FastBond2阶段1-

基于亚德诺半导体和意法半导体的IGBT驱动电路

一、项目思路

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种功率半导体器件，常用于高电压、高电流应用中的功率开关。它结合了双极型晶体管（Bipolar Transistor）和场效应晶体管（Field Effect Transistor）的特点，具有高输入阻抗、低控制功率损耗和高开关速度等优点。当输入信号施加在IGBT的栅极上时，如果栅极电压高于一定阈值，栅极和发射结之间会形成一个导通的通道，使得电流可以从集电极流向发射极。此时，IGBT处于导通状态，相当于一个开关闭合。当输入信号施加在IGBT的栅极上并低于一定阈值时，栅极和发射结之间的通道关闭，电流无法从集电极流向发射极。此时，IGBT处于截止状态，相当于一个开关断开。通过调整输入信号的频率、幅度和占空比等参数，可以控制IGBT的导通时间和截止时间，从而实现对功率电路的精确控制。

IGBT驱动电路是驱动IGBT模块以能让其正常工作，并同时对其进行保护的电路。它由以下几个部分构成：电平转换电路、PWM、SO信号钳位、最小脉冲抑制、互锁电路、退饱和检测、栅极钳位、集射极钳位、变压器隔离。

IGBT驱动电路与我们的生活息息相关。

随着能源效率和性能要求的不断提高，IGBT驱动电路需要不断优化以实现更高的效能和性能。市场对于能够提高电力转换效率、减少能源损耗并且具有更快开关速度的IGBT驱动电路的需求将会持续增长。对于工业和汽车等领域的应用而言，安全性和可靠性是至关重要的。因此，IGBT驱动电路的设计趋势将包括更多的安全特性、故障检测和保护功能，以确保设备和系统的稳定运行。随着可再生能源和电动交通的兴起，对于IGBT驱动电路在太阳能逆变器、风力发电系统、电动汽车和混合动力车辆中的需求也将会不断增长。

二、方案框图及原理

该电路工作原理框图如下：

1.电平转换电路

因为DSP最小控制板是3.3V供电的，而SID1182K数据手册给出，PWM信号和SO信号都是5V供电的，所以要将DSP输出的3.3VPWM信号转换成5V的PWM信号输入到SID1182K，将SID1182K输出的5V的SO信号转换成3.3V逻辑信号输入到控制板中。

PWM、SO电平转换电路

PWM1_3.3和PWM2_3.3为DSP最小控制板发出的两路PWM信号，PWM1和PWM2信号为转换后的PWM信号。

当最小控制板输出PWM信号为高电平3.3V的时候，MOS管导通，PWM1信号输出为低电平0；当此信号为低电平0的时候，MOS管截止，PWM1信号被上拉至5V。因此PWM信号从0-3.3V转换成5-0V。

SO1和SO2分别是两个SID1182K芯片的逻辑错误信号，当电路没有发生错误时SO1和SO2逻辑电平为5V，发生错误时为0V，这个信号需要连接至DSP的最小系统板进行观测，比如连接到一个发光二级管（阳极接1.9V，阴极接SO），所以需要将SO1和SO2转换至3.3V，当SO1和SO2为为高电平时候，与之相连的二极管导通，输出的SOx_3.3为3.3V，二极管不亮；当电路发生路障，SOx为低电平的时候，二极管截止，输出为0，二极管亮，提示电路发生错误。

2.PWM、SO信号钳位

防止电路出现扰动，PWM和SO信号出现超过5V或者低于0V的情况，对PWM和SO信号进行了钳位，

PWM钳位 SO钳位

当PWM或者SO信号超出5V时，与5V相连的二极管导通，PWM信号被钳位至5V；当低于0V时，与0V相连的二极管导通，PWM信号被钳位至0V。

3.最小脉冲抑制

最小脉冲抑制是为了防止没有足够长的开通或者关断时间来控制IGBT的开通或关断，主要是由于IGBT或者续流二极管刚开始导通时，还没有充满载流子，就关断IGBT或者二极管，电流变化率di/dt或者diF/dt会增加，加上换流回路杂散电感的存在，使IGBT产生过冲电压和损耗。

使用RC低通滤波的方式进行滤除窄脉冲，在施密特触发器前加RC电路。

最小脉冲抑制原理图

选择R=3.3K，C=100pF，时间常数为RC=330ns，经过330ns的延迟后，如果PWM1信号大于施密特触发器的Vth，那么施密特触发器输出V_OH。

4.互锁电路

为了防止上下桥臂同时导通，在DSP系统中给出了死区生成的设置，两路PWM信号之间的死区为500ns。在硬件上，根据下图原理进行搭建：

互锁电路原理

互锁电路原理图（包含了最小脉冲抑制和PWM钳位）

假设输入A和输入B具有一定的脉冲宽度，当输入A和输入B同为高电平的时候，输出B经过反相器转换成低电平与高电平的A信号相与，那么输出A为0；同理，输出A经过反相器转换成低电平与高电平的B信号相与，那么输出B为0，这样一个桥臂的两个管子都不导通。

同样假设输入A和输入B具有一定的脉冲宽度，当输入A为高电平，输入B为低电平的时候，输出B经过反相器转换成高电平与高电平的A信号相与，输出A依然为高电平；对输出B同理。

5.退饱和检测

IGBT正常工作时位于饱和区，CE电压很低，为饱和值UCEsat，一般为1-3V，但是当电路发生短路或者其他故障致使IGBT的集电极电流飞速上升时，比如达到额定电流的4倍以上，IGBT进入到线性区，电流稍微增大一点，VE电压就会急剧上升。所以当电路发生短路时（比如上下桥臂直通），那么CE电压会急剧上升，直到母线电压，IGBT的功率异常增大，结温异常升高，长时间工作在退饱和去会导致IGBT损坏。

退饱和检测电路原理

VCE引脚是退饱和检测引脚，该引脚配合电阻RVCE、RVCEX可以发出一个几个毫安的电流。当IGBT工作在饱和区的时候，集电极电位较低，电流流过功率器件IGBT，当IGBT退饱和时，集电极电位急剧上升，电流只能对CRES电容进行充电，VCE引脚的电压不断上升，当电压上升到VDES的时候，芯片内部的比较器翻转（图1），逻辑电路开始报错，检测到IGBT退饱和，并启用软开关电路安全关断IGBT。

退饱和电路原理图

6.栅极钳位

当IGBT出现短路或者过电流的时候，可能会通过密勒电容对栅极进行充电，使栅极电压升高，可能超过栅极电压峰值，因此就要将栅极电容限制到一个最大值。

栅极钳位原理图

使用一个二极管连接栅极和栅极电源，当栅极电位超过栅极电源的时候，被钳位至栅极电源。根据数据手册，开通栅极电源为15V。这里选用demo推荐的肖特基二极管PME G4010，反向电流更小，不会成为栅极电源额外的负载，反向电流太高也会增加栅极电位，同时肖特基二极管的正向压降更低，如果栅极电位高于栅极电压，栅极电位等于二极管正向压降+栅极电压，正向压降更小有利于更好的钳位效果。

7.集射极钳位

受母线电压不稳定和回路寄生电感的影响，集射极电压可能会超过IGBT的VCES，使IGBT损坏。比如当母线电压突然上升，此时IGBT关断时的峰值电压为母线电压+由于杂散电感导致的电压过冲，所以可能超过VCES。

这里使用反馈到栅极的有源钳位，原理如下。

有源钳位原理

当IGBT的集电极电压超过TVS管的钳位电压的时候，钳位二极管导通，将集电极电压稳定在钳位电压。这里选择TVS钳位二极管的时候，钳位电压不能高于IGBT的VCES，不能让低于母线电压。我选用的二极管是SMBJ440A单向TVS二极管，VRWM=440V，两个相同的进行串联，达到880V的钳位电压。

集射极钳位（包含了栅极钳位、退饱和电路等）

8.变压器隔离

使用5V转24的DCDC隔离变压器，分别给上下管两个驱动器进行供电，并根据demo推荐的共模电路进行搭建。

DCDC隔离变压器

三、电路图

四、总结

通过此次FastBond2阶段1，我更加了解了IGBT驱动电路的工作原理以及各个组成部分，同时也极大程度的提高了我动手操作的能力。希望我在今后的学习生活中能收获新的感悟。