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第３７卷第ｌ１期 ２Ｏ０７年ｌ１月 雹珲钗 Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｖ０ｌ－３７ Ｎｏ．１１ ＮＯＶ．２ｏｏ７ 一种用 手 Ｉ Ｇ Ｂ下模块鳓赫整半桥 马匡动电路 王富洲，张海南 （西北工业大学机电学院，陕西西安７１００７２） 摘要：介绍了一种高性能、高压集成新型半桥ＩＧＢＴ 驱动电路。雹 动槽 内 吾绦成两路驱动和独 特的故障‘‘局域网”保护电路 ，驱动能力强，体积封装小，易 于逆变器的 小 型 匕设 计’并介绍了 该驱动ｉ 模块在便携式柴油发电机逆变电源中的应用 论了设计申应毫 ｊ 问 实验结果亩Ｅ目月 ＇该 电路 结构简单＇Ｉ法能优越，宦 实彭巳对ＩＧＢＴ的可靠驱动和保护。 一 。 关键词：半桥驱动；一 一 ｚＧＢＴ．故 嗡焖 ； ¨¨ — 电源 ｊ｜ 中 图分类号：ＴＩＧ（；４ ３４．１ ；，ＴＩＭ９２１．５＿５ －文陬标－ｉ＂５ｉ３、 ＩＡ 文章￣ ：１００ｏｔ】－２３０３（２００７）Ｉ１－００４９－０４ Ｎｏｖｅｌ ｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅ ｄｒｉｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ＩＧＢＴ ｍｏｄｕｌｅ ＷＡＮＧ Ｆｕ—ｚｈｏｕ．ＺＨＡＮＧ Ｈａｉ．ｎａｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏ￣ｈｗｅｓｔｅｍ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ｘｉ’ａｎ ７ １ ００７２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｌｘａｃｔ：Ａ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅ ｎｏｖｅｌ ＩＧＢＴ ｄｒｉｖｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｍｏｄｕｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｓ ｄｕａｌ ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｄｒｉｖｉｎｇ ａｎｄ ｓｐｅｃｉａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｂ￣ｃｕｉｔｓ．Ｉｔ ｈａｓ ｈｉｇｈ ｐｕｓｈ—ｐｕｌｌ ｄｒｉｖｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ，ｂｏｏｔｓｔｒａｐ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｉｓ ｅａｓｙ ｆｏｒ ｍｉｎｉａｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｉｎｖｅｒｔｅｒ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｌｓｏ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｓｏｍｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｉｔｅｍｓ ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｄｒｉｖｉｎｇ ｍｏｄｕｌｅ ｈａｓ ｂｅｔｔｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｃａｎ ｒｅｌｉａｂｌｙ ｄｒｉｖｅ ａｎｄ ｐｒｏｔｅｃｔ ＩＧＢＴ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅ ｄｒｉｖｅｒ；ＩＧＢＴ；ｆａｕｌｔ ｌｏｃａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ；ｉｎｖｅｒｔｅｒ Ｕ 刖肓 ３１２０系列、ＩＲ公司早期 １３０Ｓ等等。其中，前三种驱 随着电力电子技术的飞速发展，特别是ＩＧＢＴ和 ＭＯＳＦＥＴ等高频自关断元器件应用的日益广泛，驱 动电路的设计就显得尤为重要。性能良好的驱动电 路可使电力电子器件：ｒ作在比较理想的开关状态， 缩短开关时间，降低开关损耗，实现对电力电子器 件的过电流保护，对功率变换器的效率、可靠性和 安全性具有重要意义Ｉｌ＿２１。 动模块驱动能力强，对功率器件有过电流保护功能， 但体积大、需要提供多路隔离电源，一般采用高频 反激式电源或者多路高压隔离ＤＣ—ＤＣ供电，造成功 率模块驱动电路设计复杂，增加了故障点，不利于小 型化设计，多用于中大功率ＩＧＢＴ驱动；ＩＲ２１３０Ｓ虽然 体积小，采用自举供电，电源简单，但驱动能力小、 无ＶＣＥ（ｓａｔ）检测保护功能，适合驱动电流为十几个 安培的ＩＧＢＴ，无法驱动电流大于５０Ａ的ＩＧＢＴ。ＩＲ公 司推出的新型ＩＧＢＴ驱动集成芯片１Ｒ２２１４１，采用自 目前，国内外推出了针对ＩＧＢＴ的多种驱动模 块，如富士公司的ＥＸＢ８４１、ＥＸＢ８５０系列、三菱公司 的Ｍ５７９５７ Ｍ５７９６３系列、惠普公司的ＨＣＰＬ３１６Ｊ、 收稿日期：２００７—０６—１６ 基金项目：西北Ｉ． Ｉｋ大学研究生创业种子基金资助项目（Ｚ２ ００６１７１ 举供电技术、驱动能力强、动态响应快、具有电源欠电 压及功率ＩＧＢＴ过电流软关断功能，简化了硬件电路 设计，只需几个外围分立元件，就可直接驱动中大功 率ＩＧＢＴ，是一种性能优异的新型驱动电路 。ＩＲ２２１４１ 作者简介：王富洲（１９７５一），男，陕西人，在读硕士，主要从事 电机控制、电力电子技术的研究工作。 ①ＩＲ２２１４１应用手册，２００３． 体积封装／ｂ（ＳＳＯＰ一２４），电源电路设计简单，仅需提 供一路＋１５ Ｖ电源，适合于小型便携式逆变器设计。 维普资讯 http://www.cqvip.com
研究与设计 雹珲墩 第３７卷 １ 驱动模块及其在逆变电源中的应用 １．１ ＩＲ２２１４１驱动模块的功能特点 ＩＲ２２１４１驱动模块具有半桥驱动模式、驱动能 力、Ｊ－／下桥臂高压隔离、Ｖ∞ 、检测保护、变压器一、 二次侧电源电压欠电压保护、体积小等特点，特别 适合对体积有严格要求的功率逆变场合。其功能结 关断。两步法驱动有效加速米勒电容充电，改善米勒 效应对ＩＧＢＴ导通性能的影响，降低了功率器件开 通损耗；功率模块过电流时，采用两步法软关断技 术，有效抑制ｄＭｄｔ、降低ＥＭＩ。 （３）独特的系统故障管理功能。如图１ｈ所示，管脚 ＦＡＵＬＴＳＤ和ＳＹ—ＦＬＴ为双向输入输出口，当功率 构框图如图１所示。 ａ半桥驱动ＩＲ２２１４１原理框图 ＳＹ．ＦＬ ＦＡＵＬ ＳＤ ｂ故障“局域网”系统 图１ ＩＲ２２１４１功能结构框图 图ｌａ为半桥驱动ＩＲ２２１４１原理框图。驱动器接 口兼容３－３ Ｖ ＣＭＯＳ，可去除高达１．６Ｖ的噪声干扰， 同时施密特触发器输入端接下拉电阻，避免在驱动 电路单独加电时驱动信号电平不固定导致ＩＧＢＴ 非正常导通。对驱动信号整形之后加入死区时间 （３３０ ｎＳ），产生上、下桥臂驱动信号。上路信号经过电 平转换送入上桥臂驱动逻辑单元，经过后级电流放 大驱动上桥臂功率模块；下路驱动信号直接送入驱 动逻辑单元，放大后驱动下桥臂功率器件。 除具有上述大多数ＩＧＢＴ驱动模块通用的功 能外，还具有以下独特的功能［ 。 （１）Ｊｂ的封装体积和强的驱动能力。ＩＲ２２１４１封 装为ＳＳＯＰ～２４，体积紧凑，拉／灌电流能力达到＋２ Ａ／ ３ Ａ。高、低侧驱动引脚设计在芯片的两侧，半桥的 上、下侧高压有效地隔离开来，给ＰＣＢ设计留下足 够的爬电距离。 （２）采取独特的两步法驱动和两步法过电流软 ５０· ； 一 ； 一 器件发生短路时，内部软关断信号起动该路软关断 过程，同时触发Ｖ０，则ＳＹ—ＦＬＴ变低，发出故障封 锁信号。所有ＩＲ２２１４１的ＳＹ—ＦＬＴ和ＦＡＵＬ］ｒ＿＿ＳＤ引 脚一一对应连接组成“局域网”，此时其他ＩＲ２２１４１ 的ＳＹ—ＦｌＪＴ就作为输入口使用，变低的Ｓ ＦＬＴ通过 施密特触发器立即同步封锁各自内部ＰＷＭ。短路保 护迅速有效，是驱动系统反应最迅速的硬件保护电 路，可大幅提高系统可靠性。 （４）电源设计简单。采用自举电源技术，四个分立 元件构成高压侧浮动电源，系统只提供一路电源，易 于热地设计。同时对上下路电源电压具有欠电压锁 定和保护功能，防止电源欠压导致驱动放大级驱动 能力不足，开关管工作在放大状态而烧毁。 （５）接口兼容５ Ｖ、３－３ Ｖ控制系统，可直接与５ Ｖ、 ３－３ Ｖ控制器接口连接，无需电平转换。 １．２在便携式逆变电源中的应用 便携式柴油发电机逆变电源系统要求体积小、 质量轻，所以各部分电路必须特别设计。由于采用电 压源型逆变拓扑，直流滤波储能的电解电容较多；功 率器件和输出ＬＣ滤波器体积难以减小，因此必须在 ＩＧＢＴ驱动电路、电源电路、接【＿］电路等方面进行小 型化设计。基于ＩＲ２２１４１以上功能特点，特别是其体 积封装小、驱动能力强、接口兼容５ ｖ／３．３Ｖ、保护功 能全的优点，逆变器功率器件ＩＧＲＴ驱动电路可采用 两路ＩＲ２２１４１设计。其半桥驱动电路原理如图２所 示。供电电源为＋１５ Ｖ；Ｒ３４０、ＶＤⅫ、Ｃ 、Ｃ３丝构成自举 供电回路，为上管提供浮动电源。Ｊ３０８为上管驱动及 保护输出，ＶＤ 为上管Ｖ 探测二极管；Ｊ３０７为 下关驱动及保护输出，ＶＤｍ为下管Ｖ ㈨探测二极 管，探测二极管均选用ＢＹＶ２６Ｅ超快恢复型高压二 极管。稳压管ＶＳ ，、ＶＳ 起到设置Ｖ伍 门限值的作 用，稳压值不同，门限值不同，本系统选用３ Ｖ稳压 管，门限值为３ Ｖ。 便携式逆变电源的总体控制逻辑框图如图３ 所示，主要由晶闸管整流模块单元、核心控制模块 单元、ＩＧＢＴ驱动保护模块单元和逆变输出单元组 成。其中，ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２由Ｕ３０１（ＩＲ２２１４１）驱动，ＩＧＢＴ 维普资讯 http://www.cqvip.com 研究与设计 王富洲等：一种用于ＩＧＢＴ模块的新型半桥驱动电路 第ｌｌ期 ＋ｌ５ Ｖ Ｖ Ｕ３０１ Ｒ ： Ｊ ．＿＿＝ ｌｌ ＶＣＣ ＶＢ ２３ ２ｌ ＲＶＢｌ 些 Ｃ ＨＩＮ ２ ＝Ｃ３ Ｈ０ＩＡ ］Ｒ ＿Ｌ ＿ｎ Ｄ ＦＬＴＣＬＲ ３ ＦＡＵＬ ｌ／ｓＤ ＳＹＦＬ ４ ＥＬ ：ＬＲ Ｓ ＦＬ 旦 ＬＨＩＩＮ ＳＳＤＨ １８ ＤＳＨ ｌ９ ＨＨ０Ｐ０Ｎ — ￡ ２４ ＤｓＨｌ ＶＳｌ ２苫ｌ： ＋＝ ｃ 一Ｉ／１ Ｉ Ｊ３０８ Ｎ Ｐ ＩＩ。 ＿一ｌ …Ｎ ＝Ｃ３２３ ＶＳＩ；ＶＤ￣ｌ ｃ， ］ｊ ６ ＣＳＳ ＋ｌ ＶＳ ＬＯＰ １０ Ｒ １ —— ｌ ＩＤＩＡ 一 ｖＢ ， ＮＣ ＬＯＮ ９ Ｒｍ：＝＝ Ｉ ＮＣ ±Ｃ 【５ — ＮＣ ＳＳＤＬ ７ Ｒ ：＝ ～一ＤＳＬｉ Ｉ。 一Ｉ／１ Ｎ Ｕ］ Ｌ ｌ１ １ 耋 ＮＣ ＮＣ ｊ ７ ＮＣ ＤＳＬ ＣＯＭ ８ ＧＮＤ ｌ ｛Ｖ Ｉ４～ Ｎ ｒ） 图２基于ＩＲ２２１４１的半桥驱动电路 由图２中Ｊ３０８连接驱动，ＩＧＢＴ２由Ｊ３０７连接驱动， 电源逆变器。系统采用 相晶闸管整流，得到恒定的 ＤＣ ４００ Ｖ。晶闸管的触发信号根据采样的直流母线 电压值决定，当直流母线低于３９８ Ｖ时，触发信号 触发品闸管导通，该触发信号由核心控制器发出的 ＩＧＢＴ 、ＩＧＢＴ４南另一路ＩＲ２２１４１驱动，线路接法相 同。基于ＩＲ２２１４１独特的故障保护“局域网”原理， 在系统设计的全桥驱动电路中，两路ＩＲ２２ｌ４１的 ＳＹ＿ＦＬＴ和ＦＡＵＬＴ＿ＳＤ引脚对应连接。一旦有某一路 路９．７７ ｋＨｚ固定占空比的ＰＷＭ波调制发送。同时 ＩＧＢＴ发生短路故障，ＩＲ２２１４１的故障管理系统立 即同步封锁ＳＰＷＭ，同时向控制器送出报警信号。 品闸管整流电路滤波电路 逆变电路 核心控制器发出四路ＳＰＷＭ脉冲信号，该ＳＰＷＭ信 号经过ＩＲ２２１４１驱动电路隔离、放大，驱动功率管， 最后经输出ＬＣ滤波器输出纯正弦：】 频交流电。系统 控制策略采用电压单闭环模糊ＰＩＤ，输出电流采样 用于功率计算及过电流保护。控制器采用热地设计， ＣＰＵ的ＰＷＭ信号经过非门缓冲器直接与ＩＲ２２１４１ 连接，无需隔离单元，增强了逆变器可靠性，减小了 逆变器体积。 ２ 实验结果 ３ ｋＷ便携式柴油发电机逆变电源系统采用全 桥逆变＋ＳＰＷＭ波调制技术，开关频率２０ ｋＨｚ。电路 图３ 系统总体控制框图 参数如下：直流母线经过晶闸管整流电路稳定在 系统核心控制基于Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司的１６位定 ＤＣ ４００ Ｖ，４单元７５ Ａ／１ ２００ Ｖ（Ｆ４—７５Ｒ１２ＭＳ４）ＩＧＢＴ 构成全桥逆变单元。 点数字控制器ｄｓＰＩＣ３ＯＦ４０１ １设计。该芯片采用１６ 位（数据）改良的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器， 采用流水线操作，有卓越的数据处理能力，可进行 ＩＲ２２１４１驱动输出波形如图４所示。通道２为 ＩＧＢＴ 栅极驱动波形，通道３为ＩＧＢＴ 栅极驱动波 形。经测量，死区时间约１．８ ｓ（其中ＣＰＵ编程死区 约１．５ ｉｘＳ，ＩＲ２２１４１自带死区０．３３ Ｓ），导通电阻 高速数字信号处理；支持８路可编程死区的ＰＷＭ输 出；具有输入捕捉、输出比较模块；１６通道Ａ／Ｄ转 换器（１０位）。因此可减少外围硬件电路，实现逆变电 源、电机高精度、高效率控制，且控制灵活，抗干扰 能力强，适合于逆变电源系统和电机控制系统的设 计。双凸极外转子稀土永磁发电机发出三相高频高 压交流电，频率４００￣５５０ Ｈｚ，电压３５０￣５００ Ｖ，接入 ３３ Ｑ，关断电阻ｌ２ Ｑ，过电流关断电阻３３０ Ｑ。正常 关断时间约２００ ｎｓ，开通时问约１．５ ｓ。由图可以看 出，ＩＲ２２１４１关断快、导通稍缓，整体波形无毛刺，米 勒平台持续时间很短，几乎为零，因此能够有效降 低ＥＭＩ及开关损耗。 娩 多 ， ·５１· 维普资讯 http://www.cqvip.com 研究与设计 雹焊梭 第３７卷 髓 、＿１ ： ， 厂 一 ０一一…—＾。 ’；’ ＼一 Ｉｔ ÷ 通道３ 图４上下管ＩＧＢＴ栅极驱动波形 ＶⅢ 故障保护波形如图５所示。图５ａ中，通道 １为ＩＧＢＴ 栅极驱动波形，通道２为ＩＧＢＴ 栅极驱动 波形，通道３为ＩＲ２２１４１故障封锁信号ＳＹ—ＦＬＴ。当 ＩＧＢＴ 管发生过电流时，即ＤＳＬ探测点电压超过其 ７Ｖ门限值，ＳＹ—ＦＬＴ由高变低，系统封锁驱动输出， 起动软关断过程。可以观察到故障时关断波形下降 缓慢。图５ｂ为ＩＲ２２１４１故障保护“局域网”封锁波 形。通道１为ＩＲ２２１４１故障输出波形ＦＡＵＬＴ＿ＳＤ，通 道２为ＩＧＢＴ４栅极驱动波形，通道３为ＩＲ２２１４１故 障封锁信号。两路ＩＲ２２１４１的ＳＹ＿ＦＬＴ和ＦＡＵ ＳＤ 引脚对应连接。当故障封锁信号由高变低，说明ＩＧＢＴ２ 管发生短路过电流，ＩＲ２２１４１通过ＳＹ—ＦＬＴ通知另 路ＩＲ２２１４１马上关断其驱动输出，此时ＩＧＢＴ４管 刚刚导通，但可以明显看到ＩＧＢＴ４管也进行了缓慢 关断，经测量时间约９．６ Ｓ。缓关断完成后ＩＲ２２１４１ 的ＦＡＵ ＳＤ向核心控制器ｄｓＰＩＣ３０Ｆ４０１１发出功 率模块短路故障报警。此处ＦＡＵＬＴ＿ＳＤ波形下降缓 慢是由于其开漏极输出端ＲＣ滤波常数大造成，调 节滤波电容Ｃ可以改变故障信号下降时间。软关断 结束后，ＳＹ—ｎＪＴ恢复高电平。由实验波形可见，在基 于ＩＲ２２１４１的故障保护“局域网”系统中，一路 ＳＹＦＬＴ由高变低的下降沿会同时触发与此相连的 其他路ＩＲ２２１４１同时封锁输出，从而能够有效防止 相问短路，提高系统可靠性。 设计中应注意：ｆ１）ＩＲ２２１４１半桥驱动电路设计 自举电容应选用低ＥＳＲ的电容，如钽电容，或者采 用多个电容并联以达到低ＥＳＲ；（２）自举二极管选择 及Ｖ皿㈨探测二极管应该选择高耐压超快恢复型二 极管；（３）ＰＣＢ设计应采用多层板，合理分配ＩＲ２２１４１ 高低侧的电源、地、驱动信号布局，驱动芯片两侧的 ５２－ 露 施吻 ‰。 一 ■ ≮三二 ；… … … ．…．．． ． … ‘’：’。 。 ｉ’’’ 。’ ．， ：’ ’ … ’ ’。： ｉ～ ‘一 … ｊ ：．： ，０． ． ． － ． ． ．： ｂ 图５ Ｖ∞ 保护 隔离驱动信号严格按照各自电压属性走线，特别是 输出电压／电流检测回路的走线，注意不要与上管驱 动信号走线重叠，避免上管驱动信号干扰电压／电流 反馈信号，造成闭环系统不稳定。 ３ 结论 采用基于ＩＲ２２１４１的全桥ＩＧＢＴ驱动电路在便 携式柴油发电机逆变器中得到了较好的应用，采用 热地设计，实现了逆变器的小型化，系统表现出良 好的抗噪能力。试验结果表明，该半桥驱动ＩＣ较强的 驱动能力和先进的保护措施增强了系统可靠性，提 高了逆变器效率。 参考文献： ［１】徐德鸿，马皓．电力电子技术ｉｎ］．北京：科学出版社，２Ｏ０６． 『２】Ｍｏｈａｎ Ｎ，Ｕｎｄｅｌａｎｄ Ｔ Ｍ，Ｒｏｂｂｉｎｓ Ｗ Ｐ．电力电子学一一 变换器、应用和设计［Ｍ】．北京：高等教育出版社，２００４． 『３１ Ｇｉｎａｄａｌｉａ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｍ，Ｇａｌｌｉ Ｇ，Ｍｅｒｅｌｌｏ Ａ．Ａ Ｎｅｗ Ｈａｌｆ－ Ｂｒｉｄｇｅ Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ ＩＧＢＴ Ｇａｔｅ Ｄｒｉｖｅｒ ｗｉｔｈ Ｆｕｌｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ［Ｄ］．ＰＣＩＭ Ｅｕｒｏｐｅ．２０ｏ３． ［４】Ｄｏｒｉｎ Ｏ Ｎｅａｃｓｕ．Ａｃｔｉｖｅ Ｇａｔｅ Ｄｒｉｖｅｒｓ ｆｏｒ Ｍｏｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｒ］．ＰＥＳＣ Ｖａｎｃｏｕｖｅｒ，Ｃａｎａｄａ，２００１：１—７１．