IGBT智能化驅動(dòng)板SCALE

關(guān)鍵詞：IGBT；驅動(dòng)模塊；SCALE

１　概述

由于ＩＧＢＴ（絕緣柵雙極性晶體管）是一種電壓控制型功率器件，它所需驅動(dòng)功率小，控制電路簡(jiǎn)單，導通壓降低，且具有較大的安全工作區和短路承受能力。因此，目前ＩＧＢＴ已在中功率以上的電力電子系統中（如變頻器、ＵＰＳ電源、高頻焊機等）逐漸取代了ＰＯＷＥＲ ＭＯＳＦＥＴ及ＰＯＷＥＲ ＢＪＴ而成為功率開(kāi)關(guān)元件市場(chǎng)中的重要一員。然而?如何有效地驅動(dòng)并保護ＩＧＢＴ則成為目前電力電子領(lǐng)域中的重要研究課題之一。一個(gè)具有保護功能的驅動(dòng)電路不但能在正常工作狀態(tài)下給ＩＧＢＴ提供所需的驅動(dòng)功率，在異常工作狀態(tài)下能起保護ＩＧＢＴ的作用，而且應當能使電力電子系統中的ＩＧＢＴ有很好的替換特性。因此?高性能的驅動(dòng)電路是提高電子產(chǎn)品品質(zhì)和可靠性，從而增強其競爭力的關(guān)鍵之一。本文介紹一種高性能、智能化的ＩＧＢＴ驅動(dòng)板ＳＣＡＬＥ。

圖1

２　功能介紹

ＳＣＡＬＥ驅動(dòng)板系列是瑞士Ｃｏｎｃｅｐｔ公司生產(chǎn)的，Ｃｏｎｃｅｐｔ公司是專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)ＩＧＢＴ驅動(dòng)電路的公司，主要為西門(mén)子／ＥＵＰＥＣ高壓大電流ＩＧＢＴ模塊配套。該ＳＣＡＬＥ驅動(dòng)板采用ＡＳＩＣ設計，僅用１５Ｖ電源驅動(dòng)，開(kāi)關(guān)頻率可大于１００ｋＨｚ，且具有高可靠和長(cháng)壽命特性，可驅動(dòng)１７００Ｖ、１２００Ａ的ＩＧＢＴ。１９９８年度贏(yíng)得ＡＢＢ優(yōu)秀電力電子項目稱(chēng)號，其主要型號和驅動(dòng)能力如表１所列。

表1 SCALE的主要型號和驅動(dòng)能力

２．１ ＳＣＡＬＥ的特點(diǎn)

●實(shí)用范圍寬?可應用在數千瓦至數兆瓦的功率范圍及實(shí)用的耐壓要求范圍內，幾乎可工作在所有的頻率及調制模式，適用于任何廠(chǎng)家的模塊。

●體積小巧、結構緊湊、應用靈活，具有直接和半橋模式可供選擇。在半橋模式下，可選用所要求的死區時(shí)間。

●成本低，具有很高的性能／價(jià)格比。除可提供柵極驅動(dòng)外，還具有檢測狀況顯示及電源隔離等功能，是一種可滿(mǎn)足市場(chǎng)所有要求的、最經(jīng)濟實(shí)用的驅動(dòng)板。

●使用簡(jiǎn)便。該驅動(dòng)板的電接口非常簡(jiǎn)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(méi)有特殊要求。故障傳送使用集電極開(kāi)路輸出，可與常用的邏輯電平相兼容。因為驅動(dòng)板具有所有智能化驅動(dòng)功能，且驅動(dòng)信號、狀態(tài)傳送及電源與功率部分完全隔離，所以使用非常簡(jiǎn)單。在大多數情況下，用智能化ＳＣＡＬＥ驅動(dòng)板來(lái)驅動(dòng)標準ＩＧＢＴ模塊，比使用智能化ＩＧＢＴ模塊（ＩＰＭ）更加簡(jiǎn)便，也更加靈活。

２．２ ＳＣＡＬＥ的主要功能

ＳＣＡＬＥ由電子接口ＬＤＩ 、智能柵極驅動(dòng) ＩＧＤ和１５Ｖ ＤＣ／ＤＣ電源組成，其原理方框圖如圖１所示。由圖可見(jiàn)，該驅動(dòng)板主要有兩個(gè)功能塊。其中功能塊＃１為ＬＤＩ（邏輯與驅動(dòng)之間的接口），每一個(gè)ＬＤＩ可驅動(dòng)兩路。加在輸入端的ＰＷＭ信號再通過(guò)脈沖變壓器隔離后，即可輸出驅動(dòng)信號，以驅動(dòng)ＩＧＢＴ工作。

功能塊＃２為ＩＧＤ（智能柵極驅動(dòng)），該功能塊工作時(shí)，每路用一個(gè)ＩＧＤ從脈沖變壓器接收編碼脈沖信號，然后解碼出原始的ＰＷＭ信號。再經(jīng)功放，便可給ＩＧＢＴ柵極提供數安培的驅動(dòng)電流。

（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(jiǎn)單地通過(guò)變壓器傳送。為此，ＳＣＡＬＥ配備了ＬＤＩ００１邏輯驅動(dòng)接口，ＬＤＩ００１的結構如圖２所示，它具有以下功能：

●可為用戶(hù)提供一個(gè)簡(jiǎn)單的接口，兩個(gè)信號輸入端都具有施密特觸發(fā)器特性；

●與５Ｖ、１５Ｖ的邏輯電平相匹配。

●產(chǎn)生半橋所需的死區時(shí)間；

●對ＰＷＭ信號進(jìn)行編碼，以使其可通過(guò)脈沖變壓器傳送；

●識別編碼傳送的狀態(tài)通知信號并放大，以為用戶(hù)提供一個(gè)準靜態(tài)的狀態(tài)信號。

圖2

ＳＣＡＬＥ驅動(dòng)器可不加任何元件而直接與邏輯電路相連，也可通過(guò)較長(cháng)的電纜相連。這種情況下，為了獲得較高的信躁比，應使用１５Ｖ電平。同時(shí)應通過(guò)外接的ＲＣ網(wǎng)絡(luò )來(lái)獲得所要求的死區時(shí)間。

（２） 驅動(dòng)塊ＩＧＤ００１

ＩＧＤ００１具有所有必需的智能驅動(dòng)功能，如變壓器接口、過(guò)載和短路保護、鎖定時(shí)間邏輯、狀態(tài)通知、對電源電壓和輸出級的監測等。

ＩＧＤ驅動(dòng)塊的內部結構框圖如圖３所示，該驅動(dòng)塊主要用于完成如下功能：

●對從脈沖變壓器接收的編碼信號進(jìn)行解碼；

●用功放ＰＷＭ信號驅動(dòng)ＩＧＢＴ；

●監測ＩＧＢＴ的過(guò)載和短路；

●監測欠壓；

●產(chǎn)生響應時(shí)間和鎖定時(shí)間；

●給控制器（ＬＤＩ００１）發(fā)出狀態(tài)通知信號。

智能驅動(dòng)塊ＩＧＤ００１所有的保護、監測功能（如過(guò)流、短路保護和欠壓保護）都置于次級。這樣，在出現故障時(shí)，電路將立即被關(guān)閉并鎖定。

圖3

（３） ＳＣＡＬＥ驅動(dòng)塊的保護功能

ＳＣＡＬＥ的保護主要包括短路和過(guò)流以及電源監測。對于短路和過(guò)流保護來(lái)說(shuō)，ＳＣＡＬＥ驅動(dòng)中的每路都有一個(gè)Ｖｃｅ監測電路。Ｒｔｈ為關(guān)斷閾值的參考電阻。在ＩＧＢＴ開(kāi)通后的一段響應時(shí)間內，Ｖｃｅ監測電路不起作用。而當Ｖｃｅ出現故障后，鎖定時(shí)間功能開(kāi)始啟動(dòng)，并在鎖定時(shí)間內使驅動(dòng)器鎖定ＩＧＢＴ，而不再接受輸入信號。模塊中的各路都具有自己的鎖定功能，并均由各路的ＬＧＤ００１實(shí)現。一旦Ｖｃｅ超過(guò)由Ｒｔｈ設定的閾值，鎖定將立即啟動(dòng)。

ＳＣＡＬＥ中的每路都具有一個(gè)欠壓監測電路。 當電源電壓降至１０Ｖ或１１Ｖ時(shí)，ＩＧＢＴ將執行負壓關(guān)斷并進(jìn)行故障報警。

３ ＳＣＡＬＥ的主要工作模式

３．１ 直接模式

在直接模式下，各路ＩＧＢＴ將獨立地工作。該模式可用于已產(chǎn)生死區時(shí)間的ＰＷＭ信號的驅動(dòng)，也可用于獨立工作的各路ＩＧＢＴ。將ＭＯＤ輸入與Ｖ相連，ＲＣ１和ＲＣ２接地，即為直接模式。在直接模式下，狀態(tài)輸出ＳＯ１和ＳＯ２分別返回，因此當出現故障時(shí)，可以方便地確定故障出現在那一路。

３．２ 半橋模式

通過(guò)與ＲＣ１和ＲＣ２相連的ＲＣ網(wǎng)絡(luò )可獲得數百納秒的死區時(shí)間。當輸入端Ｂ為低電平時(shí)，兩路ＩＧＢＴ都被關(guān)斷。將ＭＯＤ輸入接地即為半橋模式，輸入ＩＡ為ＰＷＭ輸入，ＩＢ為使能輸入。在ＶＬ／Ｒ輸入端接上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(tài)輸出ＳＯ１和ＳＯ２連接在一起，因此，兩路故障為“或”的關(guān)系。當ＲＣ網(wǎng)絡(luò )為１０ｋΩ／１００ｐＦ時(shí)，死區時(shí)間為５００ｓ。

４　引腳功能

現以ＳＣＡＬＥ中的２ＳＤ３１５Ａ為例，給出該模塊的引腳功能，圖４給出了２ＳＤ３１５Ａ的引腳分布圖。

４．１ 輸入部分引腳功能

ＧＮＤ：電源地；

ＶＤＣ：電源＋１５Ｖ，供ＤＣ／ＤＣ電源使用；

ＶＤＤ：電源＋１５Ｖ，供ＬＤＩ００１使用；

ＶＬ／Ｒ：用來(lái)設置輸入端ＩｎＡ和ＩｎＢ的施密特觸發(fā)器的開(kāi)關(guān)閾值。當輸入信號為加在ＶＬ／Ｒ端電壓的２／３時(shí)，開(kāi)通；為１／３時(shí)關(guān)斷；

ＭＯＤ：模式選擇；

ＩＮＡ：信號輸入端Ａ；

ＩＮＢ：信號輸入端Ｂ；

ＳＯ１：狀態(tài)輸出１；

ＳＯ２：狀態(tài)輸出２；

ＲＣ１：產(chǎn)生＃１路死區時(shí)間的ＲＣ網(wǎng)絡(luò )；

ＲＣ２：產(chǎn)生＃２路死區時(shí)間的ＲＣ網(wǎng)絡(luò )；

ＲＣ端：設置死區時(shí)間的ＲＣ網(wǎng)絡(luò )。

在半橋模式中，將ＲＣ網(wǎng)絡(luò )與各ＲＣ端相連接可確定對應各路的死區時(shí)間。死區時(shí)間隨溫度可能有很小的漂移。所接電阻不允許小于５ｋΩ。ＲＣ網(wǎng)絡(luò )必須要按圖連接，并將電阻與ＶＣＣ連接，電容接地。表２給出了ＲＣ網(wǎng)絡(luò )與死區時(shí)間的對應關(guān)系。

表2 RC網(wǎng)絡(luò )與死區時(shí)間

４．２ 輸出部分引腳功能

Ｇ端（柵極）:與ＩＧＢＴ柵極相連，并用１５Ｖ驅動(dòng)。

Ｅ端（發(fā)射極）:與ＩＧＢＴ發(fā)射極直接相連，且連線(xiàn)應盡可能地短。

Ｃ端（集電極）:用來(lái)檢測開(kāi)通時(shí)ＩＧＢＴ的電壓降，因此?必須直接與ＩＧＢＴ集電極相連。對于１２００Ｖ和１３００Ｖ模塊，應用２個(gè)或３個(gè)１Ｎ４００７二極管來(lái)滿(mǎn)足１４０％的耐壓要求。使用普通高壓二極管即可，一般不需用高壓快恢復二極管。

Ｒｔｈ端（參考電阻）：通過(guò)接在Ｒｔｈ端的參考電阻可確定ＩＧＢＴ的保護關(guān)斷閾值。Ｅ端的參考電位、參考電阻必須盡可能地靠近ＩＧＢＴ模塊。當Ｃ端的電壓超過(guò)Ｒｔｈ端的電壓時(shí)，將啟動(dòng)ＩＧＢＴ保護功能。此時(shí)電流源將提供１５０μＡ的電流。

參考電阻值可通過(guò)下列公式來(lái)計算：

Ｒｔｈ＝Ｖｔｈ／１５０μＡ

若Ｖｔｈ為５．８５Ｖ時(shí)，Ｒｔｈ應選擇３９ ｋΩ的電阻。

５ 結束語(yǔ)

智能化ＩＧＢＴ驅動(dòng)板ＳＣＡＬＥ具有驅動(dòng)能力強、可靠性高、具有多種保護功能等特點(diǎn)，它不但能在正常工作狀態(tài)下給ＩＧＢＴ提供所需的驅動(dòng)功率；而且可在異常工作狀態(tài)下保護ＩＧＢＴ，同時(shí)還能使電力電子系統中的ＩＧＢＴ有很好的替換特性。因此，使用高性能的驅動(dòng)電路板ＳＣＡＬＥ是提高電子產(chǎn)品品質(zhì)和可靠性，從而增強其競爭力的關(guān)鍵之一。