SCALE™-2 IGBT門極驅動器能輕松實現可再生能源逆變器系統的最優化設計

新款2SP0325 IGBT 門極驅動器（CONCEPT 推出的SCALE™-2 即插即用門極驅動器家族的新成員）能夠在太陽能和風力發電應用中，為Mitsubishi 生產的New Mega Power Dual IGBT模塊提供高效的驅動。該驅動器具有較高的集成度和優越的抗EMI 性能，便于實現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 模塊數必須盡量保持最少，以便降低系統的成本及復雜度，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，結合極低電感的內部布線，并使用先進的鋁基板以優化模塊的冷卻性能，該 IGBT 模塊的性能得以優化[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 驅動器的主要功能，該驅動器專門針對New Mega Power Dual IGBT 模塊而開發。該驅動器系列提供兩種版本：

● 2SP0325T 驅動器--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 環境的設計

門極驅動器是實現緊湊且高可靠性太陽能或風力發電逆變器的關鍵元件。驅動器不僅控制著變換器系統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進行工作，即使在過載或短路情況下也是如此。

IGBT 模塊內部的電感保持在相對較低的水平，這是因為直接在2SP0325 驅動器下方沿著模塊縱向放置了一個母排。驅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 模塊上方的驅動器不會構成問題。但在出現IGBT 短路時，磁場變化就會非常大，這是因為流經IGBT 模塊的電流非常大。IGBT 驅動器的一項重要功能是能夠在發生短路時在短時間內(<10μs)將IGBT 可靠關斷。因此，必須對驅動器設計進行優化，使其能夠在強磁場環境中正常工作，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過充分考慮，使用相應的鋪地層以確保能夠對驅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，以進一步提高驅動器的信噪比。分立元件經過精心選擇，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化設計，使得驅動器能夠直接在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（邏輯驅動接口）和副方芯片IGD（智能門極驅動器）中集成了雙通道門極驅動核的全部功能。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勢[2]。

圖2：2SP0325T SCALE-2 驅動器內部框圖

原方ASIC LDI 主要執行以下功能：

● 將輸入信號轉換為變壓器脈沖（電氣接口）。

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

● 生成DC/DC 變換器的開關信號。

● 監控原方電源。在出現電源欠壓時，同時關閉兩個驅動器通道，并生成故障信號。

● 可以選擇兩種工作模式：在直接模式下，用戶可以對兩個驅動器通道進行獨立控制（死區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時間。

副方ASIC IGD 執行以下功能：

● 將變壓器信號轉換成+15V/-10V 門極-發射極電壓。

● 短路監控 —— 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。

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

驅動器內置了DC-DC 變壓器，用來將門極驅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 驅動器裝備了具有監控和控制功能的SCALE-2 芯片組，全部功能已經具備，客戶無需外加任何器件（如門極電阻），即使雜散電感高達35nH，驅動器也能應付自如。用戶只需為驅動器提供15V 的非隔離電源電壓，并向門極驅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動器時所面臨的挑戰是，如何設置驅動器的參數以使其適合各種變換器系統，而無需更改門極電阻或其他驅動器參數。

圖3：帶dv/dt 反饋的動態高級有源鉗位

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-發射極電壓。這種鉗位電路是將IGBT 的集電極電位通過瞬態電壓抑制二極管(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，然后維持在線性區內工作，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）是由驅動器的副方ASIC 實現的。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，該電荷流經關斷門極電阻Rg,off。其作用是減小IGBT 關斷時集電極-發射極過壓，并降低TVS 損耗[3]。

dv/dt 反饋

2SP0325 驅動器中額外增加了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-發射極電壓升高時，會有電流（可根據等式計算得出）流入與TVS 并聯的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(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 技術的優勢得到了充分展現。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-發射極電壓抬升。在第二部分，門極-發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（這是門極驅動器的最大工作環境溫度限值）環境溫度下，VCE 關斷過壓提高了60V，但仍明顯處于IGBT 模塊的RBSOA 內。

動態高級有源鉗位

CONCEPT 的動態高級有源鉗位(DA2C)是在2SP0325 驅動器基礎上的進一步開發。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。從IGBT 導通開始，到IGBT 發出關斷指令后的大約15-20us 內，輔助IGBT Q0 都處于打開狀態，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，動態高級有源鉗位允許這種情況發生。

IGBT 短路保護

圖6：2SP0325T 與CM2500DY-24S 在半橋拓撲中的短路

2SP0325 驅動器中的短路檢測采用與其他SCALE-2 驅動器相同的可靠原理實現：在IGBT 導通時，通過一個電阻網絡對IGBT 的飽和電壓進行監控。該電路檢查集電極-發射極電壓在導通后的給定時間內是否降低到了預設水平。如果集電極-發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，驅動器將在IGBT 的RBSOA 內安全關斷IGBT。

圖7：短路檢測電路

在IGBT 關斷狀態下，圖7 中驅動器的內部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下，驅動器的內部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，驅動器將立即關斷IGBT。

使用電阻網絡的退飽和保護功能比使用二極管的傳統解決方案更具優勢。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相對較高 —— 在50μs 的范圍內。這種濾波可避免在IGBT 處于導通狀態時因VCE 在短時內突然升高而出現誤保護。

此外，SCALE-2 驅動器可在IGBT 處于導通狀態時提供非常穩定的+15V 門極電壓。該功能在II 類短路條件下特別具有優勢。在此故障模式下出現的高集電極-發射極dv/dt 可將數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 驅動器使用一個肖特基二極管進行鉗位，將門極-發射極電壓限定在安全值。穩定的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 門極驅動器能夠為Mitsubishi 生產的New Mega Power Dual IGBT 模塊提供高性價比及可靠的驅動方案。該驅動器經過優化設計，能滿足該IGBT 大多數應用的要求。這種即時可用的解決方案可使驅動器在安裝到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風險。通過為New Mega Power Dual IGBT 模塊推出的即插即用驅動器系列，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 環境中實現最優運行。

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