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2018年9月总第297期
ISSN1672-1438
CN11-4994/T 基于2SD315A 模块的驱动器设计与实验 李 萍
北京信息科技大学自动化学院 北京 100192
摘 要：大功率IGBT 驱动模块2SD315A 具有两路完全隔离的驱动电路，驱动电流大，拥有完善的短路、过流保护和电源监控功能。基于驱动模块工作原理，设计开发了直接控制方式的驱动接口电路，该驱动器可以应用于单开关斩波电路或双开关整流、逆变桥臂，通过实验验证驱动器运行安全、可靠。关键词：模块；驱动器；电路；应用 电力电子器件构成的电能变换装置广泛应用于交直流电机、电气化铁道、高压直流输电、无功补偿、变
频电器等工业、交通、电力、航空航天、家电领域。目前装置中的功率器件主要采用MOSFET ，IGBT ，装置的重要性能取决于驱动电路的驱动能力，因此驱动电路是信息与电能变换装置之间重要的电气接口。CONCEPT 公司专为IGBT 和MOSFET 功率器件可靠工作、安全运行设计了2SD315A 型驱动模块。驱动模块集成了自检、状态反馈、DC/DC 独立电源，是一种完全隔离的智能驱动电路。美容按摩器
1 驱动模块工作原理
2SD315A 主要由LDI(LogIC to Driver Interface)，脉冲变压器，IGD(Intelligent Gate Driver)和DC/DC 变换器构成(如图1所示)[1]。LDI 电路功能是将输入的PWM 脉冲信号转化为控制脉冲变压器的信号，并将频率、占空比信息通过脉冲变压器传输到功率驱动信号上。IGD 电路功能就是对脉冲变压器输出的PWM 信号进行功率放大，并对所驱动的功率器件工作状态进行检测，实现短路、过流、电源欠压的保护功能，还可向LDI 提供状态反馈信息，产生短路保护相应时间和脉冲阻断时间等。 图1 2SD315AI 模块内部结构示意图
硅胶分条机
作者简介：李萍，工学硕士，高级实验师。
基金项目：北京信息科技大学2017年度教学改革立项项目“层次化实践教学体系与互动式教学模式相
结合的实验教学建设”(编号：2017JGYB21)；北京市教育委员会科技计划项目(编号：KM201311232007)。
有两种工作模式可供选择，半桥模式和直接模式。驱动器的MOD 管脚接地则工作在半桥模式，接电源则工作在直接模式。
2SD315A 具有较宽的输入逻辑电平；可灵活方便选择工作模式；具有短路和过流保护功能；具有欠压检测功能；可动态设定短路保护阈值；输入、输出及各通道间完全电气隔离；输出功率大，可实现多管驱动。
2 驱动器电路设计
基于上述2SD315A 驱动模块的工作原理设计了驱
动接口电路(如图2所示)。
图2 驱动器电路原理图
2.1 工作模式选择
在半桥工作模式中，驱动器的InA 管脚作为PWM 脉冲输入信号，InB 管脚作为脉冲允许信号。只需在
驱动器的RC1，RC2管脚外部加入简单的RC 电路，便可以产生长度从100 ns 到几ms 的死区时间。在直接工作模式中，管脚InA 和InB 分别是两个通道的输入PWM 脉冲信号，两个通道之间互相独立，没有互锁功能与设置死区时间。若控制中PWM 脉冲信号由控制器产生，死区时间可以通过软件直接设置，因此驱动器选取了直接工作模式。
2.2 PWM 脉冲信号
为了解决输入脉冲信号传输需要一定距离，而较
长的距离会受到干扰问题，通常会用光纤传输、电流
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环传输、绝缘隔离传输、差动传输以及强信号传输等。强信号传输是驱动器的PWM脉冲输入信号采用+15 V电平以提高信噪比。同时，信号传输采用双绞屏蔽线，单端接地，大幅降低了噪声的影响。输入高电平电压范围是5～15 V。
2.3 驱动电源检测
当V DD>12 V时，Z2反向击穿，Q1导通，Q2截止，V L为高电平，驱动器开通；当V DD<12 V时， Q1截止，Q2导通，V L为低电平，IGD输出负门极电压，IGBT关断，同时输出错误信息。
2.4 IGBT接口电路
驱动接口电路采用对称参数开通、关断电阻，不仅可以减小驱动电阻功率，还可分别控制dv/dt和di/dt 的开通和关断，从而减小米勒效应的感生开通。2.5 状态指示
利用指示灯显示上下桥臂工作状态。IGD导通集电极时，输出约5 mA，在管脚Visox和Lsx间需串一个电阻和发光二极管指示通道x的工作状态，正常情况下发光二极管亮，当发生欠压或短路故障时发光二极管灭。2.6 驱动电阻选择
为了改善控制脉冲前后沿的斜率和防止振动，减小IGBT集电极大电压尖脉冲，既能获得良好的驱动脉冲，又能控制IGBT通断状态的过渡时间，2SD315A最大输出电压正反向都是15 V，最大输出电流15 A，则Rgmin=2 Ω。这里采用3个10 Ω电阻并联，Rg=3.3 Ω。
2.7 过流、短路保护阈值电阻选择
当IGBT工作在饱和区，集电极电流Ic较大，且与集电极电压V ce近似成正比关系时，2SD315A检测IGBT集电极饱和电压VCE(sat)以判断IGBT是否过流或短路，电路原理如图3所示[2]。
图3 IGBT的c极采集电路原理图
IGD内部集成了比较器和恒流源电路，在IGBT导通无过流或短路状况时，比较器输出低电平，否则，输出高电平。比较器的同相端、反向端分别通过电阻、二极管电容连接到IGBT的集电极和发射极，检
测Vce的变化。其中1.4 mA的恒流源经外接电容C a、电阻R m和两只串联的二极管D m连接到IGBT集电极。当IGBT导通时，集电极电压降低，二极管D m将导通，恒流源经IGBT的E极，此时比较器同相端电位为
c e
D
V
V
R
V+
+
×
×
=−
+m
3
手指灯10
4.110ce (1)
式中，R m=180 Ω，V D=1.2 V。
反相端电位则由外接电阻R th确定，
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t h
t h
10
5.1−
×
×
=R
V10
th th (2)
当IGBT过流或短路，集电极电压V ce
上升，比较器的同相端电位上升，当其高于反相端的电位时，比较器输出高电平，保护电路将关断IGBT。保护门限电位由外接电阻决定，该电阻确定公式为：
=
R
t h th
由于电流源不易受干扰，采用恒流源电路实施过流保护可增加保护电路的稳定性[3]。
3 驱动器实验
【实验目的】
(1)通过2SD315A外围电路设计，测试脉冲驱动信号发生电路工作性能，验证电路设计方法有效性。
(2)掌握驱动电路测试基本方法。
【实验要求】
(1)设计并搭建IGBT功率开关器件工作主电路。
(2)利用单片机或信号发生器产生PWM信号，测试开关频率，脉冲幅值。
大灯清洗装置(3)PWM驱动电路连接于
IGBT功率器件的G和S 两端，构成完整的 IGBT工作电路，测试脉冲驱动信号频率，幅值，测试IGBT功率器件D和S两端电压波形。
根据电路原理图设计并制作的驱动器的电路板(如图4所示)。
图4 2SD315A模块的驱动器电路板
根据实验要求学生设计了测试驱动电路性能的主电路，将功率器件IGBT接入电感、续流二极管、电源构成的测试回路；采用信号源发生器产生高电平为12V，占空比为80%、频率为1 kHz的PWM信号，接入驱动板PWM信号输入端，开启主电路工作电源，测得驱动器输出的脉冲信号如图5所示。改变输入PWM信
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号的占空比、频率，输出驱动信号也跟随变化，并观察脉冲信号高电平与低电平幅值。学生也可完成IGBT 功率器件D 和S 两端电压波形的测试，观察波形频率及幅值。通过观测脉冲波形可以看出脉冲上升时间短，高电平平稳无抖动，脉冲下降时间快，说明所设计的驱动电路性能优良，能很好实现IGBT 的驱动功能。
图5 驱动器输出脉冲波形L可
4 结语
在学生掌握2SD315A 驱动模块工作原理基础上，
设计基于直接控制方式的驱动接口电路，构成具有工作状态显示、出错报警功能，安全、可靠的驱动器，通过设置驱动性能测试的实验教学环节，学生更进一步认识与掌握2SD315A 模块及外围电路功能，学习驱动电路设计方法和测试方法。试验验证驱动器的性能优良，可将该驱动电路应用于单开关斩波驱动电路或双开关整流器、逆变器单相桥臂的驱动中。参考文献
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Design and Experiment of Driver Based on 2SD315A Module
Li Ping
School of Automation, Beijing Information Science and Technology University, Beijing, 100192, China
Abstract: High power IGBT driver module 2SD315 which has two completely isolated drive circuit, large driving current, and perfect short-circuit, over-current protection and power monitoring function is widely used. Based on the working principle of driving module, the driving interface circuit of direct control mode is designed and developed. The driver can be applied to single switch chopper circuit or double switch rectifier and inverter bridge arm, and the driver is proved to be safe and reliable by experiment. Key words: module; driver; circuit; application
The Construction of Virtual Experiment Platform for
the Principle of Automatic Control Based on LabVIEW and Physical Model in MatLab
Wang Qingfeng, Xie Tianyu
College of Electronic Science and Engineering, Jilin University, Changchun, 130012, China
Abstract: On the basis of problems encountered in teaching of the Principle of Automatic Control in non-automation colleges of universities and the need of practice teaching revolution, a virtual simulation experiment platform is constructed in this paper. Using LabVIEW we can program the user interface, reading data from outside, real-time monitoring the model simulating, modify the parameters online and model of connection and conduct remote experiments. Using the Simulink/Simscape component libraries and virtual experiment instruments in the field of the electronic, mechanical, and electromagnetic and so on, a physical model of the control system can be built. It can stimulate the students' interest in learning, and raise the innovative consciousness and creative ability.Key words: principle of automatic control; virtual simulation; LabVIEW; MatLab
(上接3页)参考文献
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