双通道IGBT驱动器4.8QD32PRO-S的优化

1.2QD32PRO-S双通道IGBT驱动器特点及内部框图

2QD32PRO-S双通道IGBT驱动器的引脚及功能与SEMIKRONSKYPER32PRO兼容，可驱动600V/1200V/1700V全系列IGBT。2QD32PRO-S双通道IGBT驱动器具有以下特点：

1）V_CE监测IGBT短路、过电流、欠电压故障；

2）上/下通道互锁（死区时间）可调整；

3）发生短路时，具有软关断功能；

4）逻辑信号暂停功能；

5）短脉冲抑制功能（SPS）；

6）故障存储、锁定功能；

7）通过铁氧体变压器进行电气隔离。

2QD32PRO-S双通道IGBT驱动器内部框图如图4-76所示。

2.2QD32PRO-S双通道IGBT驱动器技术参数及引脚功能

2QD32PRO-S双通道IGBT驱动器最大允许值见表4-30。

图4-76 2QD32PRO-S双通道IGBT驱动器内部框图

表4-30 2QD32PRO-S双通道IGBT驱动器最大允许值

2QD32PRO-S双通道IGBT驱动器的电气特性（T_A=25℃；V_DD=V_DC=15V）见表4-31。

表4-31 2QD32PRO-S双通道IGBT驱动器的电气特性（T_A=25℃；V_DD=V_DC=15V）

2QD32PRO-S双通道IGBT驱动器引脚功能见表4-32。

表4-32 2QD32PRO-S双通道IGBT驱动器引脚功能

（续）

3.2QD32PRO-S双通道IGBT驱动器特性

2QD32PRO-S双通道IGBT驱动器是一款IGBT半桥驱动器，脉冲输出电荷总量可达6.3μC。驱动IGBT所需电荷取决于IGBT的芯片规格、直流母线电压和门极电压。通常驱动板栅极开通/关断电压为+15V/-7V，则每个开关周期栅极电压变化量为22V，但是大多数IGBT技术手册中并没有给出栅极负电压，为了确定具体栅极电荷值，可以使用模块数据手册曲线中的+22V栅极电压所对应的值来近似代替。驱动器的输出电流取决于开关频率和栅极电荷，最大开关频率可以通过公式计算得到，并且受限于驱动器电源的平均电流和功耗。

（1）开关频率计算

开关频率按下式计算：

式中，f_max为最大开关频率；I_outAVmax为最大输出电流；Q_GE为IGBT栅极电荷数。

最大开关频率与栅极电荷的关系曲线如图4-77所示（T_amb=25°C）。

（2）平均输出电流

平均输出电流按下式计算：

I_outAV=f_sw×Q_GE （4-17）

式中，I_outAV：为平均输出电流；f_sw为开关频率；Q_GE为IGBT门极电荷数。

平均输出电流与环境温度的关系曲线如图4-78所示。

图4-77 大开关频率与门极电荷的关系曲线

（3）电压隔离

在驱动器的内部结构中，通过变压器隔离信号电路（一次侧）与功率部分（二次侧），变压器是由脉冲变压器和一组DC/DC变换器组成，脉冲变压器在一次侧和二次侧之间传递驱动信号和故障信号，使用脉冲变压器可以提供高质量的电气隔离，它在一次侧和二次侧之间还具有很高的dv/dt（50kV/μs），由于内部集成了DC/DC变换器，无需外部隔离电源。

（4）欠电压复位及输入

欠电压复位功能使驱动器在上电和掉电期间保持在复位状态，应用中可以通过它来建立上电复位功能。在复位过程中，驱动器一直保持在它的起始状态直到PWRFAILIN引脚被置为高电平。一旦复位完成，驱动器就可以开始工作。欠电压输入电路如图4-79所示，在输入引脚增加一个电容可以提高抗干扰能力。

图4-78 平均输出电流与环境温度的关系曲线

图4-79 欠电压输入电路

（5）欠电压保护

1）一次侧欠电压保护：在驱动器内部集成了欠电压检测功能，如果驱动器检测到电源电压低于保护电压，IGBT将会被关断（IGBT驱动信号被置为低电平），驱动器将忽略输入侧的开关信号，故障信号被保存同时HOLDOUT引脚被置为高电平。电源电压为（二次侧）15V时；欠电压保护触发电压12V。

2）二次侧欠电压保护：驱动器检测二次侧电压，如果电压下降，IGBT将会被关断（IGBT驱动信号被置为低电平），驱动器将忽略输入侧的开关信号，不会产生故障信号。电源电压为（二次侧）15V时；欠电压保护触发电压13.5V。

（6）信号输入

输入信号通过脉冲变压器传输控制IGBT开通和关断。输入信号具有施密特触发器的正逻辑特征（输入高电平=IGBT开通；输入低电平=IGBT关断），推荐使用15V的逻辑电平，禁止使用上拉或者集电极开路的方式用作上下桥臂控制信号，应使用和器件要求相符的信号传输线。上下桥臂驱动信号输入电路如图4-80所示。在输入引脚增加一个电容可以提高抗干扰能力，此电容会增加几个ns的延时，可忽略不计，同时电容应尽量靠近引脚位置，输入开关信号的脉宽不能小于1μs。

图4-80 上下桥臂驱动信号输入电路

（7）短脉冲抑制电路(www.xing528.com)

短脉冲抑制电路可抑制脉冲宽度小于一定值的开关脉冲，使其不能传递到IGBT，这样可以有效地抑制电磁干扰引起的电压尖峰对开关管的误触发，从而提高驱动电路的抗干扰能力，短脉冲抑制波形如图4-81所示。抑制脉冲宽度小于625ns的开关信号，脉冲宽度大于750ns的开关信号则有效，而宽度位于二者之间的开关信号则可能被抑制也可能有效。

图4-81 短脉冲抑制波形

（8）故障管理

由PWRFAILIN引脚输入欠电压保护、短路保护或者外部故障信号，将导致HALT OUT被置为高电平，IGBT将被关闭（IGBT驱动信号被置为LOW），控制器的开关脉冲不会传输到输出极，所有连接的IGBT将会被关断，同时内部定时器启动3s的计时。如果没有故障，也不存在PWRFAILIN或者欠电压保护等操作，在故障出现3s后，如果上下桥臂的输入驱动信号同时被置LOW电平9μs以上，驱动器将继续工作，输入开关脉冲才会传输到输出极。如果HALTOUT为高电平，没有检测到外部故障。在HALTOUT为高电平期间，在复位信号产生后，开关脉冲才开始传输到输出极。故障管理的脉冲波形如图4-82所示，信号延时包括死区时间、传输延时、IGBT的开通延时等（图4-82中未画出）。

图4-82 故障管理的脉冲波形

暂停逻辑信号引脚HALTIN和HALTOUT用来显示和控制驱动器的状态，如果HALTIN被置为高电平则驱动器工作在暂停模式（禁用驱动），它被用来检测其他硬件电路的停止信号并关断IGBT。一个高电平信号将导致驱动器处于保持状态，同时开关脉冲不会传输到输出极，禁止使用上拉和集电极开路输出。使用时HALTIN必须一直和HALT OUT连接在一起。HALTIN的高电平信号并不会导致HALTOUT为高。HALTIN为低电平后驱动器开始工作，HALTOUT和HALTIN的连接电路如图4-83所示（HALT OUT的连接（HALTIN未占用）。

图4-83 HALTOUT和HALTIN的连接电路

（9）死区时间设置（上下桥臂互锁）

设置死区时间是用于防止在半桥模式下IGBT上下两管同时导通而造成IGBT损坏，通过驱动电路可以方便地设置死区时间，应用中也可以通过软件进行死区时间的设置，因此最终的死区时间是驱动电路设置的时间和软件设置的时间中较长的时间。由于驱动电路可以设置死区时间，因此可以使用一个开关信号和它的反向信号来控制驱动器驱动IGBT。脉冲波形–死区时间如图4-84所示，总延时时间包括死区时间，信号传输延时等已在图中画出（IGBT的开关延时没有画出）。如果上下桥臂的驱动信号同时为高电平，IGBT将被关断，如果仅使用一个通道，将不会产生死区时间。死区时间可以通过表4-33所示的方法来进行调节。

图4-84 脉冲波形-死区时间

表4-33 死区时间调整方法

应注意的是在任何情况下死区时间必须大于IGBT的关断延时，这样可以避免在IGBT没有完全关断前另一个IGBT被开通，如果死区时间太短，由短路产生的热量可能会烧毁IGBT模块。

（10）短路和过电流保护

短路保护电路在IGBT导通时检测集电极-发射极电压V_CE，通过直接测量IGBT的集电极V_CEsat来实现对短路故障的监测。当IGBT发生短路时，此电路将关断IGBT。

参考电压V_CEref可以根据IGBT开关特性进行动态调整，在IGBT开通瞬间它的值会更高而不是一直固定的，当IGBT关断时该值被复位。V_CEstat为V_CEref静态值，通过外部电阻器R_CE来调整它，使它大于所有IGBT中的最大的那个值，但是不能超过10V。受到和R_CE并联电容C_CE的控制而产生延时（指数形式），它控制着在IGBT开通后、V_CEsat检测电路被激活之间的这段时间t_b1，这样通过一个参数的调整使其能适应所有IGBT。V_CEstat及V_CE与时间关系曲线如图4-85所示。

参考电压特性经过t_b1时间后，如果检测到V_CE的电压V_CEsat＞V_CEref将会立即触发保护电路并关断IGBT，存储故障信息，并将ERROROUT引脚拉至高电平。几种可能短路情况的V_CEsat及V_CEref与时间关系曲线如图4-86所示。

（11）短路保护调节

可通过外部元件R_CE和V_CE来调节t_b1保护阀值，R_CE和C_CE的连接电路如图4-87所示。R_CE与C_CE可按下式计算：

式中，V_CEstat为C-E极间的静态检测电压；t_b1x为失效时间；V_{CEstat_max}=8V（R_VCE=0Ω）。

图4-85 V_CEstat及V_CEref与时间关系曲线

图4-86 几种可能短路情况的V_CEsat及V_CEref与时间关系曲线

上述等式是在使用BY203/20S高压二极管的情况下计算而来的，V_CEstat和t_b1为在室温下的典型值应根据具体应用来确定（宽电压范围的高压二极管，R_CE和V_CE）。不应使用短路保护功能来实现过电流保护。

短路保护电路中的高压二极管在IGBT关断期间，高压二极管需要承受很高的反向电压。高压二极管的连接方法及要求如图4-88所示。二极管的反向耐压值必须高于所用IGBT的耐压值，二极管的反向阻断回复时间必须短于V_CE的电压上升沿时间，应选用正向导通压降1.5V；导通电流为2mA（T_j=25°C）的二极管。

（12）门极电阻

门极电阻的加入会直接影响到开关时间、开关损耗、dv/dt变化率等，所以必须谨慎选择，并没有一个通用值，它必须适应具体的开关特性和尖峰电压。R_Gon电阻的加入会减小开通速度和二极管的反向尖峰电流，R_Goff电阻的加入会减小IGBT的关断速度和IGBT关断时间出现的尖峰电压，不能把上下桥臂的IGBTON和IGBTOFF引脚直接相连，门极电阻连接电路如图4-89所示。

（13）软关断STO

在出现短路时，软关断将减小IGBT的电流变化速率和集电极和发射极的电压变化率。这是因为在短路情况下，IGBT的电流急剧增加，由于电路杂散电感的影响，需要比正常工作时更长的时间把电流降为零。软关断时间可以通过外部电阻R_{Goff_SC}进行调节。R_{Goff_SC}的连接电路如图4-90所示。

图4-87 R_CE和C_CE的连接电路

图4-88 高压二极管的连接电路

图4-89 栅极电阻连接电路

图4-90 R_{Goff_SC}的连接电路

具体的关断情况和过压能力取决于直流母线电压、电源电路的杂散电感、IGBT的类型等，必须符合具体的应用情况，所以并没有一个通用的R_{Goff_SC}值，具体的阻值必须符合实际的电路情况。软关断时间不能超过10μs，这段时间过后输出极使用R_Goff电阻继续关断。在短路情况下软关断并不能提供完整的过压保护，将HALTIN置为高电平不会触发软关断功能。

（14）外部故障输入

次边（高电位）的外部故障输入引脚的门极驱动被用来响应外部故障信号，比如过电流保护电路或过温保护电路，从而将驱动单元置为暂停模式。可以通过把+15V（TOP15P、BOT15P）连接到TOPERRIN或BOT ERRIN的方式禁用此功能，也可以只使用一路故障输入，外部故障输入的连接电路如图4-91所示。

4.典型应用电路

2QD32PRO-S双通道IGBT驱动器的典型应用电路如图4-92所示，在PCB布局布线时，驱动器到IGBT的接线要尽量短，最好不要超过10cm。栅极和集电极、发射极应采用绞线连接，且应在IGBT的栅极和发射极之间连接两个相反串联的15V齐纳二极管，这可以防止栅极电压由于米勒寄生效应而上升损坏IGBT栅极。

图4-91 外部故障输入的连接电路

图4-92 2QD32PRO-S双通道IGBT驱动器的典型应用电路