基于2SC0108T的即插即用型IGBT驱动器

　　由Q101、Q102构成的电路网络主要完成两路信号的互锁和死区时间的设定，两路驱动信号的死区时间可以通过稳压管D108、D109的稳压值来调节，直接模式下（Rm=150 k），稳压管D108、D109的稳压值为3.3 V。硬件死区电路有效时，经试验测得死区时间为5.08 μs，死区时间可以满足实际工程中的需要。表1为互锁电路信号作用表。

　　由表1可知，2SC0108T工作在直接模式下，由于有互锁电路，避免了IGBT上下直通的可能。

表1 互锁电路信号作用表

2.3 故障信号调理电路

　　故障状态输出端SO1、SO2实时显示IGBT模块和供电电源的状态，并通过故障报警信号调理电路上报控制器。

　　因故障状态输出端SO1、SO2为集电极开路门电路，外部需接上拉电阻。当故障（初级侧欠压、二次侧欠压、IGBT过流或短路）发生时，相应的SOx输出低电平；否则，输出高电平。如果电源电压欠压，封锁驱动器并且两个故障输出端同时发出报警信号，直到电源电压工作正常。当二次侧发生故障（检测到IGBT模块短路或电源欠压）时，相应的故障输出端发出报警信号，在一个死区时间过后，相应的故障信号消失。所有故障状态均通过故障信号调理电路上报控制器。因故障状态输出端SO1、SO2为集电极开路门电路，故将两个故障输出端直接短接实现“或非”逻辑，作为故障报警信号公共端。当上述任何一种故障发生时，均作为有效故障信号上报控制器，并做相应处理，这样既可以简化电路硬件设计又可以提高驱动器的可靠性。经试验测得驱动器的欠压保护门限值为12.1 V，清除欠压故障电压门限值为12.8 V。

2.4 后级功率驱动电路

　　IGBT后级驱动电路为驱动信号输出通道和IGBT模块之间的电路接口。二次侧欠压、IGBT过流或短路故障状态的检测都是由后级功率驱动电路实现，如图4所示。

图4 后级功率驱动电路

　　VCE为IGBT集电极检测端，为了检测IGBT过流或短路，集电极检测端须通过图4所示的电路连接到IGBT的辅助集电极上。GH和GL分别为栅极开启和关断端，通过开启、关断栅极限流串并网络连接到IGBT的栅极。栅极限流阻值对驱动信号的前后沿陡度和IGBT的开关特性有影响。当阻值增大时，可以抑制栅极脉冲前后沿陡度、防止寄生振荡、减小开关dic/dt值、限制IGBT集电极尖峰电压；当阻值减小时，可能会导致G、E之间发生振荡以及IGBT集电极dic/dt值增加，引起IGBT集电极尖峰电压，使IGBT损坏。该功能电路的作用是，若栅极限流电阻发生开路故障，此电阻网络的阻值会增加，可以抑制驱动信号前后沿陡度、减小开关dic/dt值，可以保证即使栅极限流网络发生开路故障时，还能够触发IGBT，从而提高栅极后级驱动电路的可靠性。

　　二极管D1、D2用于二次侧欠压保护。当栅极驱动信号电压欠压时，不能触发IGBT导通，二极管因承受正向电压而导通，集电极检测端电压升高到设定值时，封锁相应的后级栅极驱动通道并通过故障输出端发出报警信号。为了防止误触发，二极管漏电流必须小。因正常导通时栅极驱动电压为+15 V，IGBT辅助集电极电压相对较低，为防止二极管反向击穿，其阻断电压应大于40 V。

　　当栅极处于失控状态、主电路突加电压时，由于集电极-栅极、栅极-发射极存在寄生电容，集电极电势的突然变化，就会有大小为C·du/dt的电流流过寄生电容（C为寄生电容容值），使栅极电势上升，误触发IGBT。为防止上述情况的发生，在GL和VE之间接一电阻Reg，为IGBT的栅极和发射极提供一个低阻抗回路，其阻值要求为22 kΩ或更大。

　　REF端内部集成有可以提供150 μA的恒流源，参考电阻Rth的阻值通过如下公式进行计算：

　　式中Vth为关断门限值电压。

　　此驱动器关少数民族门限值电压设置为2.85V，通过式（4）计算同参考电阻Rth的阻值为：

　　实际应用中，设计者可以根据IGBT模块的过流倍数来选取合适的关断门限值。

　　CA1、CA2为响应时间电容，其作用是以电阻Rth端电压为参考，通过与其串联电阻的充电时间特性来确定响应时间。

　　当触发IGBT导通时，测试信号无效。而IGBT导通需经过一定的开通时间，如果没有响应时间电容Ca，则在IGBT开通过程中，将导致比较器正极性端电压高于Vth而误报警。若电容选择合适，在IGBT开通过程中，使电容充电时间大于开通时间即可避免上述情况的发生。通常情况下，不同额定电流值的IGBT模块导通压降不同。额定电流为450 A的IGBT的导通压降一般情况为2 V，若IGBT工作中发生过流，其集电极电压会上升，并且正比于电流值。过流故障发生前电容Ca的电压为正常导通压降，过流时电容两端的电压与时间的关系为：y=2e-t/RC+UCE（1-e-t/RC）。当响应时间电容为33 pF，电阻R为120 kΩ，Vth为5.85 V，过流导通压降UCE为10 V时的MATLAB仿真曲线如图5所示。

图5 仿真曲线

　　实践中可以通过选择响应时间电容的容值，关断门限值电压Vth，IGBT过流倍数来计算图5中t1的值：

　　与传统的IGBT驱动器相比，即插即用型驱动器采用了与IGBT模块一体化的设计思想，减小了驱动信号线上寄生电容和寄生电感的影响，提高了驱动器的可靠性。本文基于2SC0108的即插即用型IGBT驱动器，通过对前级驱动电路、后级功率驱动电路及故障信号调理电路的设计，实现了多工作模式可选、多种故障状态检测及保护等功能。即插即用型IGBT驱动器的调试、试验和工程应用都验证了本驱动器设计的有效性和实用性。