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SCALE系列集成IGBT驅動電路的性能特點

日期:2021-06-08 02:53
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摘要:北京昊天成技術部 2020.10.28 SCALE系列集成IGBT驅動電路的性能特點
  1. SCALE系列集成IGBT驅動電路的性能特點
  SCALE系列集成驅動器是由瑞士CONCEPT公司生產的專門用于驅動IGBT和功率MOSFET的功率器件的集成驅動器,SCALE系列集成IGBT驅動器采用ASIC設計,僅用15V電源驅動,開關頻率大于100kHz,并具有多功能、低成本、易使用、高可靠性和長壽命等特點。根據實際應用中對驅動性能,驅動輸出通道數目、隔離等的不同要求,
  SCALE系列集成IGBT驅動器具有相應的不同型號,可滿足不同的需求,SCALE系列集成驅動器可驅動1700V、1200A的IGBT模塊,其主要型號和驅動能力見下表。
表1  SCALE系列集成IGBT驅動器SCALE系列集成IGBT驅動器表
   SCALE系列集成IGBT驅動器的性能特點如下:
  ①適用范圍寬??蓱迷跀蹈赏咧翑嫡淄叩墓β史秶澳蛪阂蠓秶鷥?,幾乎可工作于所有的頻率及調制模式下,適用于任何廠家生產的功率模塊。
  ②體積小巧、結構緊湊、應用靈活,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時間。
  ③成本低,具有很高的性能價格比。除可提供柵極驅動外,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、*經濟實用的驅動板。
  ④使用簡便。該驅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,因為驅動板具有所有智能化驅動功能,且驅動信號、狀態傳送及電源與功率部分完全隔離,所以使用起來非常簡單。在大多數情況下,用智能化SCALE驅動板來驅動標準IGBT模塊比使用智能化IGBT模塊(IPM)更加簡便,也更加靈活。
  SCALE系列集成驅動器內部由輸入處理電路、驅動輸出電路、短路和過流保護電路、隔離狀態識別電路、電源檢測電路和DC/DC開關電源構成。SCALE系列集成驅動器提供的驅動電流可達18A,輸出驅動信號的導通電平為+15V,關斷電平為-15V,開關工作頻率范圍為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。
  由于該器件內部帶有施密特觸發器,因此對輸入端信號無特殊的邊沿陡度要求,并能提供
準靜態的狀態信號反饋。將其設計為集電極開路方式,可以適應任何電平邏輯,并可直接產生死區時間、以上優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、反饋狀態記錄、供電監視和輸出階段識別等功能都集成在一起。每個通道設有一個智能門驅動器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,以產生短路保護的響應時間和阻斷時間等。
 
  2. SCALE系列集成IGBT驅動器的內部結構
  SCALE系列集成驅動器的內部結構如下圖所示(兩通道)。由此可見,驅動器由3個功能單元組成、**個功能單元是邏輯與驅動電路接口(LDI),用于驅動兩個通道。當加在輸入端INA和INB的PWM信號經過處理后,其驅動信息被分別送到每個驅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系列集成驅動器配備LDI001邏輯驅動接口,二個功能單元是智能柵極驅動器(IGD),對應于每個驅動通道都有一個IGD。第三個功能單元是集成DC/DC變換器。所有標準的SCALE驅動器都有一個DC/DC變換器,以便為各個驅動通道提供工作電源。因此,該驅動器只需一個穩定的15V直流電源。
 
SCALE系列集成IGBT驅動器的內部結構框圖 
  (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驅動器配備了LDI001邏輯驅動接口。LDI001的結構如下圖所示,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器特性。
  ②與5V、15V的邏輯電平相匹配。
  ③產生半橋所需的死區時同。
  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的狀態信號。
  SCALE IGBT驅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,應使用15V電平,同時,應通過外接的RC網絡來獲得所要的死區時間。
 
  (2)智能柵極驅動器IGD
  SCALE驅動器的二個功能單元IGD具有所有必需的智能驅動功能,如變壓器接口、過載和短路保護、鎖定時間邏輯、狀態識別、對電源電壓和輸出級的監測等。IGD驅動器的內部結構框圖如下圖所示。該驅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信號驅動IGBT。
  ③監測IGBT的過載和短路。
  ④欠壓監測。
  ⑤產生響應和鎖定時間。
  ⑥傳輸狀態識別信號給LDI,接收LDI發出的狀態信號。
  智能驅動塊IGD所有的保護、監測功能(如過流、短路保護和欠壓保護)都置于次級。這樣在出現故障時,電路將立即被關閉并鎖定。
  SCALE驅動器的保護功能主要包括短路保護、過流保護以及電源監測。對于短路和過流保護來說,SCALE驅動器中的每一路都有一個UCE監測電路。Rth為關斷閾值的參考電阻。在IGBT開通后的一段響應時間內,UCE監測電路不起作用;而當UCE出現異常后,鎖定時間功能開始啟動,并在鎖定時間內使驅動器鎖定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。-UCE超過由Rth設定的閾值,鎖定功能將立即啟動。
  SCALE系列集成驅動器中的每一路都具有個欠壓監測電路,當電源電壓降至10V或11V時,IGBT將執行負壓關斷并進行故障報警。
 
  3. SCALE系列集成IGBT驅動電路的主要工作模式
  (1)直接模式
  若要使SCALE系列集成驅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,該模式可用于已產生死區時間的PWM信號的驅動,也可用于獨立工作的各路IGBT,在直接模式下,狀態輸出SO1和SO2分別返回,因此當出現故障時,可以方便地確定故障出現在哪一路。
  
  (2)半橋模式
  若要使SALE系列集成驅動器工作在半橋模式下,則應將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設置在TTL電平,由于該模式下的狀態輸出端SO1和SO2連接在一起,因此,兩路故障為“或”的關系。在半橋模式下,將RC網絡與各RC端相連接,可確定對應各路的死區時間,死區時間隨溫度可能有很小的漂移,通過與RC1和RC2端相連的RC網絡可獲得數百納秒的死區時間。當輸入端IB為低電平時,兩路IGBT都被關斷。當RC網絡的參數值為10kΩ/100pF時,死區時間為500ns,所接電阻不允許小于5kΩ。RC網絡的電阻與Vcc端連接,電容接地。下表給出了RC網絡與死區時間的對應關系。
RC網絡與死區時間

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