大功率IGBT逆變器的研制過程中，我們選用英飛凌公司的的大功率IGBT模塊FF 400 R 33 KF2（400A/3300V）,。由于大功率IGBT模塊需要的瞬時驅(qū)動電流大,，而常用IGBT驅(qū)動模塊EX841、M57962等的驅(qū)動功率有限,，至此,， 選用了2SD31I-33。該模塊驅(qū)動能力 強,，峰值電流可達 ,，隔離能力強,，有完善的保護功能。另外,，在高壓大功率場合下,，開關(guān)管開通關(guān)斷的 、 很高,，很容易對控制電路等弱電信號造成干擾,，嚴重威脅高壓大功率逆變器的安全運行。因此,，本系統(tǒng)采用了光纖連接器來隔離主電路和控制電路,。光纖連接器實現(xiàn)了PWM控制信號的遠距離傳輸，延時小而且從根本消除了來自功率開關(guān)器件的干擾,。本文結(jié)合驅(qū)動模塊2SD31I-33和光纖連接器HFBR1521/2521,，給出了高壓大功率逆變器中IGBT模塊的驅(qū)動保護方法。

　　1 2SD31I-33模塊介紹

　　 2SD31I-33模塊是CONCEPT公司生產(chǎn)的SCALE系列驅(qū)動器之一,，是驅(qū)動和保護大功率IGBT的專用集成驅(qū)動模塊,，內(nèi)部集成有過流保護電路。它有兩個驅(qū)動輸出通道,，適合兩個單管或一個半橋式的雙單元IGBT模塊,。作為半橋驅(qū)動器的時候，可以非常方便改變外接的RC死區(qū)設(shè)置環(huán)節(jié)來設(shè)置死區(qū)時間,。

　　1.1 2SD31I-33驅(qū)動模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　2SD31I-33模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,，包含兩路IGBT驅(qū)動電路。內(nèi)部電路可以分為3大功能部分：*功能部分是LDI主要接收來自控制側(cè)的信號,，經(jīng)過處理后送給下一級IGD;并將IGD通過隔離變壓器傳送過來的短路,、過流等信號處理之后送給控制電路。第二功能部分是IGD主要接收來自LDI的控制信號并輸出驅(qū)動脈沖;同時,，它還負責檢測過流,、短路等故障。第三功能部分是是輸出與輸入相隔離的DC/DC變換器,，為IGD驅(qū)動提供兩路隔離電源。

　　1.2 2SD31I-33的主要特點

　　（1）可選擇的工作模式和死區(qū)設(shè)置

　　2SD31I-33驅(qū)動模塊有兩種工作模式,，即直接模式和半橋模式,，靠模式選擇端MOD來決定。當模式選擇端MOD外接高電平VCC的時候就選擇了直接工作模式,。在直接模式中兩個驅(qū)動通道是相互獨立的,，INA 和INB分別為兩個通道的輸入，SO1 和SO2分別是兩個通道工作狀態(tài)輸出端,。這種工作模式下死區(qū)時間設(shè)置端RC1,、RC2 一定要同時接地,。如果MOD端子接地，則選擇了半橋工作模式,。半橋模式工作時,，該驅(qū)動器同時驅(qū)動一個橋臂上的兩個IGBT，此時死區(qū)時間設(shè)置端根據(jù)需要外接RC電路以產(chǎn)生所需要的死區(qū)時間,。在半橋工作模式下,，INA為PWM輸入信號，2SD31I-33模塊將INA的輸入信號分為兩路互補并加入了死區(qū)的驅(qū)動信號,，送給一個橋臂的上下管,。INB為保護信號。

　　（2）短路過流保護

　　2SD31I-33驅(qū)動器內(nèi)部集成了過流保護電路,，通過集電極檢測電路來保護功率半導體器件,。每個通道檢測功率半導體Vce飽和導通壓降，由于飽和導通壓降Vce和Ic近似成正比例關(guān)系,，通過檢測Vce就可以判斷回路是否短路或過流,。需要注意的是輸出端子Cx不能直接連接到主回路的集電極上，必須通過一個或兩個串聯(lián)在一起的反向二極管來保護測量端,，一般選用1N4007作為串聯(lián)使用的二極管,。通過比較檢測到的電壓Vce和預設(shè)的閾值保護電壓來確定是否過流，如發(fā)生過流則 和 輸出過流保護信號,，同時發(fā)出封鎖信號封鎖輸出,，封鎖時間大約有1s左右的時間。

　　2 光纖傳送原理

　　光纖傳送分為三部分：光纖發(fā)送器,、光纖,、光纖接收器。

　　本系統(tǒng)中采用的光纖發(fā)送器和接收器分別為HFBR-1521和HFBR-2521,。以HFBR-1521和HFBR-2521為例來說明,。

　　HFBR-1521內(nèi)部為一發(fā)光二級管。HFBR-2521內(nèi)部為一光控的集電極開路三級管,，有光信號時,，三級管導通，輸出Vo為低電平;沒有光信號時,，三級管截止,，輸出Vo被上拉為高電平。

　　光纖傳輸信號的zui遠距離和傳輸速率有很大關(guān)系,，40 kBd時,，可傳輸120m;5 MBd時，可傳輸20m,。

　　3 系統(tǒng)設(shè)計

　　3.1 光纖隔離

　　光纖發(fā)送器采用HFBR-1521,，接收器采用HFBR-2521,。

　　光纖連接圖如圖3所示，PWM信號為DSP發(fā)出的控制信號,，INA/INB送到驅(qū)動模塊2SD31I-33的PWM接收腳INA和INB,。

　　施密特觸發(fā)器74ALS14主要作用：

　　（1）波形整形和驅(qū)動放大

　　（2）在光纖由于意外情況損壞時，光纖接收器的1腳Vo為高電平,，經(jīng)過74ALS14反向后使得INB電平變低,，及時關(guān)斷IGBT模塊，保證整個系統(tǒng)的可靠性,，因而74ALS14必不可少,。

　　3 .2 驅(qū)動模塊外圍電路設(shè)計

　　驅(qū)動電路采用半橋工作模式，如圖4所示,。INA為驅(qū)動模塊的PWM輸入引腳,，INB為保護信號輸入引腳。INA輸入信號通過驅(qū)動模塊內(nèi)部處理,，分成兩路加入了死區(qū)的互補信號,，從根本上避免了IGBT橋臂直通的危險。死區(qū)時間由外接的RC決定,。INB為保護信號,，當INB輸入低電平時，驅(qū)動模塊封鎖兩路驅(qū)動脈沖,。

　　3.3 保護電路的設(shè)計

　　系統(tǒng)保護電路如圖5所示,，SO為驅(qū)動模塊2SD31I-33的故障信號。當出現(xiàn)過流等故障時,，驅(qū)動模塊立即封鎖驅(qū)動脈沖,，且SO變?yōu)榈碗娖健?/span>SO信號通過處理后得到Error信號，Error信號送回控制電路,，進行故障保護,。同時，SO信號經(jīng)過一定的延時之后送到2SD31I-33模塊的VL/Reset腳,，清除模塊內(nèi)部的故障信息,，為故障消除后驅(qū)動模塊重新工作作準備。

　　4 實驗結(jié)果

　　針對圖3的光纖連接圖進行了PWM信號的傳輸實驗,，實驗系統(tǒng)中光纖長度1m,。圖6 和圖7中，ch1和ch2分別對應圖3中的PWM和INA/INB信號,。由圖6可見，高頻PWM信號傳輸無失真,。由圖7可見,，PWM波形傳輸延時僅為120ns左右,，滿足逆變器高頻驅(qū)動脈沖信號傳輸?shù)男枰?/span>

　　實際裝置中的高壓大功率IGBT模塊選用的是eupec公司的FF 200 R 33 KF2（200A/3300V）模塊，g和e之間節(jié)電容CGE為33nF,。圖8和圖9是采用2SD31I-33驅(qū)動模塊時的驅(qū)動波形VGE和開關(guān)波形VCE,，基級驅(qū)動電阻RG取 。

　　從圖8中可以看出IGBT開關(guān)波形的上升,、下降沿很陡,，開關(guān)耗損小;但由于大功率IGBT的CGE電容很大，所以開通延時,、關(guān)斷延時較大,，從圖中可以看出開通和關(guān)斷延時分別為1us和1.5us。若減小驅(qū)動電阻RG,，則IGBT開通和關(guān)斷的速度會加快;但RG不能小于 ,，否則驅(qū)動模塊會因為瞬時輸出驅(qū)動電流過大而損壞。

　　實驗中,，還對2SD31I-33的工作頻率進行了測試,，工作頻率可以高達120kHz，可以滿足高速功率MOSFEET的驅(qū)動要求,，試驗波形如圖9所示,。

　　實驗過程中還多次進行短路保護實驗，將逆變橋輸出直接短路,，驅(qū)動模塊每次都能很好地對主電路進行保護,。

　　5 結(jié)論

　　光纖傳輸PWM信號不僅失真，延時小,，傳輸距離遠,，而且從根本上消除了主電路對控制電路的干擾。驅(qū)動模塊2SD31I-33的驅(qū)動能力強,，工作頻率高,，而且保護功能完備。實驗結(jié)果表明基于驅(qū)動模塊2SD31I-33和光纖連接器的大功率IGBT的驅(qū)動保護方案是完全可行的,，保證了高壓大功率逆變器的可靠運行,。