基于2SC0108T的即插即用型IGBT驱动器

摘要：针对IGBT 驱动电路复杂且保护功能不尽完善的问题，设计了一个基于2SC0108T的即插即用型IGBT驱动器，以及相应的前级驱动电路、 后级功率驱动电路和故障报警电路。该驱动器具有直接模式和半桥模式、驱动信号硬件互锁、硬件死区时间可调节、IGBT过流及短路保护、驱动电源过欠压监控和易于安装的特点。结合英飞凌EconoDUAL3封装IGBT模块，完成了即插即用型IGBT驱动器的硬件设计及调试，有效减小了双绞线传输方式寄生电容及寄生电感的影响。

　　IGBT具有耐压高、电流大、开关速度高和低饱和压降等优良特点，在牵引电传动、电能传输与变换、有源滤波等电力电子领域得到了广泛的应用。

　　IGBT模块的保护主要由IGBT驱动器来完成。驱动器是功率主电路与控制电路之间的接口，在充分发挥IGBT的性能、提高系统可靠性等方面发挥着重要作用。高性能的驱动器可使IGBT工作在比较理想的开关状态，如开关延时小、开关损耗低等。本文提出的驱动器设计采用瑞士CONCEPT公司最新推出的2SC0108T模块作为核心部件，设计了前级驱动电路、硬件死区电路、后级功率驱动电路、故障信号调理电路，试验结果证明该驱动器具有良好的驱动及保护能力。

　1 2SC0108T简介

　　2SC0108T是一款高集成度低成本的超小型SCALE-2双通道驱动器。接口兼容3.3 V～15 V逻辑电平信号，栅极驱动电压为+15 V/-8 V，驱动电流为8 A，单通道输出功率为1 W，可以驱动600 A/1 200 V或 450 A/1 700 V的常规IGBT模块或并联IGBT模块，支持3级或多级拓扑。具有短路保护、过流保护和电源电压监控等功能。延迟时间为80 ns±4 ns，抖动时间为± 2ns。

　　为了使2SC0108T在主回路中的性能达到最优，必须设计相应的外围硬件电路，如驱动信号调理电路、IGBT功率驱动电路和故障信号调理电路，并集成到IGBT驱动器中。由于IGBT驱动信号频率较高，容易对其他模拟信号和数字信号造成干扰，而且，驱动信号线寄生电容和寄生电感对驱动器的性能、可靠性有重要影响，因此，传统的安装模式为驱动器和IGBT模块独立安装，通过双绞线连接以减少寄生电容、寄生电感的影响。本文从减小信号线寄生电容、寄生电感和电磁干扰（EMI）方面考虑，设计了一个直接安装于IGBT模块上的即插即用型IGBT驱动器。

　　2SC0108T内部结构图如图1所示，主要由三个功能模块构成，即逻辑驱动转化接口LDI（Logic-to-Driver Interface）、电气隔离模块和智能栅极驱动IGD（Intelligent Gate Driver）。

图1 2SC0108T内部结构图

　　第一个功能模块是由辅助电源和信号输入两部分组成。其中信号输入部分主要将控制器的PWM信号进行整形放大，并根据需要进行控制，之后传递到信号变压器，同时检测从信号变压器返回的故障信号，将故障信号处理后发送到故障输出端；辅助电源的功能是将输入的直流电压经过单端反激式变换电路，转换成两路隔离电源供给输出驱动放大器使用。

　　第二个功能模块是电气隔离模块，由两个传递信号的脉冲变压器和传递功率的电源变压器组成。防止功率驱动电路中大电流、高电压对一次侧信号的干扰。

　　第三个功能模块是驱动信号输出模块，IGD主要对信号变压器的信号进行解调和放大，对IGBT的短路和过流进行检测，并进行故障存储和短路保护。

2 IGBT驱动器设计

　　本文设计的IGBT驱动器主要由2SC0108T模块、前级驱动电路、后级功率驱动电路、故障信号调理电路构成，驱动器功能框图如图2所示。

图2 驱动器功能框图

　　由控制器产生的驱动信号A和B，经过前级驱动电路调理后，分别送入2SC0108T驱动信号端INA和INB，INA和INB分别控制IGBT模块的上桥臂和下桥臂。故障报警信号经信号调理电路输出。由于需要检测IGBT的过流、短路、二次侧电压等故障状态，以增强驱动信号的触发能力并改善IGBT的开关特性，设计了后级功率驱动电路。

　2.1 工作模式

　　该驱动器有两种工作模式：直接模式和半桥模式。在直接模式下，两个通道之间相互独立，输入信号INA 控制通道1，输入信号INB控制通道2。在半桥模式下，输入信号INA为驱动信号，输入信号INB为使能信号。INB信号为低电平时， 封锁输出通道；INB 信号为高电平时， 使能输出通道。通过模式选择端（MOD）接地或对地接一个阻值在71K-182K之间的电阻来选择工作模式。半桥模式下， 死区时间Td可以通过MOD的电阻Rm的值来确定，其计算公式如下：

　　式中Rm的值为73K-182K时，死区时间可以设置在0.5us-3.8us之间# 当Rm取150K时，IGBT栅极驱动信号死区时间经测试为2.99us与理论计算值2.84us基本相符。

　　Rb为调节阻断时间输入端，Tb端可以用一个对地电阻Rb来设置阻断时间，计算公式如下：

　　式中Rb的值为71K-181K时，阻断时间可以设置在20ms-130ms之间，选择Rb为0Ω， 死区时间最小可以设为9us。Tb端不应悬空，可在Tb端接一个参考电压来设置阻断时间，其计算公式如下：

　　式中， 参考电压Ub在1.42v-3.62v范围内时，可以设置在20ms-130ms之间。

2.2 前级驱动电路

　　由于驱动器置于IGBT模块上，控制器与驱动板之间的逻辑信号走线相对较长。为了提高信号的驱动能力和抗干扰能力，设计了前级驱动电路，如图3所示。

图3 前级驱动电路

　　驱动信号先后经过了电平转换、电平箝位、死区/互锁电路和波形整形最终送入2SC0108T模块。因2SC0108T为高电平驱动方式，所以此功能电路设计成输入信号相对输出信号为反逻辑，即控制器驱动信号为低电平时，加在IGBT上的栅压为正向栅压来触发IGBT导通；反之，IGBT关断。当控制器上电复位或出现故障时，驱动信号为高电平，从而关断IGBT，提高了系统的可靠性和安全性。