一、项目介绍及设计思路
本次我做的项目是设计IGBT驱动电路。首先先要明确什么是IGBT。IGBT全称为绝缘栅双极晶体管(Insulate-Gate Bipolar Transistor)。它是一种功率半导体器件，结合了MOSFET的高输入阻抗和BJT的低导通电阻，具有高速开关和大功率承受能力的特点。IGBT广泛应用于电力电子领域，如变频器、电力调节器、逆变器等。现在的新能源汽车越来越普及，而IGBT是新能源汽车非常必要的一个组成部分。所以说能够更好的驱动IGBT是非常必要的，本次的设计主要尝试是解决这方面问题的。
IGBT驱动电路是将单片机脉冲输出的功率进行放大，以达到驱动IGBT功率器件的目的的电路。在保证IGBT器件可靠、稳定、安全工作的前提下，驱动电路起到至关重要的作用。IGBT全桥驱动电路是一种常见的功率电子驱动方案，用于控制IGBT模块在高压、大电流应用中的开关操作。其工作原理是通过控制IGBT的门极电压，使其在导通和截止之间切换，从而实现对电路的控制。IGBT驱动电路的设计需要考虑到IGBT的工作特性，如其导通电压、截止电压、开关速度等因素，以确保电路的稳定性和可靠性。
二、市场介绍
IGBT驱动电路是现代电力电子技术中的重要组成部分，广泛应用于各种电力电子设备中，如逆变器、交流调速器、电力变换器等。随着电力电子技术的不断发展，IGBT驱动电路的市场前景非常广阔。目前，IGBT驱动电路已经成为电力电子设备中不可或缺的部分，其市场需求量不断增加。
IGBT驱动电路市场规模：IGBT驱动电路市场规模庞大，其应用范围广泛，包括工业、交通、通讯、医疗等领域。
IGBT驱动电路的市场趋势：随着电力电子技术的不断发展，IGBT驱动电路的市场需求量不断增加。未来，IGBT驱动电路将会更加智能化、高效化、集成化。
三、方案框图及介绍
我设计的IGBT驱动电路主要包括：电平转换电路部分、PWM信号钳位电路部分、SO信号钳位电路部分、最小脉冲抑制电路部分、互锁电路部分、退饱和检测电路部分、栅极钳位电路部分、集射极钳位电路部分、变压器隔离电路部分。
方案框图链接：https://www.digikey.cn/schemeit/project/igbt-driver-45b9ebb1128e44ac80ae4db5c6c555b2
方案框图如下：
接下来分别介绍各个部分的基本原理和具体如何实现的，还有在电路中起到的作用。
第一部分、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。
图1 SID1182K数据手册中对PWM和SO信号电平的说明
图2 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。
第二部分、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，
图3a PWM钳位 图3b 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。
第三部分、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。
图4 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VOH。
第四部分、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：
图5 互锁电路原理
图6 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。
第五部分、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。
图7 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。
图8 退饱和电路原理图
第六部分、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。
图9 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。
第七部分、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:
图10 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。
图11 集射极钳位（包含了栅极钳位、退饱和电路等）
第八部分、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。下面附上示波器测试结果。
图12 DCDC隔离变压器
整体电路图：
四、规定厂商元器件介绍
本次大赛新能源及供电电源设计方向推荐了四个参考厂商：英飞凌（Infineon）， 安森美（onsemi）， 德州仪器（TI）， 泰科电子（TE）。
五、心得体会
参加这次大赛感觉收获满满，首先是因为这次大赛鼓励新手参与，不限难度。所以开始做的时候没有什么心理负担，就在各个选题方向下在生活中留心注意选择项目。由于心态上的放松和时间上的宽松，使得我更有探索的欲望，不用最后在截止日期赶进度，这样反而使我做的项目时更加顺利。借此契机我也去学了很多相关的知识，感觉成长了许多。
