引言

IGBT驅(qū)動電路的關(guān)鍵是驅(qū)動保護電路設(shè)計，良好的驅(qū)動電路必須保證IGBT的開關(guān)損耗量盡可能小。在IGBT承受短路電流時，如能實現(xiàn)可靠關(guān)斷，則可以保護IGBT。

由于大功率的IGBT模塊在開通關(guān)斷時，需要瞬間大電流。本系統(tǒng)選擇2SD106AI-17作為驅(qū)動模塊，該模塊驅(qū)動能力強，驅(qū)動峰值電流達到6A，隔離能力強，具有完善靈活的保護電路。

本文設(shè)計的驅(qū)動電路應(yīng)用在混合動力汽車的異步電機的逆變器系統(tǒng)中，三相全橋逆變器選用IGBT型號為UPEC的FF400R12KE3，考慮到開關(guān)頻率高和逆變器空間等因素的限制，最終采用CONCEPT公司的驅(qū)動模塊2SD106AI-17。在實際運行中，該模塊具有較好的驅(qū)動能力和較強的可靠性。

2SD106AI-17驅(qū)動模塊簡介

2SD106AI-17是瑞士CONCEPT公司生產(chǎn)的SCALE系列驅(qū)動模塊之一，是驅(qū)動大功率IGBT和MOSFET專用模塊，內(nèi)部集成了短路和過流保護電路、欠壓監(jiān)測電路。該SCALE驅(qū)動板采用ASIC設(shè)計，僅用15V電源驅(qū)動，開關(guān)頻率可大于100kHz，具有高可靠性和使用壽命長等特性。它有兩個驅(qū)動輸出通道，可以選擇兩種不同的工作模式，適合兩個單管和半橋驅(qū)動，曾獲得1998年度ABB優(yōu)秀電力電子項目稱號。

2SD106AI-17跟其他型號的SCALE系列驅(qū)動模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)差不多，都是由電子接口LDI 、智能柵極驅(qū)動IGD和15V D C/DC電源組成，其方框圖如圖１所示。當外部輸入PWM信號后，由LDI進行編碼處理，為保證信號不受外界條件的干擾，處理過的信號在進入IGD前需用高頻隔離變壓器進行電氣隔離。從隔離變壓器另一側(cè)接收到的信號首先在IGD單元進行解碼，并把解碼后的PWM信號進行放大（±15V/±15A），以驅(qū)動外接大功率IGBT。當智能門極驅(qū)動單元IGD內(nèi)的保護電路檢測到IGBT發(fā)生過流和短路故障時 ，由封鎖時間邏輯電路和狀態(tài)確認電路產(chǎn)生相應(yīng)的響應(yīng)時間和封鎖時間，并把此時的狀態(tài)信號進行編碼送到邏輯控制單元LDI。LDI單元對傳送來的IGBT工作狀態(tài)信號進行解碼處理，使之在控制回路中得以處理 。為防止2SD106AI-17的兩路輸出驅(qū)動信號相互干擾，由DC/DC轉(zhuǎn)換器提供彼此隔離的電源供電。同時，還提供了電源監(jiān)測電路，當控制電源電壓低于10~11V時，模塊會自動把IGBT封鎖，同時產(chǎn)生一個錯誤信號。

圖1 SCALE驅(qū)動模塊的內(nèi)部原理圖(略)

驅(qū)動電路設(shè)計

圖2為2SD106AI-17的典型驅(qū)動電路，下面詳細介紹驅(qū)動電路的設(shè)計過程。

圖2 2SD106AI-17的驅(qū)動電路(略)

2SD106AI-17的工作模式選擇

2SD106AI-17有兩種工作模式，分別是直接模式和半橋模式。前者是兩路IGBT獨立工作，可用于已經(jīng)產(chǎn)生死區(qū)時間的PWM信號的驅(qū)動；后者是驅(qū)動板上自動產(chǎn)生死區(qū)時間，兩路IGBT協(xié)調(diào)工作。在這個電路中，把Mod端接地，使SCALE處于半橋模式，InA為PWM輸入端，InB為使能信號。當InB輸入為低電平時，兩路IGBT同時關(guān)斷。死區(qū)時間是由硬件產(chǎn)生的，死區(qū)時間的選擇就是選擇RC網(wǎng)絡(luò)的值。在綜合考慮之后，選擇死區(qū)時間是2.1μS，選擇的電阻和電容是22kΩ和22pF。

驅(qū)動電阻的選擇

在驅(qū)動IGBT時，必須選擇合適的驅(qū)動電阻。阻值越小，上升和下降時間就越短，但是di/dt隨之變大，由于雜散電感的存在，使得IGBT承受比較高的尖鋒電壓；阻值越大，上升和下降時間就越長，有可能無法使IGBT按時開通和關(guān)斷。故選擇驅(qū)動電阻阻值時要綜合考慮這兩方面因素，同時也要考慮2SD106AI-17的最大驅(qū)動電流（6A），驅(qū)動電阻的最小值可以按照這個公式：

R_{2}=ΔU/I_{OP} (1)
由電氣特性可知，ΔU=30V（門極驅(qū)動電壓15V ），根據(jù)公式(1)，取驅(qū)動電阻為5.1Ω。

參考電阻的選取

參考電阻就是2SD106AI-17連接到IGBT的發(fā)射極（E端）的電阻，確定IGBT保護關(guān)斷閥值。導通后，當C端上的電壓超過參考電阻上的電壓時，驅(qū)動模塊就會啟動保護功能。參考電阻的計算公式可以按照公式（2）計算得到。

R_{th}=V_{th}/150μA （2）

在 不同的系統(tǒng)中，IGBT的過電流保護限值是不同的。如圖3所示，F(xiàn)F400R12KE3的保護電流實際上相當于短路電流，此時瞬時電流值非常大，對IGBT的損傷也非常大，按照正常做法，必須有可靠的過流保護。由公式（2）可以計算出一個參考電阻，其中V th =3.2V，則R th =22kΩ。

圖3 FF400R12KE3的Ic/Vce輸出特性(略)

根 據(jù)上述驅(qū)動電路設(shè)計，用2SD106AI-17模塊來驅(qū)動FF400R12KE3。需要注意的是驅(qū)動電路應(yīng)盡可能靠近IGBT安裝，同時IGBT與驅(qū)動電路應(yīng) 采用雙絞線連接，參考電阻、參考電 位必須盡可能地 接近IGBT模塊的E端。圖4為2SD106AI-17輸出到IGBT門極的一路波形，開關(guān)頻率為6.6 k Hz。

圖4 2SD106AI-17的一路輸出波形(略)

實驗問題與分析

基于以上的驅(qū)動電路，應(yīng)用于本實驗室自主研制的混合動力汽車逆變器上，將其進行具體裝車試驗。圖5為逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖5 逆變器系統(tǒng)框圖(略)

系統(tǒng)選用FF400R12KE3為逆變器的開關(guān)器件，開關(guān)頻率為6.6kHz，采用SVPWM調(diào)制方式產(chǎn)生PWM波形；采用基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控 制作為電機的控制策略，核心控制單元為定點DSP-TMS320LF2407A；相電流信號i s通過D/A輸出，用示波器進行觀測；直流母線電壓為350V；負載由電渦流測功機進行模擬。在做額定負載實驗中，逆變器輸出170A的電流 很正常，電壓電流波形如圖6。在實際車輛運行中，發(fā)現(xiàn)逆變器沒有電流輸出。

圖6 逆變器輸出電壓電流波形(略)

實驗系統(tǒng)所用電機具體參數(shù)如下：

額定功率：50kW

額定頻率：200Hz

額定電壓：240V

額定電流：167A

額定轉(zhuǎn)矩：160N.m

額定轉(zhuǎn)速：3000r/min

聯(lián)結(jié)方式：Y

最高轉(zhuǎn)速：6000r/min

問題排查過程：

1.利用外部電源單獨給逆變器供電，發(fā)現(xiàn)逆變器工作正常，排除了逆變器出現(xiàn)問題的可能。

2 .在問題狀態(tài)下，用示波器查DSP主控板有沒有PWM波形輸出。發(fā)現(xiàn)有波形輸出，基本排除了主控板的因素。

3.在問題狀態(tài)下，測量車輛24V供電系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)電池的電壓在啟動瞬間降到10V左右，同時又觀察別的系統(tǒng)單元，發(fā)現(xiàn)這時也都停止工作。可知問題基本是由供電電源不穩(wěn)引起的。

4.在驅(qū)動板的電源輸入端增加兩個大電容，問題不再出現(xiàn)。

問題原因：

在發(fā)動機啟動的時候，點火系統(tǒng)需要一個大電流，導致車上的24V系統(tǒng)電壓下降很嚴重，使得2SD106AI-17的輸入電源低于其自身的保護電壓（11V），從而使2SD106AI-17產(chǎn)生了復位。因此，為了適應(yīng)車上的工作狀況， 必須在2SD106AI-17的電源側(cè)增加電 容，使驅(qū)動模塊在啟動時期內(nèi)不復位。

在設(shè)計和使用2SD106AI時，要注意以下事項：1、必須計算驅(qū)動需要的功率，選擇合適的供電電源，特別是在車上時要用寬輸入的電源；2、安裝時請不要用手隨便觸摸驅(qū)動模塊，防止靜電損害模塊；3、驅(qū)動電阻要靠近IGBT的門極。

結(jié)束語

本文分析了2SD106AI-17的工作原理，設(shè)計了基于2SD106AI-17的IGBT驅(qū)動電路，并將其應(yīng)用在具體混合動力汽車的逆變器驅(qū)動系統(tǒng)上。實驗表明，基于2SD106AI-17的驅(qū)動板可靠性非常好，非常適用于車上的環(huán)境。

[1].FF400R12KE3datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/FF400R12KE3_1464325.html.