SCALE™-2 IGBT門極驅(qū)動器能輕松實現(xiàn)可再生能源逆變器系統(tǒng)的最優(yōu)化設計

新款2SP0325 IGBT 門極驅(qū)動器（CONCEPT 推出的SCALE™-2 即插即用門極驅(qū)動器家族的新成員）能夠在太陽能和風力發(fā)電應用中，為Mitsubishi 生產(chǎn)的New Mega Power Dual IGBT模塊提供高效的驅(qū)動。該驅(qū)動器具有較高的集成度和優(yōu)越的抗EMI 性能，便于實現(xiàn)緊湊且高可靠性的功率變換器設計，是一種靈活且即時可用的解決方案。

隨著可再生能源市場的不斷擴大，太陽能和風力發(fā)電逆變器應用需要使用功能更強大的IGBT模塊。理想情況下，所需要的IGBT 模塊數(shù)必須盡量保持最少，以便降低系統(tǒng)的成本及復雜度，同時還應保持高可靠性。為響應這一市場需求，Mitsubishi 推出了New Mega Power Dual 模塊，該IGBT 模塊系列實現(xiàn)了在MW級應用中，三相逆變器的每一相只需使用一個半橋IGBT模塊，而無需并聯(lián)多個IGBT 模塊。有兩種類型的IGBT 可用：一種是專門針對太陽能逆變器設計的1200V/2500A 模塊(CM2500DY-24S)，另一種是針對風力發(fā)電逆變器設計的1700V/1800A 模塊(CM1800DY-34S)。通過采用CSTBT™（載流子儲存的溝槽柵雙極晶體管）技術，結合極低電感的內(nèi)部布線，并使用先進的鋁基板以優(yōu)化模塊的冷卻性能，該 IGBT 模塊的性能得以優(yōu)化[1]。

圖1：2SP0325T 用螺絲固定到New Mega Power Dual IGBT 模塊上

本文將介紹2SP0325 SCALE™-2 驅(qū)動器的主要功能，該驅(qū)動器專門針對New Mega Power Dual IGBT 模塊而開發(fā)。該驅(qū)動器系列提供兩種版本：

● 2SP0325T 驅(qū)動器--采用電氣接口，具有較高的性價比，適用于對成本敏感的應用。

● 2SP0325V 驅(qū)動器--包含一組光纖接口，適用于需要使用光纖的應用。

這兩種版本的驅(qū)動器都是安全、緊湊且可靠的解決方案，能夠縮短變換器的設計周期。

適應嚴苛EMI 環(huán)境的設計

門極驅(qū)動器是實現(xiàn)緊湊且高可靠性太陽能或風力發(fā)電逆變器的關鍵元件。驅(qū)動器不僅控制著變換器系統(tǒng)的開關特性和相關性能，而且還負責確保IGBT 在安全的工作限值內(nèi)進行工作，即使在過載或短路情況下也是如此。

IGBT 模塊內(nèi)部的電感保持在相對較低的水平，這是因為直接在2SP0325 驅(qū)動器下方沿著模塊縱向放置了一個母排。驅(qū)動器上感應到的電磁干擾(EMI)在正常工作條件下相對較低，原因是母排中的電流變化出現(xiàn)在兩個方向，從而形成一個較小的外部磁場，該磁場通常對于直接放置在IGBT 模塊上方的驅(qū)動器不會構成問題。但在出現(xiàn)IGBT 短路時，磁場變化就會非常大，這是因為流經(jīng)IGBT 模塊的電流非常大。IGBT 驅(qū)動器的一項重要功能是能夠在發(fā)生短路時在短時間內(nèi)(<10μs)將IGBT 可靠關斷。因此，必須對驅(qū)動器設計進行優(yōu)化，使其能夠在強磁場環(huán)境中正常工作，特別是在IGBT 短路情況下也能正常工作。

2SP0325 的布局在設計之初已經(jīng)過充分考慮，使用相應的鋪地層以確保能夠?qū)︱?qū)動器的電子元件進行適當屏蔽，同時對功耗相對較高的元件進行最合理的散熱，從而降低驅(qū)動器工作溫度并相應的提高了可靠性。電氣接口的版本(2SP0325T)針對15V 邏輯進行設計，以進一步提高驅(qū)動器的信噪比。分立元件經(jīng)過精心選擇，確保更長的使用壽命和更高的可靠性。例如，CONCEPT 產(chǎn)品中不使用電解電容。

高度集成的SCALE-2 芯片組結合以上所述的優(yōu)化設計，使得驅(qū)動器能夠直接在IGBT 模塊上方安全工作，而無需在IGBT 模塊與驅(qū)動器之間采取任何屏蔽措施。

成熟的SCALE-2 技術

SCALE-2 芯片組在原方芯片LDI（邏輯驅(qū)動接口）和副方芯片IGD（智能門極驅(qū)動器）中集成了雙通道門極驅(qū)動核的全部功能。該芯片組具有極高的集成度，因此可以極大地減少分立元件的使用，從而帶來成本和可靠性優(yōu)勢[2]。

圖2：2SP0325T SCALE-2 驅(qū)動器內(nèi)部框圖

原方ASIC LDI 主要執(zhí)行以下功能：

● 將輸入信號轉(zhuǎn)換為變壓器脈沖（電氣接口）。

● 接收驅(qū)動器副方生成的故障信號，并傳遞至驅(qū)動器的原方接口。如果存在故障，驅(qū)動器在阻斷時間內(nèi)保持阻斷狀態(tài)（對應的驅(qū)動器通道保持關斷狀態(tài)）。

● 生成DC/DC 變換器的開關信號。

● 監(jiān)控原方電源。在出現(xiàn)電源欠壓時，同時關閉兩個驅(qū)動器通道，并生成故障信號。

● 可以選擇兩種工作模式：在直接模式下，用戶可以對兩個驅(qū)動器通道進行獨立控制（死區(qū)時間必須從外部生成）。在半橋模式下，LDI 在兩個通道之間自動生成死區(qū)時間。

副方ASIC IGD 執(zhí)行以下功能：

● 將變壓器信號轉(zhuǎn)換成+15V/-10V 門極-發(fā)射極電壓。

● 短路監(jiān)控 —— 在短路期間，相應的IGBT 關斷，故障信號傳遞至原方接口。

● 高級有源鉗位（將在本文后面詳細介紹）限制Vce 關斷過壓。

● 監(jiān)控驅(qū)動器副方電源電壓。在電源發(fā)生欠壓時，IGBT 安全關斷，生成故障信號并傳回驅(qū)動器原方（電氣接口）。

驅(qū)動器內(nèi)置了DC-DC 變壓器，用來將門極驅(qū)動器所需的能量傳輸至副方。DC-DC 電源和信號變壓器都符合EN 50178 的安全隔離標準，驅(qū)動器的原方與任何一個副方都可達到級防護等級。

靈活的解決方案

由于 2SP0325 驅(qū)動器裝備了具有監(jiān)控和控制功能的SCALE-2 芯片組，全部功能已經(jīng)具備，客戶無需外加任何器件（如門極電阻），即使雜散電感高達35nH，驅(qū)動器也能應付自如。用戶只需為驅(qū)動器提供15V 的非隔離電源電壓，并向門極驅(qū)動器提供對應的輸入信號（電氣或光纖連接器）即可。

高級有源鉗位功能

IGBT 驅(qū)動器2SP0325 的一個關鍵功能是控制IGBT 關斷過壓。在設計即插即用的驅(qū)動器時所面臨的挑戰(zhàn)是，如何設置驅(qū)動器的參數(shù)以使其適合各種變換器系統(tǒng)，而無需更改門極電阻或其他驅(qū)動器參數(shù)。

圖3：帶dv/dt 反饋的動態(tài)高級有源鉗位

大家熟悉的基本有源鉗位（圖3 中的方框AC）在關斷時可限制IGBT 的集電極-發(fā)射極電壓。這種鉗位電路是將IGBT 的集電極電位通過瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS)反饋到IGBT 門極的單反饋電路。IGBT 會在集電極-發(fā)射極電壓超過預設的閾值時立即部分導通，然后維持在線性區(qū)內(nèi)工作，因此可降低集電極電流的下降速率，進而限制集電極-發(fā)射極過壓。

在SCALE-2 技術中，高級有源鉗位(AAC)功能（圖3 中的方框AC 和AAC）是由驅(qū)動器的副方ASIC 實現(xiàn)的。只要電阻R2 右側的電位因有源鉗位動作而升高，與GL 相連的驅(qū)動器的推動級的關斷MOSFET 就會被逐步關斷。這樣會減少從IGBT 門極流出并流入COM 的電荷，該電荷流經(jīng)關斷門極電阻Rg,off。其作用是減小IGBT 關斷時集電極-發(fā)射極過壓，并降低TVS 損耗[3]。

dv/dt 反饋

2SP0325 驅(qū)動器中額外增加了dv/dt 反饋功能（圖3）。其作用是，在正常開關工作中實現(xiàn)非常有效的關斷過壓限制，而不會造成TVS 熱過載。在集電極-發(fā)射極電壓升高時，會有電流（可根據(jù)等式計算得出）流入與TVS 并聯(lián)的dv/dt 反饋電容。該電流將進一步為高級有源鉗位提供支持，因為它流入同一個驅(qū)動器端子，但會早于高級有源鉗位的TVS 動作。通過采用這種額外的驅(qū)動方法，VCE 電壓鉗位變得更有效，TVS 損耗更低。因此，可以提高IGBT 的開關頻率，或者可以在更大的直流母線雜散電感下開關IGBT 模塊，而不會超出IGBT的反向偏置安全工作區(qū)(RBSOA)。并且，不需要使用吸收電容。

圖4：CM2500DY-24S 的關斷比較，Lσ=15nH 和30nH (IC=2500A, VDC=800V, TA=25°C)

圖5：CM2500DY-24S 的關斷比較，Lσ=15nH 和30nH (IC=5000A, VDC=800V, TA=25°C)

通過在不同的集電極電流和直流母線雜散電感Lσ 條件下，對CM2500DY-24S IGBT 模塊進行的關斷測量， SCALE-2 技術的優(yōu)勢得到了充分展現(xiàn)。高級有源鉗位和dv/dt 反饋將IGBT 關斷速度控制到盡可能最大，而不會超出RBSOA。這在圖4 中的針對額定電流的關斷峰值過壓測量(Vce,peak=1086V @ Lσ=15nH, Vce,peak=1090V @ Lσ=30nH)和在圖5 中的針對兩倍額定電流的關斷峰值過壓測量(Vce,peak=1097V @ Lσ=15nH, Vce,peak=1085V @ Lσ=30nH)中清晰可見，這兩個測量的結果幾乎相同。門極-發(fā)射極電壓的振蕩與鉗位電路的控制反饋有關并且是完全正常的。在集電極-發(fā)射極電壓上升階段開始時，我們可以清晰地看到與dv/dt 反饋相關的門極-發(fā)射極電壓抬升。在第二部分，門極-發(fā)射極電壓抬升與集電極關斷電流的高di/dt 有關，這可以激活高級有源鉗位功能。

該測量是在半橋電路中采用雙脈沖測量方法完成，并且由2SP0325T 為CM2500DY-24S 提供驅(qū)動。在測量中使用特定的1μF/1250V 緩沖電容將雜散電感降至最小值15nH。測量結果顯示，在整個母線電壓VDC=800V 下，驅(qū)動器可以安全關斷IGBT 模塊兩倍額定的電流。測得的關斷過壓低于1200V 限值，具有足夠的安全裕量。圖4 和圖5 中的測量在25°C 下完成。85°C（這是門極驅(qū)動器的最大工作環(huán)境溫度限值）環(huán)境溫度下，VCE 關斷過壓提高了60V，但仍明顯處于IGBT 模塊的RBSOA 內(nèi)。

動態(tài)高級有源鉗位

CONCEPT 的動態(tài)高級有源鉗位(DA2C)是在2SP0325 驅(qū)動器基礎上的進一步開發(fā)。在有源鉗位回路中增加了額外的TVS（圖3 中的方框DA2C），與高級有源鉗位中使用的TVS 串聯(lián)。從IGBT 導通開始，到IGBT 發(fā)出關斷指令后的大約15-20us 內(nèi)，輔助IGBT Q0 都處于打開狀態(tài)，將這個額外的TVS 短接，以降低有源鉗位的門檻值，確保獲得高效的有源鉗位（在IGBT關斷時額外的TVS 不工作）。在經(jīng)過該15-20us 的延遲時間后，輔助IGBT Q0 關斷，這個加裝的TVS 被激活，驅(qū)動器的有源鉗位的門檻值被提高，這樣可以允許直流母線電壓在IGBT 關斷期間上升到更高的值。舉例來說，緊急停機后變換器系統(tǒng)的輸出電感會消磁，從而導致不可避免的直流母線電壓短時升高，動態(tài)高級有源鉗位允許這種情況發(fā)生。

IGBT 短路保護

圖6：2SP0325T 與CM2500DY-24S 在半橋拓撲中的短路

2SP0325 驅(qū)動器中的短路檢測采用與其他SCALE-2 驅(qū)動器相同的可靠原理實現(xiàn)：在IGBT 導通時，通過一個電阻網(wǎng)絡對IGBT 的飽和電壓進行監(jiān)控。該電路檢查集電極-發(fā)射極電壓在導通后的給定時間內(nèi)是否降低到了預設水平。如果集電極-發(fā)射極電壓未低于該水平，或者稍后在IGBT 導通時高于該水平，則檢測出短路故障，驅(qū)動器將在IGBT 的RBSOA 內(nèi)安全關斷IGBT。

圖7：短路檢測電路

在IGBT 關斷狀態(tài)下，圖7 中驅(qū)動器的內(nèi)部MOSFET T1 將管腳VCE 連接到管腳COM。然后，電容Ca 放電至負電源電壓。在IGBT 開通過程以及導通狀態(tài)下，驅(qū)動器的內(nèi)部MOSFET T1關斷，Ca 將從COM 電位被充電至IGBT 飽和電壓。如果集電極-發(fā)射極電壓（藍圈）高于預設水平，則Ca 電壓（紅圈）會升高到參考電壓（綠圈）以上，IGBT 即處于短路狀態(tài)，驅(qū)動器將立即關斷IGBT。

使用電阻網(wǎng)絡的退飽和保護功能比使用二極管的傳統(tǒng)解決方案更具優(yōu)勢。VCE 檢測不再受到高壓二極管的寄生電容或其顯著的溫度特性的影響。此外，IGBT 飽和導通期間的濾波時間常數(shù)相對較高 —— 在50μs 的范圍內(nèi)。這種濾波可避免在IGBT 處于導通狀態(tài)時因VCE 在短時內(nèi)突然升高而出現(xiàn)誤保護。

此外，SCALE-2 驅(qū)動器可在IGBT 處于導通狀態(tài)時提供非常穩(wěn)定的+15V 門極電壓。該功能在II 類短路條件下特別具有優(yōu)勢。在此故障模式下出現(xiàn)的高集電極-發(fā)射極dv/dt 可將數(shù)量相當大的電荷注入門極電路（密勒效應）。這會造成門極電壓升高，從而導致過高水平的短路電流。這可能會給IGBT 模塊帶來危險，特別是在短路時間過長時。SCALE-2 驅(qū)動器使用一個肖特基二極管進行鉗位，將門極-發(fā)射極電壓限定在安全值。穩(wěn)定的15V 電源可吸收密勒效應反饋的電荷，并保證IGBT 的安全工作。

結論

由于采用高集成度的SCALE-2 芯片組，2SP0325 CONCEPT 門極驅(qū)動器能夠為Mitsubishi 生產(chǎn)的New Mega Power Dual IGBT 模塊提供高性價比及可靠的驅(qū)動方案。該驅(qū)動器經(jīng)過優(yōu)化設計，能滿足該IGBT 大多數(shù)應用的要求。這種即時可用的解決方案可使驅(qū)動器在安裝到IGBT 模塊后立即投入運行。因此，可輕松縮短設計周期并降低開發(fā)風險。通過為New Mega Power Dual IGBT 模塊推出的即插即用驅(qū)動器系列，CONCEPT 再次展示出成熟的SCALE-2芯片組的卓越性能，該芯片組可令最新一代的IGBT 模塊在強EMI 環(huán)境中實現(xiàn)最優(yōu)運行。

參考文獻

[1] http://www.mitsubishielectric-mesh.com/download/document/20130712Zldmc.pdf

[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