SCALE系列集成IGBT驅(qū)動電路的性能特點

  1. SCALE系列集成IGBT驅(qū)動電路的性能特點
  SCALE系列集成驅(qū)動器是由瑞士CONCEPT公司生產(chǎn)的專門用于驅(qū)動IGBT和功率MOSFET的功率器件的集成驅(qū)動器，SCALE系列集成IGBT驅(qū)動器采用ASIC設(shè)計，僅用15V電源驅(qū)動，開關(guān)頻率大于100kHz，并具有多功能、低成本、易使用、高可靠性和長壽命等特點。根據(jù)實際應(yīng)用中對驅(qū)動性能，驅(qū)動輸出通道數(shù)目、隔離等的不同要求，
  SCALE系列集成IGBT驅(qū)動器具有相應(yīng)的不同型號，可滿足不同的需求，SCALE系列集成驅(qū)動器可驅(qū)動1700V、1200A的IGBT模塊，其主要型號和驅(qū)動能力見下表。
表1  SCALE系列集成IGBT驅(qū)動器SCALE系列集成IGBT驅(qū)動器表
   SCALE系列集成IGBT驅(qū)動器的性能特點如下：
  ①適用范圍寬?？蓱?yīng)用在數(shù)干瓦至數(shù)兆瓦的功率范圍及耐壓要求范圍內(nèi)，幾乎可工作于所有的頻率及調(diào)制模式下，適用于任何廠家生產(chǎn)的功率模塊。
  ②體積小巧、結(jié)構(gòu)緊湊、應(yīng)用靈活，具有直接和半橋兩種模式可供選擇。在半橋模式下可選用所要求的死區(qū)時間。
  ③成本低，具有很高的性能價格比。除可提供柵極驅(qū)動外，還具有檢測狀只顯示及電源隔離等功能，是一種可滿足市場所有要求的、*經(jīng)濟實用的驅(qū)動板。
  ④使用簡便。該驅(qū)動板的電接口非常簡單，可處理5-15V電平的標準邏輯信號，具有施密特觸發(fā)器輸入特性，且對輸入信號沒有特殊要求。故障傳送使用集電極開路輸出，可與常用的邏輯電平相兼容，因為驅(qū)動板具有所有智能化驅(qū)動功能，且驅(qū)動信號、狀態(tài)傳送及電源與功率部分完全隔離，所以使用起來非常簡單。在大多數(shù)情況下，用智能化SCALE驅(qū)動板來驅(qū)動標準IGBT模塊比使用智能化IGBT模塊(IPM)更加簡便，也更加靈活。
  SCALE系列集成驅(qū)動器內(nèi)部由輸入處理電路、驅(qū)動輸出電路、短路和過流保護電路、隔離狀態(tài)識別電路、電源檢測電路和DC/DC開關(guān)電源構(gòu)成。SCALE系列集成驅(qū)動器提供的驅(qū)動電流可達18A，輸出驅(qū)動信號的導通電平為+15V，關(guān)斷電平為-15V，開關(guān)工作頻率范圍為0-100kHz；具有500V-10kV的電氣隔離特性，占空比為0-100%。
  DC/DC轉(zhuǎn)換電路的功能是將輸入部分與工作部分進行隔離。輸入處理電路由LDI001及其外圍電路組成。由于控制電路產(chǎn)生的PWM信號不能直接通過脈沖變壓器，特別是當脈沖信號的頻率和占空比變化較大時尤為困難。LDI001就是專門為此而設(shè)計的，此專用集成電路的功能主要是對輸入的PWM信號進行編碼，以使其可通過脈沖變壓器講行傳輸。
  由于該器件內(nèi)部帶有施密特觸發(fā)器，因此對輸入端信號無特殊的邊沿陡度要求，并能提供
準靜態(tài)的狀態(tài)信號反饋。將其設(shè)計為集電極開路方式，可以適應(yīng)任何電平邏輯，并可直接產(chǎn)生死區(qū)時間、以上優(yōu)點使得接口既易用又靈活，從而省量了其他專用電路所必需的許多外圍元器件。
  驅(qū)動輸出及邏輯保護電路的核心芯片是LDI001。它將變壓器接口、過流及短路保護、阻斷邏輯生成、反饋狀態(tài)記錄、供電監(jiān)視和輸出階段識別等功能都集成在一起。每個通道設(shè)有一個智能門驅(qū)動器IGD，其具體功能是對脈沖變壓器傳來的PWM信號進行解碼和功率放大，對IGBT進行短路保護、過流保護及電源的欠壓檢測保護，并向LDI反饋狀態(tài)，以產(chǎn)生短路保護的響應(yīng)時間和阻斷時間等。
 
  2. SCALE系列集成IGBT驅(qū)動器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
  SCALE系列集成驅(qū)動器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示(兩通道)。由此可見，驅(qū)動器由3個功能單元組成、**個功能單元是邏輯與驅(qū)動電路接口(LDI)，用于驅(qū)動兩個通道。當加在輸入端INA和INB的PWM信號經(jīng)過處理后，其驅(qū)動信息被分別送到每個驅(qū)動通道的脈沖變壓器。因為PWM信號的頻率和占空比變化較大，所以不能簡單地通過變壓器傳送。為此，SCALE系列集成驅(qū)動器配備LDI001邏輯驅(qū)動接口，二個功能單元是智能柵極驅(qū)動器(IGD)，對應(yīng)于每個驅(qū)動通道都有一個IGD。第三個功能單元是集成DC/DC變換器。所有標準的SCALE驅(qū)動器都有一個DC/DC變換器，以便為各個驅(qū)動通道提供工作電源。因此，該驅(qū)動器只需一個穩(wěn)定的15V直流電源。
 
SCALE系列集成IGBT驅(qū)動器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 
  (1)電子接口LDI001
  因為PWM信號的頻率和占空比變化較大，所以不能簡單地通過變壓器傳送，為此，SCALE驅(qū)動器配備了LDI001邏輯驅(qū)動接口。LDI001的結(jié)構(gòu)如下圖所示，它具有如下功能。
  ①為用戶提供一個簡單的接口，兩個信號輸入端都具有施密特觸發(fā)器特性。
  ②與5V、15V的邏輯電平相匹配。
  ③產(chǎn)生半橋所需的死區(qū)時同。
  ④對PWM信號進行編碼，以使其可通過脈沖變壓器傳送。
  ⑤識別脈沖編碼器傳送的編碼信號并予以放大，以為用戶提供一個準靜態(tài)的狀態(tài)信號。
  SCALE IGBT驅(qū)動器可不加任何元器件而直接與邏輯電路相連，也可通過較長的電纜相連。脈沖變壓器負責驅(qū)動信號的隔離，同時可將來自每個通道的信息反饋給LDI，在這種情況下，為了獲得較高的倍噪比，應(yīng)使用15V電平，同時，應(yīng)通過外接的RC網(wǎng)絡(luò)來獲得所要的死區(qū)時間。
 
  (2)智能柵極驅(qū)動器IGD
  SCALE驅(qū)動器的二個功能單元IGD具有所有必需的智能驅(qū)動功能，如變壓器接口、過載和短路保護、鎖定時間邏輯、狀態(tài)識別、對電源電壓和輸出級的監(jiān)測等。IGD驅(qū)動器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。該驅(qū)動器主要用于完成如下功能。
  ①接受來自脈沖變壓器的脈沖信號，對從脈沖變壓器接收的編碼信號進行解碼，并將其復原成PWM信號。
  ②對PWM信號進行放大，用功率放大后的PWM信號驅(qū)動IGBT。
  ③監(jiān)測IGBT的過載和短路。
  ④欠壓監(jiān)測。
  ⑤產(chǎn)生響應(yīng)和鎖定時間。
  ⑥傳輸狀態(tài)識別信號給LDI，接收LDI發(fā)出的狀態(tài)信號。
  智能驅(qū)動塊IGD所有的保護、監(jiān)測功能(如過流、短路保護和欠壓保護)都置于次級。這樣在出現(xiàn)故障時，電路將立即被關(guān)閉并鎖定。
  SCALE驅(qū)動器的保護功能主要包括短路保護、過流保護以及電源監(jiān)測。對于短路和過流保護來說，SCALE驅(qū)動器中的每一路都有一個UCE監(jiān)測電路。Rth為關(guān)斷閾值的參考電阻。在IGBT開通后的一段響應(yīng)時間內(nèi)，UCE監(jiān)測電路不起作用；而當UCE出現(xiàn)異常后，鎖定時間功能開始啟動，并在鎖定時間內(nèi)使驅(qū)動器鎖定IGBT，而不再接收輸入信號。模塊中的各路都具有自己的鎖定功能，并均由各路的LGD001實現(xiàn)。-UCE超過由Rth設(shè)定的閾值，鎖定功能將立即啟動。
  SCALE系列集成驅(qū)動器中的每一路都具有個欠壓監(jiān)測電路，當電源電壓降至10V或11V時，IGBT將執(zhí)行負壓關(guān)斷并進行故障報警。
 
  3. SCALE系列集成IGBT驅(qū)動電路的主要工作模式
  (1)直接模式
  若要使SCALE系列集成驅(qū)動器工作任直接模式下，則需將MOD輸入端與V端相連，并將RC1和RC2端接地，各路IGBT將獨立地工作，該模式可用于已產(chǎn)生死區(qū)時間的PWM信號的驅(qū)動，也可用于獨立工作的各路IGBT，在直接模式下，狀態(tài)輸出SO1和SO2分別返回，因此當出現(xiàn)故障時，可以方便地確定故障出現(xiàn)在哪一路。
  
  (2)半橋模式
  若要使SALE系列集成驅(qū)動器工作在半橋模式下，則應(yīng)將MOD輸入端接地。輸入IA為PWM輸入，IB為使能輸入，在VL/R輸入端上接4.7V齊納二極管，可使輸入端IA和IB設(shè)置在TTL電平，由于該模式下的狀態(tài)輸出端SO1和SO2連接在一起，因此，兩路故障為“或”的關(guān)系。在半橋模式下，將RC網(wǎng)絡(luò)與各RC端相連接，可確定對應(yīng)各路的死區(qū)時間，死區(qū)時間隨溫度可能有很小的漂移，通過與RC1和RC2端相連的RC網(wǎng)絡(luò)可獲得數(shù)百納秒的死區(qū)時間。當輸入端IB為低電平時，兩路IGBT都被關(guān)斷。當RC網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)值為10kΩ/100pF時，死區(qū)時間為500ns，所接電阻不允許小于5kΩ。RC網(wǎng)絡(luò)的電阻與Vcc端連接，電容接地。下表給出了RC網(wǎng)絡(luò)與死區(qū)時間的對應(yīng)關(guān)系。
RC網(wǎng)絡(luò)與死區(qū)時間