SD315A驱动集成电路介绍

1.2SD315A引脚功能

图4-36 2SD315A引脚分布图

2SD315AI-33是瑞士CONCEPT公司专为3300V高压IGBT的可靠工作和安全运行而设计的驱动模块，它以专用芯片组为基础，外加必需的其他元器件组成。该模块采用脉冲变压器隔离方式，能同时驱动两个IGBT模块，可提供±15V的驱动电压和±15A的峰值电流，具有准确可靠的驱动功能与灵活可调的过电流保护功能，同时可对电源电压进行欠电压检测，工作频率可达兆赫兹以上；电气隔离可达到AC6000V。现以SCALE中的2SD315A为例，给出该模块的引脚功能。图4-36给出了2SD315A的引脚分布图。该芯片共有44个管脚。具体功能见表4-17。

表4-17 2SD315A引脚功能

2SD315A的R_th端为参考电阻端，通过接在R_th端的参考电阻可确定IGBT的保护关断阈值。E端的参考电位、参考电阻必须尽可能地靠近IGBT模块。当集电极端的电压超过R_th端的电压时，将启动IGBT保护功能。此时电流源将提供150μA的电流。参考电阻值可通过下列公式来计算：

R_th=V_th/150 （4-5）

若V_th为5.85V时，R_th应选择39kΩ的电阻。

2.主要参数

（1）极限参数

2SD315AI-33的极限参数如下

1）供电电压V_DD和V_DC=16V。

2）逻辑信号输入电平=V_DD。

3）栅极峰值电流I_out=±18A。

4）内部开关电源输出功率=6W。

5）输入输出隔离电压为AC6000V；50Hz/min。

6）工作温度为-40～85℃。

（2）主要电参数

2SD315AI-33的主要电参数有

1）输入输出延迟开通时间t_pdon=300ns。

2）关断时间t_tpoff=350ns。

3）短路或欠电压保护阻断时间=1s。

4）输出上升时间t_rout=160ns。

5）输出下降时间t_fout=130ns。

6）最大电压上升率为100kV/μs。

3.性能特点

2SD315AI-33与其他驱动器相比具有以下几个显著的特点：

1）可灵活定义逻辑电平。

2）可自由选择工作模式。

3）具有短路和过电流保护功能。

4）具有欠电压监测功能。

5）可动态设定短路保护阈值。

4.SCALE驱动器的应用电路

在应用SCALE驱动器时，首先应考虑工作方式的选择、驱动器工作电平、门限电阻R_th的确定、故障状态信号、控制电路的接口。

（1）工作方式的选择(www.xing528.com)

SCALE驱动器有两种工作方式：直接和半桥方式。直接方式的接线图如图4-37所示。在直接方式下其外部引脚连接为，MOD输入端接V_CC，RC1和RC2接地，PWM信号同时接InA和InB，SO1和SO2引出两个状态反馈信号。当驱动器工作在直接方式时，驱动器的驱动两通道之间没有联系，两个通道总是同时被驱动，死区时间由控制电路确定。

图4-37 SCALE驱动器接线图

半桥方式的接线图如图4-38所示。在半桥方式下其外部引脚连接为，MOD输入端接地，InA输入PWM信号，InB输入使能信号。由于两个状态输出端SO1和SO2接在一起，所以两个驱动通道输出同一故障信号，死区时间由RC1和RC2的外接电路来确定。

图4-38 SCALE驱动器半桥接线图

（2）故障状态输出

故障状态输出采用的是集电极开路形式，以便与其他逻辑电平匹配。输出时须接上拉电阻。当电源电压低于10V时IGD执行欠电压保护功能输出负栅极电压可关断功率管并输出故障报警信号；当V_CE监测电路检测到短路或过电流时，IGD执行短路或过电流保护功能，此时关断功率管并输出为故障报警信号。SCALE器件在检测到电路故障时，其封锁时间为1s左右。驱动器一旦被检测到有故障，输出晶体管将被拉低，而在正常情况下，晶体管输出高电平。

5.2SD315A-33实用电路

（1）应用电路

“双逆变器—电动机”能量互馈式交流传动系统由于采用专为电力机车所设计的300kW异步电机，逆变器和变流器的主开关器件选用的是EVPEC公司的高压IGBT模块FZ1200R33KF1。该器件的电压等级为3300V，电流等级为1200A。根据FZ1200R33KF1对驱动保护电路的要求以及2SD315A-33驱动模块的性能特点，具体IGBT的驱动保护电路如图4-39所示。该电路由输入保护、电源保护、上电复位、死区时间设定及与IGBT接口电路几部分组成，该电路工作于半桥模式。

1）输入保护。通常驱动板通过引线与控制电路相连，因此，应对驱动电路的输入端InputA和InputB给予适当地保护，以便在掉电或输入信号呈高阻时，输入端能够通过电阻R_a1接地。电容C_a1的作用是抑制输入端出现的短脉冲或有害的尖峰脉冲。该电路会产生大约1μs的信号延迟。

2）电源保护。在一定的情况下，如果驱动器外部发生短路（如IGBT毁坏或短路），则驱动模块内部的DC/DC变换器可能会导致电源短路。故设计时在VDD端增加了一个熔断器，以保证在出现故障时电路板不致损坏。图中的16V稳压管VS2用于过电压保护。

3）上电复位。由于上电后的故障信息总是保存在驱动模块的故障寄存器中，因此在驱动电路与控制电路分离的情况下，可通过图4-39连接于VL/R的上电复位电路进行复位。该电路同时还有欠电压保护功能。V_DD＞12.7V时，VS1反向击穿，VT1导通，VT2截止，VL为高电平，驱动器开通；而当V_DD＜12V时，VT1截止，VT2导通，VL为低电平，驱动器关断。另外，该复位电路还可保证在开启电源后的一个较短时间内使加于所有IGBT器件控制端上的电压均为低，以保证所有IGBT器件均处于关断状态。

图4-39 IGBT的驱动保护电路

4）IGBT接口。当开通时，驱动电流经R_G1和二极管VD_G流向IGBT，即开通电阻R_on=R_G1，关闭时，由于二极管VD_G的单向导电性，栅极经R_G1和R_G2放电，即关断电阻R_off=R_G1+R_G2。这样就使得开通的di/dt、dv/dt和关断的dv/dt可以分别控制，从而改善了开关过程，减少了开关损耗。

（2）电路设计中需要特别注意的问题

电路设计中需要特别注意的问题有

1）在电路设计中不能使过电流检测脚C1、C2直接接到IGBT的集电极，而需通过二极管连接。二极管的反向承受的峰值电压应超过逆变器直流侧电压的60%，以防止高压串入驱动电路。

2）在引脚VisoX和LSX之间需串接一个电阻和发光二极管以指示通道X的工作状态，在正常情况下，发光二极管发光，而在发生短路和欠电压故障时，发光二极管熄灭。但由于制作工艺上的原因，管脚LSX对于干扰极为敏感，因此，在设计中若要指示状态，应把发光二极管接在电路板上尽量靠近输出端的地方，若不需状态指示，则必须把引脚LSX和COMX短接。不要通过很长的引线将发光二极管引出，或者将LSX端悬空，否则会因电磁干扰的引入使整个电路不能正常工作。

3）电容C_GEX是根据高压IGBT开通时的特殊性来实现开通时di/dt、dv/dt的分别控制。选取时要反复调试，否则会使驱动输出信号发生振荡。

4）栅极驱动布线对防止潜在的振荡、减慢栅极电压的上升、减少噪声损耗、降低栅极电源电压或减少栅极保护电路的动作次数有很大的影响。因此，栅极布线的设计必须遵守以下的原则：

① 布线必须将驱动器的输出级和IGBT之间的寄生电感减至最低，这相当于把栅极的连线和发射极的连线之间包围的环路面积减至最低。

② 必须正确放置栅极驱动板，以防止功率电路和控制电路之间的电感耦合。

③ PCB的线条之间不宜太过靠近，否则IGBT的开关会使其相互电位改变，因为过高的dv/dt会通过寄生电容耦合噪声。

④ 安装时，为缩短连线，应把驱动板直接用螺丝拧在IGBT模块上。

采用高压IGBT驱动模块2SD315A-33设计功率转换器具有以下优点：

1）只需简单调整MOD脚，就可使该电路在半桥模式和直接模式下运行。

2）该驱动模块的接口非常简单，能处理所有从5～15V电平的逻辑信号。由于输入口内部有施密特触发器，它对输入端信号无特殊的边沿陡度要求，而且状态反馈输出端设计为集电极开路，因此，该电路可以适应任何电平逻辑。

3）由于采用双极性的驱动电压（15V），使得任何厂家的各种级别的IGBT模块都可安全运行；负偏置可使电路的抗干扰能力大大增强，这样就很容易实现IGBT模块的并联。

4）由于2SD315A-33的内部电压隔离，即使是驱动多个IGBT模块，也可使电磁干扰程度也大大降低。

5）过电流保护动作准确，且简单易调。同时具有欠电压保护功能，并采取与过流保护同样的措施。

6）用变压器隔离输出级可使该驱动模块可用在控制回路与功率回路电压相差较大或电压变化较大的装置中，同时脉冲变压器可双向工作，既可传输驱动信号，也可传输反馈信号。