2SD315A在光伏并网逆变器中的应用

易臻希

(中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙，410111)

2SD315A在光伏并网逆变器中的应用

易臻希

(中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙，410111)

驱动电路是光伏并网逆变器的核心部件，其性能对功率开关器件的工作可靠性至关重要。以集成驱动芯片2SD315A作为驱动电路的基础，通过采取合理设置栅极驱动电阻及死区时间等措施，实现了功率开关器件的安全可靠驱动。

光伏并网逆变器；驱动电路；双极性SPWM技术；死区时间

单相全桥并网逆变器的拓扑结构简单，可适应宽输入电压范围，体积小，质量小，可降低成本和提高效率，常用于家庭应用的单相小功率系统。为了保证逆变器正常工作，功率开关管的安全可靠驱动是必须解决的问题。驱动电路必须有足够的输入输出电隔离能力，具备完善的故障自诊断和自我保护的功能，保护电路能在异常情况下封锁脉冲输出。全桥并网逆变器的上半桥和下半桥的两个功率开关管被串联在一个支路中，为避免直通，两器件的开通周期必须不能重叠，需要合理设置死区时间，从而避免功率元件烧毁，以保证并网逆变系统和市电网络的安全运行。本文结合实际工程应用中一个输出功率为3 kVA，输出电流峰值约20 A的并网逆变器，对其驱动电路中的关键问题进行研究。

1 功率变换技术

目前使用最广泛的功率变换技术是PWM（脉宽调制）技术，通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压。SPWM是Sinusoidal PWM（正弦脉宽调制）的简称，是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规率排列，正弦波等效成一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，其脉冲宽度是由正弦波和三角波自然相交生成的，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。SPWM技术有双极性SPWM波形和单极性SPWM波形两种形式[1]。双极性SPWM技术的生成原理比较简单，只需要一路载波即可完成SPWM的生成。采用双极性调制技术时，4个功率开关管的负荷是相同的，更适合工程应用，本文采用双极性SPWM技术。双极性SPWM技术的实现原理如图1所示，Ur代表正弦调制波，Uc代表正负交变的双极性三角载波，产生的SPWM波可以作为两个相同开关状态的开关管的控制信号，而另外两路信号与之互补。

图1 双极性SPWM波生成原理图

图2所示为采用IGBT(绝缘栅极晶体管)作为开关器件的单相全桥逆变电路。在双极性调制方式下，按照工作状态，将功率开关管分成两组，即T1与T4是一组，T2与T3是一组。在T1、T4管同时导通状态下，T2、T3这两个开关管同时关断，此时逆变桥输出电压等于+Ud；在T1、T4同时关断状态下，T2、T3这两个开关管同时导通，此时逆变桥输出电压等于-Ud。逆变桥输出方波经过滤波器则变成与电网电压具有同频率同相位的交流电。

图2 单相全桥逆变电路原理图

2 2SD315A在并网逆变器中的应用

2SD315A是大功率IGBT的集成驱动和保护芯片，能同时驱动两个IGBT模块，可提供±15 V的驱动电压和±15 A的峰值电流，dV/dt抗干扰能力强。具有准确可靠的驱动功能与完善的短路、过流保护和电源监控功能，工作频率可高于100 kHz，电气隔离可达AC4 000 V。单相全桥并网逆变器的驱动电路是以2SD315A为基础，加上适当的外围电路构成。4只IGBT由2片2SD315A控制，每片2SD315A驱动同一桥臂的上下两只IGBT，图3为半桥T1、T2的驱动电路。

2.1 工作模式与死区时间设置

2SD315A模块输入引脚MOD接GND，被配置成半桥型工作模式，输入引脚RC1和RC2分别外接一个RC网络，这里取R=33 kΩ，C=150 pF，产生约3 μs的死区时间，有效保证半桥电路上、下两只IGBT不会直通。

图3 驱动电路原理图

2.2 模块异常状态监控

2SD315A模块有两个引脚（SO1与SO2）专门用于输出模块的工作状态。在正常工作时，SO输出均为高电平；当某一通道被检测出有故障信号产生时，它所对应的SO引脚的输出电平立刻被拉低到GND，并将低电平输入到锁存电路，同时用锁存后的信号控制PWM输入脉冲，这样一旦出现故障，驱动模块将自动产生故障信号，驱动模块立刻进入封锁状态，并使该状态一直持续到控制信号锁存电路复位。INB输入通道控制系统输出的封锁信号，如出现异常，则使能封锁信号。当INB输入为高电平时，两通道处于正常工作状态，当INB输入为低电平时，两通道同时被封锁。模块处于封锁状态时，模块输出的两路门极控制电压都为-15 V，以确保被控制的两只IGBT都处于安全关断状态。

2.3 电源监控及短路与过流保护

2SD315A驱动模块内集成了低电压监控电路，一旦电源输入电压低于10 V，监控电路就向模块内部发送故障信号，使整个模块处于封锁状态，以保证系统安全。同时，2SD315A的两通道输出端都配备有Uce监测电路。当某一路或两路的驱动侧电力器件出现短路或过流现象时，监测电路会立刻将异常状态回馈到驱动模块，产生故障信号并将它锁存，驱动模块内部会同时产生一个典型值为1 s的封锁时间，在封锁期间，驱动模块处于封锁状态，将两组IGBT及时截止。同时，状态输出端对应的SO引脚也输出代表出现故障的低电平信号。

2.4 栅极电阻Rg的选择

合适的栅极电阻Rg对于IGBT的驱动非常重要。Rg太大，会使IGBT通断状态变化的过渡过程时间延长，开关损耗增加；Rg越小，栅极电容放电越快，开关时间较快，开关损耗就比较低。但Rg太小，会使IGBT开通di/dt增大，可能引起门极电压振荡，造成触发误导通，严重时可能会损坏IGBT[2]。因此选择Rg时需要综合考虑。

通过公式(1)确定Rg可选择的最小值：

其中：ΔU为栅极正反向偏置电压之差，即+15-(-15)=30 V，Igmax为驱动电路所能提供的最大驱动电流，2SD315A芯片最大输出电流为15 A，所以Rgmin=2 Ω，实际应用中Rg取10 Ω。

2.5 参考电阻Rth的选取

2SD315A内部的电流源在Rth引脚提供150 μA的输出电流，通过参考电阻Rth阻值的选取，可以调整IGBT的电流保护阈值。Rth计算公式见(2)：

其中Rth为IGBT的Uce电压保护阈值，Ud为IGBT集电极所连接二极管的导通压降。应用中Rth取27 kΩ。当IGBT过流，Uce超出设定值时，驱动模块将自动进入保护状态。

3 实验结果

在全桥并网逆变电路中，主功率开关管承受的电压应超过直流输入侧的最大电压，即450 V，加上回路寄生电感产生的脉冲尖峰，选取600 V等级的功率管。并网逆变器输出功率为3 kVA，输出电流峰值约为20 A。考虑3倍安全余量，选择额定电流值在60 A以上的功率开关管。选取西门子公司IGBT模块BSM75GB60DLC为开关管，其额定电流为75 A，耐压为600 V。

图4 Uge1、Uge4的波形

采用2SD315A驱动模块构建光伏并网逆变器装置进行实验。图4为Uge1、Uge4的波形，该两路波形同向且占空比相同。

图5、图6为Uge1、Uge2的波形，该两路波形互补且带死区，死区时间由图6可知约为3 μs。

图7所示的通道门极输出均为-15 V，表明模块异常状态下驱动板封锁输出。

图5 Uge1、Uge2的波形

图6 死区时间

图7 输出封锁

4 结束语

2SD315A驱动模块集成度高，工作模式与死区时间可以灵活设置，内部设有电源监控、短路与过流保护电路，外围电路简单。实验结果表明，由2SD315A构成的并网逆变器驱动电路可行，输入/输出响应时间短，保护电路动作快速、可靠，保证了逆变器的安全可靠运行。

[1] 崔龙彬.3 kW单相非隔离型光伏并网逆变器的研究[C].华南理工大学硕士学位论文.2011.11.

[2] 孙稚，孙梅生，王磊.大功率IGBT驱动模块2SD315A的特性及其应用[J].电力电子技术，2002，36(6)：73-75.

[3] 郑月非，张爱玲.以2SD315AI为核心的IGBT驱动电路的设计与调试[J].电气技术，2010，(3)：65-67.

[4] 王威，李亮，方昕，康勇.高压大功率IGBT的驱动保护方案研究.通信电源技术.2005，22(1)：11-14.

The Application of 2SD315A in Photovoltaic Grid-connected Inverter

YI Zhenxi
(The 48thResearch Institute of CETC，Changsha 410111，China)

Driver circuit is the core component of photovoltaic grid inverter，its performance is very important to the work reliability of the power switch device.With integrated driving chip 2SD315A as the basis of drive circuit，by adopting reasonable gate drive resistance and dead band time，achieve the safe and reliable driving of power switch device.

Photovoltaic grid-connected inverter；Driver circuit；Double polarity SPWM technique；Dead band time

TN702

B

1004-4507(2017)02-0039-05

易臻希（1969-），男，高级工程师，从事太阳能光伏产品及应用系统研究。

2016-12-16