变换，使IGBT开通上升沿和关断下降沿都比较陡峭，另外驱动器还必须具有完善的保护功能，如对短路、过流、过压等故障的保护。目前选用Eupec的IGBT功率模块，型号为BSM400GA120DLCS，相应的驱动器型号为2ED300C17-ST，经过各项性能对比测试，参数均能满足要求。

图1 高压IGBT模块及驱动保护开发应用的分析图

2 2ED300C17-ST/S驱动器的简介

2.1 驱动器外形及管脚功能（见图2）

图2 2ED300C17-ST/S驱动器外形

2ED300C17-ST/S驱动器，初次级采用脉冲变压器隔离方式，隔离电压可达到5000VAC，能同时驱动两个IGBT模块，可提供±15V的驱动电压和±30A的峰值电流，能准确可靠驱动IGBT，多项性能参数灵活可调，同时还具有电源电压欠压检测功能，工作频率可达60kHz，模块各个脚功能具体如下表所示。

2.2 2ED300C17-ST/S主要参数

驱动器主要极限参数如下：

供电电压VDD和 VDC，16V；

输出功率8W；

输入输出隔离电压：5000VAC 50Hz/ min；

门极峰值电流：±30A；

工作温度：S -25～80℃ ST -40～80℃；

开关频率：60kHz。

驱动器主要电参数如下：

开通延时时间Tpd on=670ns；

关断延时时间Tpd off=580ns；

最小脉冲抑制时间tmd=400 ns；

转换时间差：tdif=50ns；

占空比d：100%。

2.3 性能特点

双通道驱动输出；

能够驱动1200V/1700V Eupec IGBT 器件；

Vcesat 监视；

各种故障“软关断”功能；

内部变压器隔离，输入输出没有公共地，符合EN50178的安全隔离保护；

单电源供电内部采用DC-DC SMPS；

尖峰电流输出抑制功能；

直接模式和半桥模式选择性 “输出”的功能。

2.4 2ED300C17-ST/S结构图（见图3）

表 模块各个脚功能

图3 2ED300C17-ST/S内部结构图

3 试验应用的情况

样机中主回路由4只型号为BSM400GA120DLCS的Eupec的IGBT功率模块、2只2ED300C17-ST驱动器、串联谐振电感、串联谐振电容、高频变压器、并联电感构成串并联混合谐振变换器，通过对样机型式试验，证明该谐振变换器能满足直流供电、脉冲供电工作方式，在闪络、短路、过流等工况下各项性能指标均能达到要求，设备运行可靠。如图4所示。在开发过程中驱动器的合理应用是个关键，下面将着重介绍2ED300C17-ST驱动器应用情况。

图4 IGBT试验台

3.1 在应用2ED300C17-ST驱动器时的注意事项

栅极正向驱动电压的大小将对电路性能产生重要影响，必须正确选择。当正向驱动电压增大时，IGBT的导通电阻下降，使开通损耗减小；但若正向驱动电压过大则负载短路时其短路电流IC随Vge增大而增大，可能使IGBT出现擎住效应，导致门控失效，从而造成IGBT的损坏；若正向驱动电压过小会使IGBT退出饱和导通区而进入线性放大区域，使IGBT过热损坏，另外，IGBT开通后驱动电路应提供足够的电压和电流幅值，使IGBT在正常工作及过载情况下不致退出饱和导通区而损坏，在使用中选Vge=15V。

IGBT快速开通和关断有利于减小开关损耗。但在大电感负载下IGBT的开关不宜过快，因为高速开通和关断时，会产生很高的尖峰电压，极有可能造成IGBT或其他元器件被击穿。

选择合适的栅极串联电阻Rg对IGBT的驱动来说相当重要。Rg较小，栅射极之间的充放电时间常数比较小，会使开通瞬间电流较大，从而损坏IGBT；Rg较大，有利于抑制dVce/dt，但会增加IGBT的开关时间和开关损耗。

当IGBT关断时，栅射电压很容易受IGBT和电路寄生参数的干扰，使栅射电压引起器件误导通，为防止这种现象发生，可以在栅射间并接一个电阻，驱动器与栅射连线应采用双绞线并尽可能短（小于20cm）。此外，在实际应用中为防止栅极驱动电路出现高压尖峰，最好在栅射间并接两只反向串联的稳压二极管，其稳压值应与正负栅压相同。

驱动器外围评估板PCB印制板设计及固定于IGBT模块GE之间的接口电路PCB印制板设计需合理，避免由于电磁耦合引起IGBT模块误动作。

3.2 驱动器工作模式选择

在方案中驱动器2ED300C17-ST选用半桥工作模式，半桥模式的启动方式是把9 管脚“模式选择”接至VDD（1/2/3 管脚）。这种模式在2ED300C17-S 的两个通道之间产生了互锁时间，确保总是只有一个通道工作，就是说如果有一个高电平出现在其中一个通道，这个通道打开，在这段时间如果有高电平信号出现在第二通道，信号将被忽略，直到第一个打开的通道关掉，这样就可有效避免桥式电路中上下桥臂短路直通现象。两个通道开关之间的转换时间是可以选择的，可由输入6 脚CA和8 脚CB 来决定。

3.3 IGBT 短路和过流关断SSD“软关断”参数设置

通过驱动器Vce端检测短路或过电流，当IGBT导通时，2ED300C17-S 检测Vce端的电压，如果Vce端电压上升并超出先前设定的参考电压，将引起故障触发，同时IGBT通过软关断关闭，其仅由外部的Rsx和Csx来调节。Rsx设定参考电压，Csx设定参考时间，电阻和电容连接在RC A 和COM A 之间或RC B 和COM B 之间。

驱动器中的比较器用来比较Vcesat输入端电压和参考电压Vref。比较器中Vce端的最大电压为10V，如果在任意时间Vce端电压超过了参考电压，将触发故障、锁定驱动器并且SSD（软关断）关闭。

当故障发生时，SSD“软关断”可以避免由于高电压引起IGBT损坏。正确设定SSD可以改变 IGBT关断的电流变化率，器件从而可以承受较高的击穿电压。软关断由电阻Rssd设置，该电阻外接在Sense和-16V之间。IGBT的类型和整个应用结构决定关断过程和击穿电压，电阻Rssd的阻抗由IGBT单元的输入电容决定。带有大输入电容Cies的IGBT 模块，需要一个小Rssd值，IGBT 单元带有一个低输入容量Cies，该单元将需要一个高Rssd值。Rssd的损耗可由下式计算

Pssd= 1024 / R

当有故障发生，软关断被激发，内部输出电容反向充电，因此IGBT的输入电容Cies和米勒电容Cres缓慢放电。这个过程限制在tsd=4μs。过了该时间Csx确保不超过这个时间

TP-tsd-tsys= tref

TP为IGBT短路时间10μs，tsd为SSD变换时间5μs，tsys为系统转换时间1μs，tref为参考时间（Vcesat的触发抑制时间）。软关闭在故障的关断期间不是百分之百具有过压保护功能。如果发生短路的同时PWM脉冲也进入低电平时，SSD则不能启动。此时有源箝位将会起到过电压保护的作用。

4 结束语

与原采用IPM智能功率模块的设备相比较，大大降低设备成本，每台设备直接节约材料成本约四千元，而且大大缩短了采购周期，目前采用IGBT功率模块及2ED300C17-ST驱动器的电除尘用高频高压硅整流设备1.0A样机已在某电厂成功投运，设备运行稳定，设备各项性能指标不逊于原产品，为更大容量IGBT变换器的开发奠定了扎实的基础，使用2ED300C17-ST驱动器可驱动多种IGBT功率模块，提升了产品兼容性、可扩展性，因此，有了目前的IGBT功率模块及2ED300C17-ST驱动器开发应用经验，相信会在不久的将来开发出更大容量的电除尘用高频高压硅整流设备。

［1］ 周志敏，周纪海，纪爱华，编.GBT和IPM及其应用电路［M］.北京：人民邮电出版社，2006.

［2］ 王增福，李昶，魏永明，编.软开关电源原理与应用［M］.1版.北京：电子工业出版社，2006.

ABB在珠海成立机器人公司

2015年8月22日，ABB在珠海宣布，ABB机器人（珠海）有限公司在珠海市高新技术产业开发区正式成立。广东省委常委、珠海市委书记李嘉，珠海市委常委、常务副市长刘小龙，珠海市委秘书长郭才武，珠海市高新区党委书记张宜生等珠海市及高新区领导出席了开业典礼。

根据规划，ABB机器人（珠海）有限公司将在广东、广西和海南三省开展ABB机器人应用开发、系统集成以及客户服务等业务，重点满足华南地区白色家电、电子制造、汽车和食品饮料等领域对工业机器人快速增长的市场需求。

ABB（中国）有限公司董事长兼总裁顾纯元博士表示：“华南地区是ABB工业机器人业务的重要市场之一。新公司的成立有助于ABB进一步贴近市场，更快、更好地服务当地客户，全面提升ABB机器人在该地区的业务能力。以工业机器人为代表的智能技术是实现制造业转型升级的重要途径，ABB愿通过开发和提供可将‘物、人和服务互联’的智能技术，为客户创造更多价值。”

位于华南地区的珠江三角洲经济区是具有全球影响力的制造中心以及中国轻工业最为密集的地区之一。但是随着近年来招工难以及土地、原料和人工成本的快速上升，珠三角地区的制造业亟需升级转型，提升其市场竞争力。工业机器人成为解决这一系列挑战的突破口。