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陈秀英

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3.3kV的IGBT模块驱动设计分析

摘要：英飞凌3.3kV的IGBT模块已被客户广泛使用，它的驱动设计在许多方面都有别于1.7kV和1.2kV的模块。所以需要对该电压等级的IGBT的驱动电路作些细节分析。
关键词：3.3kV的IGBT；驱动设计；安全隔离；短路

Abstract:  Infineon 3.3kV modules have been accepted by a lot of customers for their high power designs. The driver board for 3.3kV IGBT modules has some difference from 1.2kV and 1.7kV modules. It is necessary to do some detail analysis for 3.3kV driver schematic circuit.
Key word:  3.3kV IGBT, driver design, safe isolation, short circuit

0.    引言
英飞凌3.3kV的IGBT模块作为一款成熟的产品，芯片技术已经从第二代发展到了第三代。不少传统的传动行业客户会使用3.3kV等级的模块，轨道交通牵引行业更是大量使用3.3kV等级的模块。高压变频行业客户也正逐步采用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。因此，对3.3kV等级的IGBT模块驱动电路进行研究十分有意义。目前，市场上专业驱动器生产厂商有相关配套驱动器产品提供给客户选择，但是做为一款广泛应用的模块产品，很有必要做更深入的细节分析，希望能够帮助客户更安全合理的使用3.3kV系列模块产品。
英飞凌作为全球最大的功率半导体厂商，总部位于德国慕尼黑，可以提供从发电、输电到用电整个链条所需的功率半导体和功率模块。英飞凌科技（中国）有限公司是2003年7月在上海成立的，除了负责中国区的市场和销售外，还拥有应用研发中心。其中有关IGBT模块的支持则是亚太区的应用技术中心。多年来，在半导体解决方案和客户服务上持续在业内居于领先。对于3.3kV的驱动，无论是电路本身还是并联使用时的均流问题，英飞凌都有合适的解决方案。所有相关测试都是在英飞凌上海的实验室完成。
本文主要从安全隔离、门极电路、有缘钳位和短路保护这几个方面来简单介绍下设计时要注意的事项。这里借助一款使用英飞凌驱动芯片1ED020I12的3.3kV驱动设计来作分析，图1和图2分别为驱动板和适配板的实物图。另外，英飞凌还能够提供3.3kV并联方案的测试板。
  
   
           图1  3.3kV驱动板                                                                                          图2  3.3kV有源适配板

1.    驱动的安全隔离
在设计高压IGBT驱动电路时，首先要考虑的就是安全隔离的问题。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好，使用方便，而且抗干扰能力也强。使用光纤连接信号时要注意光纤收发器的工作温度，常见的塑料光纤，工作温度最高不超过85℃，可靠的工作环境温度一般是0℃～70℃。3.3kV的IGBT模块一般都是螺栓式的端子，驱动板常常直接安在模块上，这样可以减小门极驱动电路的寄生参数，也可以使各种保护电路快速的反应。但是，如果整个系统实际工作时，驱动板的环境温度高于70℃，那么就会导致光纤收发信号不正常。所以，建议让光纤收发器远离热源，布电路板时预留一定的散热空间，或者干脆把含有光纤收发器部分的驱动电路独立出来，不要放在类似功率模块这样的热源附近，如图1、图2那样。
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。选择时不仅要注意绝缘电压的高低还要注意输入和输出之间dv/dt 耐力的大小，较高的dv/dt 耐力能增强电源共模抑制能力，降低信号干扰。比如图1中黑色的电源模块LLHVI-156016-09/4，它的绝缘电压可以达到10kV，dv/dt耐力大于100kV/us，能提供三路隔离电压输出，分别为-9V，+15V和+60V，可提供关断IGBT时所需要的负电压，以及高压IGBT模块短路VCE检测时所需要的高压（具体用法后面会介绍）。它的最高工作环境温度为70℃，而且输出是没有经过稳压的，所以在电路外围还需要有相应的稳压电路。

2.    门极电路设计
IGBT门极驱动电阻、电容等都应该尽量靠近模块端子放置。3.3kV的模块关断过压较小，不需要用远大于规格书给定的电阻值。如果开通关断使用不同阻值的电阻的话，可以用二极管隔开，如图3所示，而且这个二极管最好用肖特基的二极管，有助于加速负载短路时VCE电压退饱和，从而能够安全地关断IGBT。考虑到三极管的VEB限制，不建议用图4那种连接方法分离开通电阻和关断电阻。由于包含门极电容，电阻等器件的电路板会被直接安装在模块上，所以温度因素不能忽略，要选用温漂系数小的器件，比如门极电容就最好选用Ⅰ类介质的电容，这样可以保证在运行发热后，功率器件的开关特性稳定。


  

    图3  用二极管分离开通和关断电阻                                       图4  分开使用开通和关断电阻   
         
门极电压钳位很重要。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住门极电压，短路电流就会受限从而避免模块因短路电流过大而损毁。另外，钳住门极电压还有助于负载短路时VCE电压退饱和。要想很好的控制住门极电压，首先驱动器本身的输出能力要强。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门极电压值，特别是在器件发生短路的时候，门极电压控制不好的话往往会升高，这就增加了IGBT的电流上限，甚至负载短路时还会导致VCE电压不易退饱和，这就需要外加电路来稳定门极电压。通常有两种方法，一个是直接在门极加齐纳二极管或者TVS管（瞬态电压抑制二极管），如图5中的D2；另一个方法是从门极接一个肖特基二极管到驱动侧的电源电压，如图5中的D1。前者的响应速度跟器件距离门极的距离有很大关系，而后者的抗浪涌能力又和电源有关，因此，如果可以的话两个都用，互相取长补短，互相备份，钳位门极电压。但是有些厂家的驱动核没有预留驱动侧电源电压的管脚，那么就只能用第一个方法了。


  图5  IGBT门极钳位

3.    有源钳位设计
IGBT工作期间难免遭受瞬时的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。因此就需要一个吸收电路，比较常见的做法是在母线端加吸收电容，不过这里要介绍的是用瞬态电压抑制二极管（TVS管）来作有源钳位，见图6圈出的部分。TVS管是在稳压管工艺基础上发展起来的一种产品，在其规定的反向应用条件下，当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管能承受的瞬时脉冲功率可达上千瓦，其箝位响应时间为皮秒级的，图7是它的工作特性曲线。TVS管按导电方向分有单向和双向两种，在由IGBT器件组成的逆变电路中，因为是直流母线，所以一般选单向TVS管。

   
                                       图6  IGBT有源钳位                           图7  TVS管工作特性曲线

选择有源钳位用的TVS管时需要注意以下的参数信息。
1)    VRWM（最大反向工作电压）： TVS管的最大额定直流工作电压。在这个电压下，器件的功率消耗很小。选择器件时，应保证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)    VBR（击穿电压）： TVS管在规定的反向电流（IT）下，测得器件两端的电压称为击穿电压，有击穿电压最小值和最大值，这是由器件的离散性决定的。当二极管击穿后为低阻抗的通路，处于雪崩击穿状态。选择器件时，TVS管的最大击穿电压最好能小于IGBT的击穿电压（3.3kV的模块击穿电压为3300V）。
3)    PPPM （峰值脉冲功率）： PPPM =VC* IPP 。峰值脉冲功率除了和峰值脉冲电流和箝位电压有关外，还和脉冲波形、脉冲持续时间和环境温度有关。 按峰值脉冲功率的不同TVS管分为四种，有500W、600 W、1500 W和3000 W。TVS管可以在-55℃~+150℃之间工作，但是峰值功耗会随TVS的环境温度增加呈线性下降趋势，在85℃时下降到标称功率的一半左右，如图8。所以在选择TVS管的时候，要保证在最高工作结温时，管子的功率依然充裕。封装大的TVS管比小封装的功率大。
4)    IPP（最大峰值脉冲电流）： TVS管允许流过的最大浪涌电流。对于同一功率等级的TVS管来说，电压越低所能承受的峰值电流越大，所以如果电路板空间允许的话可以考虑用多个电压低些的TVS管串联起来使用。这样不仅能承受更大的浪涌电流，还能减小总的结电容。
5)    TVS管的命名： 一种是以最大反向工作电压命名，如：SMAJ***(C)A, SMBJ***(C)A, SMCJ***(C)A, SMDJ***(C)A。另一种是以击穿电压命名（最大击穿电压与最小击穿电压之和的一半），如：P4SMA***(C)A, P6SMB***(C)A, 1.5SMC***(C)A, 5.0SMDJ***(C)A。选择TVS管的时候一定要看清命名方式，寻找优化的方案。


           图8  峰值功耗和环境温度曲线

4.    短路保护的设计
一个理想的驱动器设计里自然少不了各种保护电路，特别是短路保护，通过接受短路信号来关断IGBT，避免器件因过热而损坏。短路的情况又分为I类短路和II类短路，前者是上下桥臂直通短路，也叫作硬短路，可以理解为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，见图9；后者是负载短路，又叫软短路，从图10中可以看到IGBT的VCE电压有一个退饱和的过程。
判断IGBT是否短路的方法有很多，其中一个比较常见的是检测IGBT的C、E之间的电压值，然后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器件在允许的电流范围内工作时，C、E之间的电压通常只有几伏。但是当流经的电流不断增大时，C、E之间的电压也会增大，电流大到一定值的时候，器件会迅速地退饱和至母线电压，如图10。如果是I类短路情况，那么VCE将始终远远大于器件的饱和电压，如图9。

   
                          图9  I类短路波形                                                                               图10  II类短路波形

高压IGBT模块的短路VCE检测时的参考电压较高，所以用到了+60V的电源，而不像低压IGBT驱动电路那样用+15V的电压。图11和图12分别是FZ1500R33HE3模块在正常开通时和II类短路时的波形，通道1是VCE检测电压（检测点位置见图13），通道2是IC，通道3是VCE，通道4是VGE。可以看到，在正常开通时VCE电压会降到一个比较低的值（由IGBT导通饱和压降和VCE检测二极管的导通压降决定）。而当IGBT的IC电流不断上升，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电压未完全退饱和到母线电压值，不宜关断IGBT，所以短路保护的参考值需要适当地设的高一点。

     
                                           图11  正常开通波形                          图12  II类短路波形


                                                                          图13  VCE的检测点

图14是基于使用英飞凌驱动芯片1ED020I12来设计的3.3kV的IGBT模块短路检测电路。图15是1ED020I12的结构示意图，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。不过这里介绍的电路并没有用到1ED020I12的隔离功能，仅用了驱动和短路保护功能，电隔离的功能由前面提到的高压隔离电源模块来实现。由于3.3kV的器件在II类时VCE的检测电压可能会有几十伏，所以电流源的电压用+60V。但是驱动芯片1ED020I12的内部，和DESAT管脚输入进行比较的参考电压是9V，所以通过电阻分压后再送给DESAT端。图14中的电容可以控制短路信号的屏蔽时间，那个MOS管是给这个电容放电的。


                                                     图14  短路检测电路


                                                       图15  1ED020I12的结构示意图

还有一点值得注意的是，在II类短路的时候，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，会造成关断时的电压峰值可能超过IGBT所能承受的阻断电压从而损坏模块。图16是3.3kV的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。


                                        图16  不同时间点关断IGBT所产生的VCE过压值的比较

5.    结束语
本文对3.3kV的IGBT驱动电路进行了细节的分析，给初次设计人员说明了设计中某些值得关注的地方，并通过实验测试作了直观的展示。
  作者 ：郑姿清

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