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1 SCALE -2 IGBT 门极驱动器能轻松实现可再生能源逆变器系统的最优化设计 新款 2SP0325 IGBT 门极驱动器 (CONCEPT 推出的 SCALE -2 即插即用门极驱动器家族的新成员 ) 能够在太阳能和风力发电应用中, 为 Mitsubishi 生产的 New Mega Power Dual IGBT 模块提供高效的驱动 该驱动器具有较高的集成度和优越的抗 EMI 性能, 便于实现紧凑且高可靠性的功率变换器设计, 是一种灵活且即时可用的解决方案 作者 :Dominik Frauenfelder 和 Olivier Garcia,CT-Concept Technologie GmbH( 瑞士 ) 随着可再生能源市场的不断扩大, 太阳能和风力发电逆变器应用需要使用功能更强大的 IGBT 模块 理想情况下, 所需要的 IGBT 模块数必须尽量保持最少, 以便降低系统的成本及复杂度, 同时还应保持高可靠性 为响应这一市场需求,Mitsubishi 推出了 New Mega Power Dual 模 块, 该 IGBT 模块系列实现了在 MW 级应用中, 三相逆变器的每一相只需使用一个半桥 IGBT 模块, 而无需并联多个 IGBT 模块 有两种类型的 IGBT 可用 : 一种是专门针对太阳能逆变器 设计的 1200V/2500A 模块 (CM2500DY-24S), 另一种是针对风力发电逆变器设计的 1700V/1800A 模块 (CM1800DY-34S) 通过采用 CSTBT ( 载流子储存的沟槽栅双极晶体管 ) 技术, 结合极低电感的内部布线, 并使用先进的铝基板以优化模块的冷却性能, 该 IGBT 模块 的性能得以优化 [1] 图 1:2SP0325T 用螺丝固定到 New Mega Power Dual IGBT 模块上 本文将介绍 2SP0325 SCALE -2 驱动器的主要功能, 该驱动器专门针对 New Mega Power Dual IGBT 模块而开发 该驱动器系列提供两种版本 :

2 2SP0325T 驱动器 采用电气接口, 具有较高的性价比, 适用于对成本敏感的应用 2SP0325V 驱动器 包含一组光纤接口, 适用于需要使用光纤的应用 这两种版本的驱动器都是安全 紧凑且可靠的解决方案, 能够缩短变换器的设计周期 适应严苛 EMI 环境的设计 门极驱动器是实现紧凑且高可靠性太阳能或风力发电逆变器的关键元件 驱动器不仅控制着变换器系统的开关特性和相关性能, 而且还负责确保 IGBT 在安全的工作限值内进行工作, 即使在过载或短路情况下也是如此 IGBT 模块内部的电感保持在相对较低的水平, 这是因为直接在 2SP0325 驱动器下方沿着模块纵向放置了一个母排 驱动器上感应到的电磁干扰 (EMI) 在正常工作条件下相对较低, 原因是母排中的电流变化出现在两个方向, 从而形成一个较小的外部磁场, 该磁场通常对于直接放置在 IGBT 模块上方的驱动器不会构成问题 但在出现 IGBT 短路时, 磁场变化就会非常大, 这是因为流经 IGBT 模块的电流非常大 IGBT 驱动器的一项重要功能是能够在发生短路时在短时间内 (<10µs) 将 IGBT 可靠关断 因此, 必须对驱动器设计进行优化, 使其能够在强磁场环境中正常工作, 特别是在 IGBT 短路情况下也能正常工作 2SP0325 的布局在设计之初已经过充分考虑, 使用相应的铺地层以确保能够对驱动器的电子元件进行适当屏蔽, 同时对功耗相对较高的元件进行最合理的散热, 从而降低驱动器工作温度并相应的提高了可靠性 电气接口的版本 (2SP0325T) 针对 15V 逻辑进行设计, 以进一步提高驱动器的信噪比 分立元件经过精心选择, 确保更长的使用寿命和更高的可靠性 例如, CONCEPT 产品中不使用电解电容 高度集成的 SCALE-2 芯片组结合以上所述的优化设计, 使得驱动器能够直接在 IGBT 模块上 方安全工作, 而无需在 IGBT 模块与驱动器之间采取任何屏蔽措施 成熟的 SCALE-2 技术 SCALE-2 芯片组在原方芯片 LDI( 逻辑驱动接口 ) 和副方芯片 IGD( 智能门极驱动器 ) 中集成了双通道门极驱动核的全部功能 该芯片组具有极高的集成度, 因此可以极大地减少分立元件的使用, 从而带来成本和可靠性优势 [2]

3 图 2:2SP0325T SCALE-2 驱动器内部框图 原方 ASIC LDI 主要执行以下功能 : 将输入信号转换为变压器脉冲 ( 电气接口 ) 接收驱动器副方生成的故障信号, 并传递至驱动器的原方接口 如果存在故障, 驱动 器在阻断时间内保持阻断状态 ( 对应的驱动器通道保持关断状态 ) 生成 DC/DC 变换器的开关信号 监控原方电源 在出现电源欠压时, 同时关闭两个驱动器通道, 并生成故障信号 可以选择两种工作模式 : 在直接模式下, 用户可以对两个驱动器通道进行独立控制 ( 死区时间必须从外部生成 ) 在半桥模式下,LDI 在两个通道之间自动生成死区时间 副方 ASIC IGD 执行以下功能 : 将变压器信号转换成 +15V/-10V 门极 - 发射极电压 短路监控 在短路期间, 相应的 IGBT 关断, 故障信号传递至原方接口 高级有源钳位 ( 将在本文后面详细介绍 ) 限制 Vce 关断过压 监控驱动器副方电源电压 在电源发生欠压时,IGBT 安全关断, 生成故障信号并传回 驱动器原方 ( 电气接口 )

4 驱动器内置了 DC-DC 变压器, 用来将门极驱动器所需的能量传输至副方 DC-DC 电源和信号 变压器都符合 EN 的安全隔离标准, 驱动器的原方与任何一个副方都可达到 级防护等 级 灵活的解决方案 由于 2SP0325 驱动器装备了具有监控和控制功能的 SCALE-2 芯片组, 全部功能已经具备, 客户无需外加任何器件 ( 如门极电阻 ), 即使杂散电感高达 35nH, 驱动器也能应付自如 用户只需为驱动器提供 15V 的非隔离电源电压, 并向门极驱动器提供对应的输入信号 ( 电气或光纤连接器 ) 即可 高级有源钳位功能 IGBT 驱动器 2SP0325 的一个关键功能是控制 IGBT 关断过压 在设计即插即用的驱动器时所面临的挑战是, 如何设置驱动器的参数以使其适合各种变换器系统, 而无需更改门极电阻或其他驱动器参数 图 3: 带 dv/dt 反馈的动态高级有源钳位 大家熟悉的基本有源钳位 ( 图 3 中的方框 AC) 在关断时可限制 IGBT 的集电极 - 发射极电压 这种钳位电路是将 IGBT 的集电极电位通过瞬态电压抑制二极管 (TVS) 反馈到 IGBT 门极的单反馈电路 IGBT 会在集电极 - 发射极电压超过预设的阈值时立即部分导通, 然后维持在线性区内工作, 因此可降低集电极电流的下降速率, 进而限制集电极 - 发射极过压

5 在 SCALE-2 技术中, 高级有源钳位 (AAC) 功能 ( 图 3 中的方框 AC 和 AAC) 是由驱动器的副方 ASIC 实现的 只要电阻 R2 右侧的电位因有源钳位动作而升高, 与 GL 相连的驱动器的推动级的关断 MOSFET 就会被逐步关断 这样会减少从 IGBT 门极流出并流入 COM 的电荷, 该电荷流经关断门极电阻 Rg,off 其作用是减小 IGBT 关断时集电极 - 发射极过压, 并降低 TVS 损耗 [3] dv/dt 反馈 2SP0325 驱动器中额外增加了 dv/dt 反馈功能 ( 图 3) 其作用是, 在正常开关工作中实现非 常有效的关断过压限制, 而不会造成 TVS 热过载 在集电极 - 发射极电压升高时, 会有电流 ( 可根据等式 计算得出 ) 流入与 TVS 并联的 dv/dt 反馈电容 该电流将进一步为高级 有源钳位提供支持, 因为它流入同一个驱动器端子, 但会早于高级有源钳位的 TVS 动作 通 过采用这种额外的驱动方法,V CE 电压钳位变得更有效,TVS 损耗更低 因此, 可以提高 IGBT 的开关频率, 或者可以在更大的直流母线杂散电感下开关 IGBT 模块, 而不会超出 IGBT 的反向偏置安全工作区 (RBSOA) 并且, 不需要使用吸收电容 图 4:CM2500DY-24S 的关断比较,L σ =15nH 和 30nH (I C =2500A, V DC =800V, T A =25 C)

6 图 5:CM2500DY-24S 的关断比较,L σ =15nH 和 30nH (I C =5000A, V DC =800V, T A =25 C) 通过在不同的集电极电流和直流母线杂散电感 L σ 条件下, 对 CM2500DY-24S IGBT 模块进行的关断测量, SCALE-2 技术的优势得到了充分展现 高级有源钳位和 dv/dt 反馈将 IGBT 关断速度控制到尽可能最大, 而不会超出 RBSOA 这在图 4 中的针对额定电流的关断峰值过压测量 (V ce,peak L σ =15nH, V ce,peak L σ =30nH) 和在图 5 中的针对两倍额定电流的关断峰值过压测量 (V ce,peak L σ =15nH, V ce,peak L σ =30nH) 中清晰可见, 这两个测量的结果几乎相同 门极 - 发射极电压的振荡与钳位电路的控制反馈有关并且是完全正常的 在集电极 - 发射极电压上升阶段开始时, 我们可以清晰地看到与 dv/dt 反馈相关的门极 - 发射极电压抬升 在第二部分, 门极 - 发射极电压抬升与集电极关断电流的高 di/dt 有关, 这可以激活高级有源钳位功能 该测量是在半桥电路中采用双脉冲测量方法完成, 并且由 2SP0325T 为 CM2500DY-24S 提供驱动 在测量中使用特定的 1µF/1250V 缓冲电容将杂散电感降至最小值 15nH 测量结果显示, 在整个母线电压 V DC =800V 下, 驱动器可以安全关断 IGBT 模块两倍额定的电流 测得的关断过压低于 1200V 限值, 具有足够的安全裕量 图 4 和图 5 中的测量在 25 C 下完成 85 C ( 这是门极驱动器的最大工作环境温度限值 ) 环境温度下,V CE 关断过压提高了 60V, 但仍明显处于 IGBT 模块的 RBSOA 内

7 动态高级有源钳位 CONCEPT 的动态高级有源钳位 (DA 2 C) 是在 2SP0325 驱动器基础上的进一步开发 在有源钳位回路中增加了额外的 TVS( 图 3 中的方框 DA 2 C), 与高级有源钳位中使用的 TVS 串联 从 IGBT 导通开始, 到 IGBT 发出关断指令后的大约 15-20us 内, 辅助 IGBT Q0 都处于打开状态, 将这个额外的 TVS 短接, 以降低有源钳位的门槛值, 确保获得高效的有源钳位 ( 在 IGBT 关断时额外的 TVS 不工作 ) 在经过该 15-20us 的延迟时间后, 辅助 IGBT Q0 关断, 这个加装的 TVS 被激活, 驱动器的有源钳位的门槛值被提高, 这样可以允许直流母线电压在 IGBT 关断期间上升到更高的值 举例来说, 紧急停机后变换器系统的输出电感会消磁, 从而导致不可避免的直流母线电压短时升高, 动态高级有源钳位允许这种情况发生 IGBT 短路保护 图 6:2SP0325T 与 CM2500DY-24S 在半桥拓扑中的短路 2SP0325 驱动器中的短路检测采用与其他 SCALE-2 驱动器相同的可靠原理实现 : 在 IGBT 导通时, 通过一个电阻网络对 IGBT 的饱和电压进行监控 该电路检查集电极 - 发射极电压在导通后的给定时间内是否降低到了预设水平 如果集电极 - 发射极电压未低于该水平, 或者稍后在 IGBT 导通时高于该水平, 则检测出短路故障, 驱动器将在 IGBT 的 RBSOA 内安全关断 IGBT

8 图 7: 短路检测电路 在 IGBT 关断状态下, 图 7 中驱动器的内部 MOSFET T1 将管脚 VCE 连接到管脚 COM 然后, 电容 Ca 放电至负电源电压 在 IGBT 开通过程以及导通状态下, 驱动器的内部 MOSFET T1 关断,Ca 将从 COM 电位被充电至 IGBT 饱和电压 如果集电极 - 发射极电压 ( 蓝圈 ) 高于预设水平, 则 Ca 电压 ( 红圈 ) 会升高到参考电压 ( 绿圈 ) 以上,IGBT 即处于短路状态, 驱动器将立即关断 IGBT 使用电阻网络的退饱和保护功能比使用二极管的传统解决方案更具优势 V CE 检测不再受到高压二极管的寄生电容或其显著的温度特性的影响 此外,IGBT 饱和导通期间的滤波时间常数相对较高 在 50µs 的范围内 这种滤波可避免在 IGBT 处于导通状态时因 V CE 在短时内突然升高而出现误保护 此外,SCALE-2 驱动器可在 IGBT 处于导通状态时提供非常稳定的 +15V 门极电压 该功能在 II 类短路条件下特别具有优势 在此故障模式下出现的高集电极 - 发射极 dv/dt 可将数量相当大的电荷注入门极电路 ( 密勒效应 ) 这会造成门极电压升高, 从而导致过高水平的短路电流 这可能会给 IGBT 模块带来危险, 特别是在短路时间过长时 SCALE-2 驱动器使用一个肖特基二极管进行钳位, 将门极 - 发射极电压限定在安全值 稳定的 15V 电源可吸收密勒效应反馈的电荷, 并保证 IGBT 的安全工作

9 结论 由于采用高集成度的 SCALE-2 芯片组,2SP0325 CONCEPT 门极驱动器能够为 Mitsubishi 生产的 New Mega Power Dual IGBT 模块提供高性价比及可靠的驱动方案 该驱动器经过优化设计, 能满足该 IGBT 大多数应用的要求 这种即时可用的解决方案可使驱动器在安装到 IGBT 模块后立即投入运行 因此, 可轻松缩短设计周期并降低开发风险 通过为 New Mega Power Dual IGBT 模块推出的即插即用驱动器系列,CONCEPT 再次展示出成熟的 SCALE-2 芯片组的卓越性能, 该芯片组可令最新一代的 IGBT 模块在强 EMI 环境中实现最优运行 参考文献 [1] [2] J. Thalheim, H. Rüedi: Universal Chipset for IGBT and Power MOSFET Gate Drivers, PCIM Europe, 2007 [3] O. Garcia, J. Thalheim, N. Meili: Safe Driving of Multi-Level Converters Using Sophisticated Gate Driver Technology, PCIM Asia, 2013

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