以2SD315AI为核心的IGBT驱动电路的设计与调试

郑月非 张爱玲

（太原理工大学电气与动力工程学院，太原 030024）

1 引言

2SD315AI是瑞士CONCEPT公司为高压IGBT的可靠工作和安全运行而设计的驱动模块，可驱动1200～1700V的 IGBT。2SD315AI集成了智能驱动、自检、状态反馈、DC/DC电源等功能，并将控制部分与功率部分完全隔离。该模块采用脉冲变压器隔离方式，加上相应的外围电路之后，能同时产生两路IGBT驱动信号，可提供15V的驱动电压和15A的峰值电流，具有准确可靠的驱动功能与灵活可调的过流保护功能， 同时可对电源电压进行欠压检测，工作频率可达100kHz以上；电气隔离可达到4000V AC。

2SD315AI应用于逆变器、电机驱动、开关电源、DC/DC电源。其拥有两种工作模式：直接模式和半桥模式。在直接模式中，两个通道之间没有任何连接，需有两路输入信号。当用于半桥方式时，只需一路输入信号就可以直接产生具有任何死区时间PWM波。

2SD315AI 与其他驱动器相比具有以下几个显著的特点：

（1）可灵活定义逻辑电平。

（2）可自由选择工作模式。

（3）具有短路和过流保护功能。

（4）具有欠压监测功能。

（5）可动态设定短路保护阈值。

从目前检索到的文献来看，有关2SD315AI应用的报道较多，但对以其为核心所构成的驱动电路的设计及调试方法的报道却不多见。本文设计了以2SD315AI为核心的外围电路，并介绍了其调试方法。该方法在不接IGBT的情况下，可以对驱动电路进行调试，从而可以防止直接接IGBT时，因驱动电路设计或调试方法不当，对IGBT所产生的不必要的损坏。

2 驱动电路的设计

本文设计的以2SD315AI为核心的 IGBT的驱动电路如图1所示。

图中INA、INB为驱动信号输入端，其具有施密特触发特性，能够对输入信号波形进行整形，提高了对输入信号的抗干扰能力。C1、G1、E1 ，C2、G2、E2为驱动电路的输出端，分别接至IGBT的集电极C，栅极G，发射极E，Gx，Ex之间的电压即为IGBT的栅极驱动电压，以下用Vgex表示。Vgex有+15V、-15V两种电平，+15V使IGBT导通，-15V使IGBT可靠关断。

图1 2SD315AI驱动电路

输入端VL/Reset决定了2SD315AI的逻辑电平，当其为高电平时，执行VL（Voltage Level）功能，设其电压为VL，则输入端INA、INB的高电平为2/3VL～VDD，低电平为0～1/3VL；当其为低电平时，执行复位功能，对驱动芯片进行复位。

驱动电路的故障输出为SO1、SO2，分别对应于通道1 和2，当相应通道发生故障时，对应故障输出端为低电平。同时封锁驱动芯片输出（Vgex=-15V），封锁时间为1s左右。

发光二极管LED4、LED3分别是通道1、2的工作指示灯。此指示灯和电阻串联后接在管脚LSx和Visox之间，正常工作时，Visox输出+16V电压，相应的发光二极管发光；反之熄灭。

值得注意的是LSx引脚极为敏感，所以在设计电路时LED发光二极管和33K电阻应尽可能的靠近Visox、LSx引脚。同时不需要状态指示时，则必须将LSx与COM x短接，否则会引起电磁干扰，致使整个电路不能正常工作。

图中驱动芯片工作在独立模式下，在这种工作方式下，两个通道之间没有任何逻辑联系，需有两路输入信号，此时MOD引脚接高电平VDD；RC1、RC2接地；输入端INA、INB分别接相应的驱动信号，相应的输出信号分别为Vge1、Vge2。

在实际应用中，驱动电路一般要求尽量靠近IGBT模块，同时尽可能地缩短驱动装置输出PWM脉冲信号到IGBT栅极之间的引线长度，以增强驱动回路得抗干扰性能。

3 2SD315AI的调试方法

本文采用下述方法及步骤对图1所示的驱动电路进行调试。

3.1 C、E开路，断开SO1， SO2

正常情况下SO1， SO2如图1连接，调试时断开比较方便观测。

（1）引脚INA、INB不加输入信号，此时工作指示灯LED3、LED4亮；故障输出端SO1、SO2输出电压不稳定，有时为高电平，有时为低电平；同时输出电压Vgex为-15V。

（2）只给INA端加输入信号，故障输出端SO1变低，该路指示灯LED4灭，说明该路处于非正常工作状态；SO2有时低有时高，状态不确定，输出Vge1为-15V。

综上所述，C、E开路时Vgex总为-15V，故障输出及工作指示灯均不能正常工作，驱动电路处于非正常工作状态。

3.2 C、E短路，断开SO1， SO2

将驱动电路输出端Cx、Ex短接，以模拟IGBT负载，调试方法如下。

（1）两路输入信号都不加，工作指示灯均亮；SO1、SO2有时低，有时高，电平不稳定，输出Vge1、Vge2均为-15V。

（2）第一路INA端加输入信号，两路指示灯均亮，SO1高，输出Vge1的电平为+15或-15V的PWM波；SO2有时高，有时为低，状态不确定，输出Vge2为-15V。

（3）INB、INA都加输入信号，指示灯均亮，SO1，SO2都为高电平，同时两路都有相应的PWM波输出，表示该驱动电路工作正常。

综上所述，C、E短接时，驱动电路处于正常工作状态；同时只有两路都加输入信号时故障输出端SO1，SO2才能工作正常。

4 栅极电阻Rg的选择

由IGBT特性可知，栅极电阻Rg增大，则IGBT开通与关断时间Ton、Toff增加，但浪涌电流IGP下降。所以Rg的选择应在满足IGP的前提下尽可能的小，其值可按如下方法计算。

当驱动电路的输出电压Vge由15V变为-15V时，Rg通过的电流最大，再根据2SD315AI芯片最大输出电流为15A，则Rg可按公式（1）确定。

5 过流保护阈值的调整

图2为图1中2SD315AI通道1过流及短路保护电路图。图中，C3取值1.5nF，C3的取值直接影响到从检测到Vce超过阈值到过流保护动作的响应时间（Reaction time）。

图2 2SD315AI芯片过流保护电路图

驱动芯片输出端C1所接二极管是为了防止电流从IGBT的集电极流向驱动电路，从而保护2SD315AI。Rm4为驱动芯片C1端的输出电阻，推荐典型值为180Ω。

根据IGBT特性，当其饱和导通时，集电极电流Ic与管压降Vce成正比，设饱和时的管压降用Vcesat来表示，故可根据Vcesat来判断Ic是否处于过流状态。

由图2可知，运算放大器在芯片内部构成了一个电压比较器，其输出端OVERCURRENT为驱动芯片内部的过流保护信号。当IGBT饱和导通时，如果Vce大于过流保护电压Vceoff，U+大于U-，OVERCURRENT为高电平，芯片执行过流保护功能，驱动电路的输出Vge1为-15V以关断IGBT；同时故障输出端SO1为低电平。

根据运放虚短虚断的原理，临界过流状态时公式（2）成立

式中，U+，U-分别为运放输入端正负极电压；Vceoff为过流保护电压；N为二极管的个数，式中假设二极管管压降为0.6V； Rth5为过流保护阈值电阻。由上所述，调节Rth5的阻值即可调整过流保护的阈值。计算可得阈值电阻Rth5的选取与过流保护电压有表1所示的关系。

表1 阈值电阻R th5的选择

需要注意的是，过流保护阈值的调整必须接IGBT负载，开始调试时可以先把Rth5调低一些，现象调对后再根据实际系统的要求进行设定。

6 结论

本文介绍了以2SD315AI为核心的驱动电路的设计及调试方法，以及门极电阻的选择及过流保护阈值的调整方法。将上述方法用于一台功率为100kW的逆变电路（选用EUPEC公司的IGBT，型号FF600R12KE3）的调试，取得了预期的效果。

[1] 蒋晓春,陈洛忠.高压IGBT集成驱动模块2SD315AI-33的应用研究[J].国外电子元器,2003(11).

[2] 曹军.2SD315AI-33型功率器件驱动器的性能及应用[J].电子元器件应用,2004(10).

[3] 李艺. 2SD315AI驱动模块在变频器中应用.电气时代,2008(9).

[4] CT-Concept Technology Ltd. Description and Application Manual for SCALE Drivers. http://www.igbt-driver.com/fileadmin/Public/PDF/Products/ENG/SCALE/Cores/SC ALE_Manual/SCALE_E.pdf

[5] CT- Concept Technology Ltd. Dual SCALE Driver 2SD315AI Dual SCALE Driver Core for IGBTs and Power MOSFETS. http://www.igbt-driver.com/fileadmin/Public/PDF/Products/ENG/SCALE/Cores/2SD315AI/2S D315AI.pdf