3kV IGBT模块驱动设计分析.pdf

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1、电力电 子器件与应用 大 年文汔技 1 7 3 3 k V I GB T模块驱动设计分析 郑姿 清(英 飞 凌科 技 中 国有 限 公 司，上 海2 o 1 2 o 3)摘要：英飞凌公 司生产的 3 3 k V I GB T模块 已被客 户广泛使 用，其驱 动电路 的设计在许 多方面都有别于 1 7 k V 和 1 2 k V I G BT模块，文章对该驱动电路的设计细节进行分析，以助于更好地应用该款 I G BT模块。关键 词：3 3 k V I G B T；驱动设计；安全 隔离；短路 中图分类号：T N3 8 6 2 文献标识码：A 文章 编号：1 6 7 1 8 4 1 0(2 0 1

2、1)0 2-0 0 1 7 0 5 Ana l ys i s o f Dr i v e r De s i g n f o r 3 3 kV I GBT M o d ul e ZHENG Zi-q i n g (I n fi n e o n T e c h n o l o g i e s Ch i n a Co ，L t d ，S h a n g h a i 2 0 1 2 0 3，Ch i n a)Abs t r ac t：3 3 kV I GBT mod ul es pr odu c e d by i n fine o n ha ve be e n a c ce p t e d by ma

3、ny c us t o m e r s Th e d r i ve r boa r d f o r 3 3 k V I GBT mo d u l e s h a s s o me d i f f e r e n c e s f r o m 1 2 k V a n d 1 7 k V mo d u l e s Th e d e s i g n d e t ml s o f d r i v e r c i r c u i t a r e a n a l y z e d t o p r o mo t e a p p l i c a t i o n o f th e 3 3 kV I GBT mo d

4、ul e s Ke y wo r d s：3 3 k V I GBT；d r i v e r d e s i g n；s a f e i s o l a t i o n；s h o r t c i r c u i t 0 引言 1 驱 动电路 的安全 隔离 不少传统的传动行业客户使用了3 3 k V I G B T 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 3 k V系列 模块进行 技术更新，以 替代传统 1 2 k V，1 7 k V级联模式 的复杂系统。作为一款 广泛 应用 的 I GB T模块 产 品，很有 必要对 其应用 电

5、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 3 k V I GB T模块驱动 电路 的研究 十分有意义。英 飞凌公司(I n f i n e o n)3 3 k V I G B T 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 I n fi n e o n 公司 3 3 k V I GB T 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。收稿 日期：2 01 1 0 2 1 0 作者 简 介：郑姿 清(1 9 82 一)，女，硕 士，T 程 师，主要 从

6、 事 I GBT 驱 动 没计 和测 试 T 作。在设 计 高压 I GBT驱动 电路 时，首先 要考 虑安全 隔 离 问题。不 同 电压 等级 的 I GBT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_【作温 度，如常 见的塑 壳光纤 收发 器，其最 高 T作 温度不 超过 8 5 ，可靠的丁作环境温度在 0 7 0 C 】。3 3 k V I G B T 模 块 一 般 采用 螺 栓式

7、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 7 0 ，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 问，要 么 把含 有光 纤 收 发 器 部分 的驱 动 电路 独市 出来，避 免 放 在类 似功 率模 块 这 样 的热 源 附 近。1 8 3 3 k V I G B T模块驱动设计分析 2 2 0 1 1 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

8、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(d v d t)的大小。选用高d v d t 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 I G BT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 3 k v I GB T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I GB T 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 的退饱和，从 而安全地关断

9、 I G BT。考虑 到三极管发射极 与基极 问 电压()的限制，凶此不建 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 卜，所 以温度 囚素 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 Fi g 1 Ga t e c i r c ui t wi t h R。a nd R。r e s i s t a n c e s e p a r a t e d by di o

10、d e 图 2 分 开 使 用 开 通 和 关 断 电 阻 的 G极 电路 Fi g 2 Ga t e c i r cu i t wh i c h s e pa r a t e l y u s e R。a n d go r e s i s t a nc e G极 电压箝位很重要。I G B T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 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。再者南于器件T作在开关环境

11、 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，也不断变大，这会增大损耗，甚至负 载短路 时还会 导致 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T vs 管(瞬态电压抑制二极管)，如图 3 中的 D 2；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

12、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 I GBT门极箝位 电路 Fi g 3 Ga t e c l a mpi n g c i r c ui t of I GBT 3 有源箝位设计 I GB T T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T VS 作有源箝位。这里主要介绍利用T VS 进行有源 箝位，见图4中圈 出部 分。T VS 是在 稳压 管工艺基础上 发展起来的一种产品，在规定的反

13、 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。T VS 能承受 的瞬时脉 冲功率可达上千瓦，其箝位响应时间为p s 级，图5 示出 其：作特性 曲线。按导 通方 向，T VS 分 为单向和双 向两 种，在 I G B T逆变 电路 中，因为是直流母线，所 以一般选 单 向T V S 管。图4 I GBT有 源箝位 Fi g4 I GBT a c t i ve c l amp i n g 3 3 k V I G B T模 块驱动设计分析 1 9 p Tm -厂 。-，r I -_ 一，I J l J 一 +=P I r

14、 图 5 T VS的工作特性 曲线 Fi g 5 W or k i n g c ha r a c t e r i s t i c s c u r v e o f TVS 选择有源 箝位用 的 T VS时需要 注意：(1)T VS 的最大反 向 _r 作 电压(、v )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)T V S的击穿电压 有最小值和最大值，这是由 器件 的离散性 决定的。多个 T VS串联后 的最大 值之 和应小 于I GBT的击穿 电压(3 3 k V的模 块击穿 电压为 3 3 0 0 V)，比如 在 3 3 k

15、 V 驱 动 电路 中可 以用 1 1 个 S MC J 2 2 0 A型T V S 串联 使用。(3)T VS的峰值脉 冲功率(P ：，)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 时问和环境 温度有 关(6 o 选择 T V S时应保证 在 电路 最 高 1 作 温度 时器 件 的功率 依 然 能满 足正 常 工 作 要 求。00 键 75 辎 碍 5 0 至 蜒 丞星 薹 s 、0 2 5 5 0 7 5 1 O 0 l 2 5 l 5 0 1 7 5 2 0 0 7 图 6峰 值 功耗和 环境 温度 曲线 Fi g 6 Po we r d

16、i s s i pa t i on of pe a k v a l u e v e r s u s a mbi e nt t em p e r a t u r e C H I Ve (4)最大峰 值脉冲 电流(I p )为 T V S允许 流过 的最 大浪 涌 电流。对于 同一功率 等级 的T VS 而 言，电压越低 所能承受的峰值电流越大。如果 电路板布局空问允许，可 以考虑用多 个电压低些 的T V S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T V S 器件的命名方式，避免选 型错误。以贴 片封装T VS 器件 为例，一种是 以 R w

17、 命 名，如：S MA J (c)A，S MB J*(C)A，S MCJ*(C)A，S MDJ 女：l：(C)A 另一 种是 以 命名(v B 最 大值 与最小值 之和的一半)，如：P4 S MA(C)A，P 6 S M B (C)A，1 5 S MC (C)A，5 0 S MDJ*(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 I G B T，避免器件 因过热 而损坏。根据 短路 的情 况，分 为 I 类 短路和 类 短路。I 类短路 为、下 桥臂 的直通短路，也称硬 短路，可理解 为 I GB T

18、 导通前整 个电路 已经处 在短路的环境 中，所 以当 I GBT门极开 通后，兀 法下 降 达到饱 和 电压 E (7)；I I 类 短路 为 负载 短路，又叫软 短路，由 8 可以看到 I G B T的 有一 个退饱和 的过程。r。I _ 厂、I ，J，IG B r 功 率 J ，c l a x(C 2)P 6：a r e a(C2 c a P l 1 n i l“c 2 1 P 2 1 5l i l l e (f)2 V s3)V 3 05 k V 26 4 2 65 a9激 a l u s 骥 黼 蕊 掣 嘲 一 瓣 圈 蕊 图 7 I类 短 路 波 形 Fi g 7 W a v e

19、f or ms of s h or t ci r c u i t I _ T 1 J 一 ，I I 、r r f，|L T r t ，-l j I I l c e as“c l2a(xI(9CvJ)n a x(Cv3)inll7Cv3)ma4x3(Ckv2)P 6 删c 2 a 1 l S 、麟煎 一。蠲 潮 瞄 图 8 I I 类 短 路 波 形 Fi g 8 W a v e f or m s of s h or t c i r c ui t I I 2 2 0 1 1 3 3 k V I G B T模块驱动设计 分析 2l 时，值越 低，产生 的过 E 压 峰值就越 高 曳 果把 路 母线

20、 I 压 值，则器 件关 断时 V c E 产 生 的过 电压就 低。保护时 间适 当延长，当 I GB T关 断时，V。已完令退 饱和 l l l j l p ：刍 叫 -l _ ：一 _，I 一 l r 、f 一 一 l 1；r、，t|i；l l l j i ，i；8 一 l一 “j 一-一 j -r 一 c J 卜 -_ E 一 一 l 一 ：-；，c r 二 二 1 l l _ _ l i。1 ；5 结语 图 1 4 不 同时间点 关断 I GBT所 产生的 V c 过 压值 的 比较 Fi g 1 4 Comp a r i s o ns a mo ng S ov e r vo l t

21、 a ge s a t di f f e r e nt I GBT t ur n i n g o f f t i me 本 文从一款 3 3 k V I G B T动 电路 人于，埘其设 i 十 细 2 1 节 进行 分析 和总结，说明了设计 中值得火 泞 的地 方，并 通 过实验测 试作 了 白：观的展示，对于 I GBT 动【U路 的【初 次 设计 者有 一定 的借鉴 作 用 参 考 文献：1 Ru e d i He i n z，Ko h l i P e t e r Dr i v e r S o l u t i o n s f o r Hi g h w)l t a g e 【4】1 GB

22、Ts S h t t p：www i g b t d r i v e r，c o m f i l e a d mi n P u b l i c P DF I Pa pe r s P CI M Eu r o pe 2 00 2 3 Hi ghVol t a g eDr i v e rSo l ut i o n s p d f Av a g o t e c h HF B R一 0 5 0 0 Z S e r i e s Ve r s a t i l e L i n k Da t a s h e e t【S】h t t p：ww w a v a g ot e c h c o m do c s AV0

23、 2 1 5 01 EN Ma r k u s He r mwi l l e 刚于功率 变换 的I GBT驱动核 s】h t t p：WWW s e m i k r on c om s kc o m p ub z h SI D一5 7 05 95 0 C一4 62 F7 6A9 1 Sk y p e rC p d f I n f i n e o n Da t a s h e e tI ED0 2 0 I 1 2-F V22【S】h t t p：wwwi n f i n e o n c ornc m s e n p r od u c f f=i n d P r()du c t Typ e ByN

24、a me ht m l?q=l e d0 2 0 (上接 第5页)结果 的准确 性，综 合 考 虑 仿真 步 长与 数 值 积 分办 法 的 选择 至关 重要 参考 文献：【1】陈 建业 电力 电 F电路 的计 算机 仿 M】匕 ：清 火 学 版社，2 0 0 5 2】J i n H Be h a v i o r Mo d e S i mu l a t i o n o f P o we r El e c t r o n i c Ci r c u i t s J 1 I EEE Tr a ns a c t i o ns o n P owe rEl e c t r o n i t s 1 9 9

25、7，1 2(3)：4 43 4 5 2 3 _f秀利，潘 瓤，冯 汀，等网 f lJ!IJ 变 流 器 系统 建 帙 及 半实物 仿 实 刖f J 机 电传动，2 0 0 5(5)：8 一j 1 d S P AC E l n c d S P ACE Us e r Gu i d e I mp l e me n t a t i o n Gu i d e M dSP ACE I n c 2 00I OP AL RT I n c RT LAB 6 0 U s e r S M a n u a 1 f M】OP AL RT I n c，2 004 D u f o u r CBe l a n ge r J

26、Di s c r e t e t i me c ompe ns a t i on of s wi t c h i n g e v e n t s f o r a c c u r a t e r e a l t i me s i mu l a t i o n o f p o we r s y s t e ms【El Th e 27 t h A n n u a l Co nf e r en c e o f t h e I EEE I n d us t r i a l El e c t r o n i c s S oc i e t y I ECo N 2 001：l 5 33 一l 5 3 8 D

27、e Ke l p e r BDe s s ai nt L A A l H a dda d K A c omp r e he n s i v e a p p r o a c h t o f i x e d s t e p s i mu l a t i o n o f s wi t c h e d c i r c u i t s J I E E E Tr a n s a c t i on s O H P owe r El e c t r on i C S，20 0 2，l 7(2)：21 6 2 2 4 Li a n K L Le hn P W Re a】一 Tj n 1 e Si re U】a t j o n of Vo l t a ge So ur c e Co n v e r t e r s Ba s e d O i l Ti me Av e r a g e Me t h o d【J I EEE Tr a ns a c t i o n s o n P owe r Sy s t e m s，2 00 5，2 O(1)：ll O 一1 1 8 4 5 6 7 8