基于2SD106的IGBT驱动PCB电路设计与应用-

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基于2SD106的IGBT驱动PCB电路设计与应用
引言 <BR>　　IGBT驱动PCB电路的关键是驱动保护<A href="http://www.greatpcba.com"&gtCB</A>电路设计，良好的驱动PCB电路必须保证IGBT的开关损耗量尽可能小。在IGBT承受短路电流时，如能实现可靠关断，则可以保护IGBT。
　　由于大功率的IGBT模块在开通关断时，需要瞬间大电流。本系统选择2SD106AI-17作为驱动模块，该模块驱动能力强，驱动峰值电流达到6A，隔离能力强，具有完善灵活的保护PCB电路。
　　本文设计的驱动PCB电路应用在混合动力汽车的异步电机的逆变器系统中，三相全桥逆变器选用IGBT型号为UPEC的FF400R12KE3，考虑到开关频率高和逆变器空间等因素的限制，最终采用CONCEPT公司的驱动模块2SD106AI-17。在实际运行中，该模块具有较好的驱动能力和较强的可靠性。
2SD106AI-17驱动模块简介
　　2SD106AI-17是瑞士CONCEPT公司生产的SCALE系列驱动模块之一，是驱动大功率IGBT和MOSFET专用模块，内部集成了短路和过流保护PCB电路、欠压监测PCB电路。该SCALE驱动板采用ASIC设计，仅用15V电源驱动，开关频率可大于100kHz，具有高可靠性和使用寿命长等特性。它有两个驱动输出通道，可以选择两种不同的工作模式，适合两个单管和半桥驱动，曾获得1998年度ABB优秀电力电子项目称号。
　　2SD106AI-17跟其他型号的SCALE系列驱动模块的内部结构差不多，都是由电子接口LDI 、智能栅极驱动IGD和15V D C/DC电源组成，其方框图如图１所示。当外部输入PWM信号后，由LDI进行编码处理，为保证信号不受外界条件的干扰，处理过的信号在进入IGD前需用高频隔离变压器进行电气隔离。从隔离变压器另一侧接收到的信号首先在IGD单元进行解码，并把解码后的PWM信号进行放大（±15V/±15A），以驱动外接大功率IGBT。当智能门极驱动单元IGD内的保护PCB电路检测到IGBT发生过流和短路故障时 ，由封锁时间逻辑PCB电路和状态确认PCB电路产生相应的响应时间和封锁时间，并把此时的状态信号进行编码送到逻辑控制单元LDI。LDI单元对传送来的IGBT工作状态信号进行解码处理，使之在控制回路中得以处理 。为防止2SD106AI-17的两路输出驱动信号相互干扰，由DC/DC转换器提供彼此隔离的电源供电。同时，还提供了电源监测PCB电路，当控制电源电压低于10~11V时，模块会自动把IGBT封锁，同时产生一个错误信号。
驱动PCB电路设计
2SD106AI-17的工作模式选择
　　2SD106AI-17有两种工作模式，分别是直接模式和半桥模式。前者是两路IGBT独立工作，可用于已经产生死区时间的PWM信号的驱动；后者是驱动板上自动产生死区时间，两路IGBT协调工作。在这个PCB电路中，把Mod端接地，使SCALE处于半桥模式，InA为PWM输入端，InB为使能信号。当InB输入为低电平时，两路IGBT同时关断。死区时间是由硬件产生的，死区时间的选择就是选择RC网络的值。在综合考虑之后，选择死区时间是2.1μS，选择的电阻和电容是22kΩ和22pF。
驱动电阻的选择
　　在驱动IGBT时，必须选择合适的驱动电阻。阻值越小，上升和下降时间就越短，但是di/dt随之变大，由于杂散电感的存在，使得IGBT承受比较高的尖锋电压；阻值越大，上升和下降时间就越长，有可能无法使IGBT按时开通和关断。故选择驱动电阻阻值时要综合考虑这两方面因素，同时也要考虑2SD106AI-17的最大驱动电流（6A），驱动电阻的最小值可以按照这个公式：
R_{2}=ΔU/I_{OP} (1) <BR>由电气特性可知，ΔU=30V（门极驱动电压15V ），根据公式(1)，取驱动电阻为5.1Ω。
　　参考电阻的选取
　　参考电阻就是2SD106AI-17连接到IGBT的发射极（E端）的电阻，确定IGBT保护关断阀值。导通后，当C端上的电压超过参考电阻上的电压时，驱动模块就会启动保护功能。参考电阻的计算公式可以按照公式（2）计算得到。
R_{th}=V_{th}/150μA （2）
　　在 不同的系统中，IGBT的过电流保护限值是不同的。FF400R12KE3的保护电流实际上相当于短路电流，此时瞬时电流值非常大，对IGBT的损伤也非常大，按照正常做法，必须有可靠的过流保护。由公式（2）可以计算出一个参考电阻，其中V th =3.2V，则R th =22kΩ。
　　根 据上述驱动PCB电路设计，用2SD106AI-17模块来驱动FF400R12KE3。需要注意的是驱动PCB电路应尽可能靠近IGBT安装，同时IGBT与驱动PCB电路应 采用双绞线连接，参考电阻、参考电 位必须尽可能地 接近IGBT模块的E端。
实验问题与分析
　　基于以上的驱动PCB电路，应用于本实验室自主研制的混合动力汽车逆变器上，将其进行具体装车试验。
　　系统选用FF400R12KE3为逆变器的开关器件，开关频率为6.6kHz，采用SVPWM调制方式产生PWM波形；采用基于转子磁场定向的矢量控 制作为电机的控制策略，核心控制单元为定点DSP-TMS320LF2407A；相电流信号i s通过D/A输出，用示波器进行观测；直流母线电压为350V；负载由电涡流测功机进行模拟。在做额定负载实验中，逆变器输出170A的电流 很正常。在实际车辆运行中，发现逆变器没有电流输出。
实验系统所用电机具体参数如下：
额定功率：50kW
额定频率：200Hz
额定电压：240V
额定电流：167A
额定转矩：160N.m
额定转速：3000r/min
联结方式：Y
最高转速：6000r/min
问题排查过程：
1.利用外部电源单独给逆变器供电，发现逆变器工作正常，排除了逆变器出现问题的可能。
2 .在问题状态下，用示波器查DSP主控板有没有PWM波形输出。发现有波形输出，基本排除了主控板的因素。
3.在问题状态下，测量车辆24V供电系统，发现电池的电压在启动瞬间降到10V左右，同时又观察别的系统单元，发现这时也都停止工作。可知问题基本是由供电电源不稳引起的。
4.在驱动板的电源输入端增加两个大电容，问题不再出现。
问题原因：
　　在发动机启动的时候，点火系统需要一个大电流，导致车上的24V系统电压下降很严重，使得2SD106AI-17的输入电源低于其自身的保护电压（11V），从而使2SD106AI-17产生了复位。因此，为了适应车上的工作状况， 必须在2SD106AI-17的电源侧增加电 容，使驱动模块在启动时期内不复位。
　　在设计和使用2SD106AI时，要注意以下事项：1、必须计算驱动需要的功率，选择合适的供电电源，特别是在车上时要用宽输入的电源；2、安装时请不要用手随便触摸驱动模块，防止静电损害模块；3、驱动电阻要靠近IGBT的门极。
结束语
　　本文分析了2SD106AI-17的工作原理，设计了基于2SD106AI-17的IGBT驱动PCB电路，并将其应用在具体混合动力汽车的逆变器驱动系统上。实验表明，基于2SD106AI-17的驱动板可靠性非常好，非常适用于车上的环境。</td>
               
               

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重复下：集电极电压在1000V以上尤其对湿气敏感！

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