基于CLT技术的三电平逆变器板载式驱动电路设计

吴浩伟，李 鹏，周 樑，徐正喜

(武汉第二船舶设计研究院，湖北 武汉430064)

0 引 言

随着电力电子技术的快速发展和先进电机技术的不断成熟，舰船综合电力系统和全电力推进已成为世界各国海军舰船动力系统的研究热点和发展方向［1］。由于船舶全电力推进系统功率等级巨大，电网的电压等级高，为了满足这种情况下舰船电网各类电源及电能变换装置的设计开发需求，三电平逆变器以其适用于高压、大容量的特性成为优选的技术方案［2－3］。

三电平变换器中IGBT 是整个电路进行电能变换的核心部件。由于IGBT 器件工作时需要对高电压、大电流做高频斩波变换，自身的热损耗大，电磁干扰严重，工作环境较为恶劣。此外，由于三电平逆变电路中每个桥臂上串联有4 个IGBT 开关管，存在更多的开关状态，因此每个开关管在开关过程，其驱动的浮地电位变化更加频繁，驱动信号受到其他开关管的影响更多，对驱动电路的设计要求也就越高。因此，为了保证IGBT 器件的工作可靠性，充分发挥IGBT 开关特性以及在故障时能迅速发挥保护功能，三电平逆变器的驱动电路设计是整个设计项目中的一个重点和难点。

目前，常见的IGBT 驱动电路主要是基于EX841、M57962、IR2110 等驱动芯片设计开发，虽然其功能基本能够满足IGBT 的驱动和保护要求，但也存在以下缺点:如EXB 系列过流保护无自锁能力，负偏压不足;M579 系列过流保护仅对IGBT 软关断，不能进行降栅压保护，且工作频率和控制精度受到限制［4］。为了克服当前主流IGBT 驱动电路设计中的不足，设计高性能、高可靠性的驱动电路，本文引入采用无磁芯变压器磁技术(Coreless Transformer Technology，CLT)的高性能驱动芯片1ED020I12，通过分析其工作原理和技术特点，结合驱动电路在故障保护和电磁兼容上的优化设计，开发了板载式IGBT 驱动电路，最后给出该驱动电路运用于三电平逆变器中的试验结果。

1 无磁芯变压器驱动技术

IGBT 驱动电路所承担的一个重要功能就是要保证PWM 驱动信号低压侧和主电路高压侧良好的电气隔离，尤其是对于桥臂上存在多个驱动浮地电位的三电平逆变器而言更为重要。传统的驱动隔离方法多采用高频驱动变压器和光耦隔离。对于直接使用高频驱动变压器而言，这种无源式的驱动能力较小，受到IGBT 栅源之间结电容的影响，驱动信号变形明显;对于采用光耦隔离的驱动方式而言，其存在老化现象，对高温耐受性一般，并且传输延时相对较大。

采用无磁芯变压器驱动的技术原理如图1所示。其通过在半导体内集成无磁芯变压器实现了驱动信号的隔离传递，阻断了主回路的强电磁干扰成分向控制回路的传导途径，并通过运放电流实现驱动能力的增强，弥补了常规无源式变压器隔离驱动能力不足的问题。此外，CLT 技术还具有信号传输速度快、延时小、工作温度范围宽，且性能不随使用寿命增加而降低的特点，有效的保证了芯片在各类工作环境和全寿命周期中的工作可靠性。

图1 无磁芯变压器驱动原理示意图Fig.1 The diagram of CLT drive

2 1ED020I12 芯片

1ED020I12 是Infineon 公司基于无磁芯变压器磁隔离技术开发的新一代高性能IGBT 驱动芯片(见图2)。其特点为:采用SO－16 贴片封装，体积小巧，驱动信号磁隔离，高达2 A 的推挽输出能力，150℃工作温度的高可靠性设计，故障自动锁定，有源钳位，内部集成欠压保护，IGBT 饱和压降检测等故障自检测能力，全面兼容5 V CMOS 信号，自身工作电压范围宽，且芯片小巧紧凑，自身功耗低，易于应用。

图2 1ED020I12 芯片外观及管脚图Fig.2 The picture and pin map of 1ED020I12

当前常见的高性能驱动芯片还有Agilent 公司的HCPL－316J、夏普公司的PC929 与1ED020I12，等。它们的主要特性对比如表1所示。由对比表可以看到，驱动芯片1ED020I12 不仅具备优秀的驱动能力、完善的保护功能，而且由于无磁芯变压器技术的引入，可承受的工作温度更高，动态响应速度更快，因此在能够输出的最小驱动脉宽和最大工作温度上比采用光耦隔离的驱动芯片有明显的优势。

表1 主流高性能驱动芯片性能对比表Tab.1 Comparison of high performance driver chips

3 基于1ED020I12 芯片的驱动板设计

1)驱动输出电路

采用1ED020I12 驱动芯片设计的IGBT 驱动板后级驱动电路设计如图3所示。驱动芯片7 脚输出的驱动信号通过驱动电阻R4 连接到IGBT 的栅极。R4 的电阻阻值对IGBT 的开关特性有重要的影响:当阻值增大时，驱动脉冲的前后沿变化率减小，减慢了IGBT 的开关速度，可有效减小IGBT 关断过程中的尖峰电压和寄生振荡，但开关损耗会增加;反之，当阻值减小时，IGBT 开关速度加快，开关损耗会得到降低，但开关过程的电磁干扰问题会加重，因此，驱动电阻R4 的取值应更加实际需求综合权衡确定。二极管Z1 是双向稳压二极管，防止驱动电路输出故障时输出驱动信号的电压过高而损坏IGBT的栅极，该稳压二极管的稳压值应稍高于驱动电压，通常可取为±18 V。IGBT 的集电极－栅极和栅极－发射极之间存在着寄生电容，当IGBT 集电极和发射极之间的电压突然变化时，就会通过这些寄生电容产生电流，使栅极电势上升，造成IGBT 误触发。为了防止上述情况的发生，通常应在IGBT 的栅极和发射极之间接一个门级下拉电阻R11，来提供一个低阻抗回路，保证IGBT 栅极电位不会到干扰。

图3 后级驱动输出电路图Fig.3 Driving output circuit

2)短路故障保护电路

IGBT 的短路故障保护是驱动电路设计的重点环节［5］，芯片自身虽然已经集成了驱动电压欠压等基本的保护功能，但对于逆变器运行最为关键的IGBT短路保护功能必须通过外部电路的辅助才能实现。该驱动芯片3 脚在芯片输出高有效驱动电平时作为电流源，对外输出μA 级电流，并具备IGBT 导通饱和压降的检测能力。当IGBT 导通时，由于其导通电压较低，因此3 脚的电压通过二极管D6 被嵌位限制住;而当IGBT 发生短路故障时，其导通电压基本相当于直流母线电压，因此3 脚输出的电流将电容C22 的电压不断充高，当达到9V，驱动芯片自动进入短路保护状态，封锁IGBT 驱动输出。

由于二极管D6 要连接到IGBT 的高压侧，因此需选用高压二极管，以防止击穿。并且，由于该二极管的漏电流同样会影响电容C22 的电压高低，因此要求其漏电流必须尽可能小。对于1 200 V 的应用场合，该二极管可选用2 只1N4007 串联。R6和C22 组成短路故障检测的延时环节，因为IGBT 的开通过程需要一定的时间，在这段时间内IGBT 集电极和发射极之间的电压依然较大，此时应屏蔽驱动芯片的饱和压降检测功能，以避免误判断。R6和C22 的取值大小应结合驱动电阻的阻值大小，根据IGBT 的开关特性综合考虑。

图4 短路故障保护电路Fig.4 Fault protection circuit

4 驱动板的电磁兼容设计

虽然驱动芯片本身提供了一定的抗电磁干扰能力，但电磁兼容设计一直都是驱动电路设计的重点和难点，尤其是对于直接安装在IGBT 表面的板载式驱动板而言，其电池兼容设计应予以足够的重视［6］。

1)驱动电源共模滤波

对于三电平逆变器而言，由于驱动浮地电位变化较传统的两电平变换器而言更加复杂，因此在驱动电路上应更重视其抗共模干扰的设计部分。由于目前的驱动电源多采用高频DC/DC 变换电路，并利用高频变压器实现输入输出隔离。受高频变压器分布参数的影响，IGBT 开关引起的共模噪声信号依然能够通过驱动电源传递到控制回路，对驱动板的正常工作造成干扰。因此，各驱动电源在输入端引入图5所示的EMI 电路。该电路C1 电容接外部公共电源，作为差模滤波电容保证输入电压的平稳，电容C2和C3 电容连接成共模滤波形式，和共模滤波电感L1 一起作为共模滤波电路，有效抑制开关过程中形成的共模噪声干扰外部的公共电源回路。

图5 EMI 滤波电路Fig.5 EMI filter circuit

2)PCB 走线和布板

IGBT 驱动板在布板时应注意强电和弱电电路分开，由于同一驱动板需要驱动不同电位下的2 个IGBT，因此2 个彼此独立的驱动部分也应该清晰的分隔开来，并通过PCB 开槽的方法增大两部分驱动电路间的爬电距离，保证耐压要求。

PCB 在布线时，驱动信号从驱动芯片输出后通过驱动电阻应尽快连接到IGBT 的驱动端，走线应尽可能的短，以减小线路杂散电感。与此同时，驱动信号的输入和输出部分在走线时正、负走线应尽可能的贴近，尽量减小环路面积，以抑制电磁干扰;对于电源和地线，在布线时应尽可能的宽，以保证适应大电流流过的需求，在有可能的地方大面积敷铜，以减小电源的辐射干扰，尤其是在驱动芯片的电源和地线端脚，大面积的敷铜不仅可以保证大电流的走线要求，而且铜作为热的良导体，敷铜可有效帮助芯片散热，降低工作温度，提高工作可靠性。

5 试验结果

针对目前常见的Infineon 公司EconolDUAL2 IGBT模块设计开发了基于CLT 技术的板载式驱动板，如图6所示。其大小仅为50 mm×80 mm，可以直接安装在IGBT 表面，并能够承受住IGBT 开关过程中严重的电磁干扰。利用1 台DC 900 V 15 kW 三电平逆变器对该驱动板进行实际运行试验，PWM 开关频率为5 kHz，试验波形如图7所示。

图6 IGBT 驱动板Fig.6 IGBT driver board

图7 IGBT 驱动波形Fig.7 IGBT drive signal wave

图7 为三电平逆变器2、4 管IGBT 的驱动波形，开通电压+15 V，关断电压－9 V。从图中可以看到，2 路驱动互补对称，波形稳定、纯净，开关过程的跳变沿陡峭，干扰成分抑制得较好，即使在DC 900 V下也能稳定可靠地驱动IGBT，实现了设计目标。

6 结 语

三电平逆变器IGBT 开关器件多、开关状态复杂、驱动可靠性要求高，要求IGBT 驱动板体积小、易安装、抗干扰能力强、工作可靠性高。利用Infineon 公司基于无磁芯变压器磁隔离技术的驱动芯片，设计开发了小巧灵活、功能完善、安全可靠的板载式IGBT 驱动器，通过在驱动电路、故障保护电路和驱动板电磁兼容性等多方的精心设计，该驱动板能够实现优秀的驱动能力和稳定可靠的工作性能，具有广泛的应用前景。

［1］马伟明．舰船动力发展的方向——综合电力系统［J］．海军工程大学学报，2002，14(6):1－6．

MA Wei-ming．Integrated power systems—trend of ship power development［J］．Journal of Naval University of Engineering，2002，14(6):1－6．

［2］NABAE A，TAKAHASHI I，AKAGI H．A new neutralpoint-clamped PWM inverter［J］．IEEE Transactions on Industry Application，1981，17:518－523．

［3］吴浩伟，周樑，李鹏，等．高变换效率的舰船逆变器设计［J］．舰船科学技术，2012，34(11):71－74．

WU Hao-wei，ZHOU Liang，LI Peng，et al．Design of a high efficiency ship inverter［J］．Ship Science and Technology，2012，34(11):71－74．

［4］刘伟明，朱忠尼．光耦合器HCPL－316J 在IGBT 驱动电路中的应用［J］．空军雷达学院学报，2008，22(2):110－112．

LIU Wei-ming，ZHU Zhong-ni．Application of optocoupler HCPL－316J to IGBT drive circuit［J］．Journal of Air Radar Academy，2008，22(2):110－112．

［5］MAJUMDAR B，MUKHERJEE P，et al．IGBT gate drive circuit with in-built proctection and immunity to transient fault［C］．Proceedings of IEEE Intermational Conference on Industrial Technology，2000:615－612．

［6］赵慧杰，邝乃兴，崔彬．三电平逆变器IGBT 驱动电路电磁兼容研究［J］．电源技术应用，2007，10(2):33－37．

ZHAO Hui-jie，KUANG Nai-xing，CUI Bin．Study of electromagnetic compatibility in IGBT driver of three－level inverter［J］．Power Supply Technologies and Applictions，2007，10(2):33－37．