基于1ED020I12FA的汽车级IGBT模块驱动电路
基于1ED020I12FA的汽车级IGBT模块驱动电路
Automotive Gate Driver circuit base on 1ED020I12FA
荣睿英飞凌集成电路（北京）有限公司
何耀华英飞凌科技（中国）有限公司
来源:电子产品世界
关键词：1ED020I12FA，电动汽车，门极驱动电路，IGBT短路保护，电压尖峰抑制，有源电压箝位
摘要：本文设计一套基于英飞凌1ED020I12FA的汽车级IGBT模块驱动电路。所有电子原件全部采用符合AEC-Q100/101/200汽车认证的产品，使之满足EV/HEV的需要。包括电路功能说明、layout要点、重点器件的计算选型方法、电路使用注意事项以及整套电路完整料号的材料清单。
1 电路结构框图
本设计采用模块化设计，主要分为低压信号模块电路，驱动输出高压电路，和IGBT电路，主要IC 为英飞凌1ED020I12FA，IGBT为英飞凌HybridPACK2。图1以U相为例介绍总图结构。
图1：电路结构框图
2．1ED020I12FA及其低压信号部分电路相关说明
图2：1ED020I12FA及其低压信号部分电路
2.1 功能说明
如图2半桥的上臂和下臂各用一片1ED，IN+作为PWM信号的输入脚与对应的另一个1ED芯片的IN-连接作为互锁，硬件上没有包含死区电路。RDY和FLT脚连在一起经过与门送出一个总故障，4,7k 上拉电阻和10n电容保证信号的可靠性和抗干扰能力，与门输出放一个0603封装LED作为故障指示，方便试验和调试，没有实际的电气作用。RST引脚经过各自的RC滤波电路后连接在一起，共用一个总复位。
2.2 PCB layout要点
RST，RDY和FLT作为敏感信号容易受到干扰而误动作，因此需把滤波电容放在贴近芯片引脚的位置。RDY和FLT的引线要尽量短，后面的与门是个只有TSSOP5封装的IC，非常容易放在芯片附近。图中C5，C9应尽量贴近18脚和20脚。
3．1ED020I12FA输出部分电路相关说明
图3：1ED020I12FA输出部分电路
3.1 功能说明
如图3为了适应HybridPACK2开关要求，选择开通电阻大约2.5欧，关断电阻3欧的设计，因此需要采用push-pull结构放大门极峰值电流。采用有源电压箝位电路防止关断IGBT时的Vce过冲导致IGBT失效。同时使用三极管作为推挽结构，可以有效的增强有源电压箝位对电压尖峰的抑制效果，具体见参考文献1。D1,D6作为箝位二极管，对敏感信号进行保护。D9，D11箝位门极电压以防门极电压过高而击穿。
3.2 PCB layout要点
门极电阻布置见图4，因为需要较好散热所以选用电阻并联再串联的方式，方便布局布线和散热。
图4 门极电阻的布置
图3中粗线部分会走过较大电流，母线宽度大于1mm，尽量宽一些。D3,D4,D5,D8承受Vce电压，
所以应使C点到R10和R13保持足够的距离，以防爬电。D12应靠近IGBT模块GE引脚，起到最好的吸收效果。D1,D6靠近芯片Desat引脚。
3.3 重点器件选型
C10作为控制保护延迟时间的重要电容，应选择C0G材料的电容，建议根据系统响应情况，选择100p左右的电容，考虑对未来后续版本1ED020I12FA2的使用，可以选择200p左右的电容，前提是IGBT保护的延迟时间应小于10us。D1,D6,D17因箝位电流较小，选用英飞凌的BAT165。D7,D9,D10冲击电流较大选用了Vishay的ES1PDHM3。R11,R12,R13作为限流电阻需根据系统实际情况进行短路测试后选定合适的值。门极电阻功率根据公式1进行计算，详见参考文献3。按照最大15kHz开关频率计算，门极电阻功率约为2.2W，按照1/3标称功率选择7个2010的1W高功率电阻平分热量。经过计算得到R1,R18,R20值为3.9欧，总功率2.2W时每个电阻耗散功率0.31W，R14,R16,R19,R21值为6.8欧，总功率2.2W时每个电阻耗散功率0.31W。在正电源和负电源端各并联两个4.7uF X7R 的电容，以保证供电平稳。
公式1
4．IGBT周边电路相关说明
IGBT周边电路较为简单，选择10k电阻保证IGBT不会误开通。对NTC信号进行简单处理送至MCU 板做进一步处理。
图5：IGBT模块周边电路
5测试结果
如图5图6，分别是IGBT在开通和关断时的波形，测试条件是直流母线250V，逆变器输出交流有效值200Arms。
图5：IGBT 开通波形
图6：IGBT关断波形
参考文献：
1荣睿,何耀华.具有有源电压钳位功能的电动汽车IGBT驱动电路设计与研究.电子产品世界,2012.11
2 DataSheet_1ED020I12FTA , Infineon Technologies AG.
3 AN2011-03 Hybrid kit for HybridPACK 2 , Infineon Technologies AG.