一種專(zhuān)為IGBT和MOSFET設計的驅動(dòng)器

關(guān)鍵詞：驅動(dòng)電路；IGBT；功率MOSFET；中頻電源；臭氧發(fā)生器

電力電子器件的驅動(dòng)電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子裝置的重要環(huán)節，對整個(gè)裝置的性能有很大的影響。采用性能良好的驅動(dòng)電路可使電力電子器件工作在比較理想的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，同時(shí)可縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間，減少開(kāi)關(guān)損耗，這對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。

驅動(dòng)電路的常用形式是由分立元件構成的驅動(dòng)電路，但目前的趨勢是采用專(zhuān)用的集成驅動(dòng)電路。ＳＣＡＬＥ集成驅動(dòng)器就是由瑞士ＣＯＮＣＥＰＴ公司生產(chǎn)的、專(zhuān)為ＩＧＢＴ和電力ＭＯＳＦＥＴ提供驅動(dòng)的電路。它具有多功能、低成本、易使用、可靠性好等特點(diǎn)。根據實(shí)際應用中對驅動(dòng)性能、驅動(dòng)輸出通道數目、隔離等不同要求，ＳＣＡＬＥ集成驅動(dòng)器具有相應的不同型號?因而可滿(mǎn)足不同的需求。

由于各種不同型號的ＳＣＡＬＥ集成驅動(dòng)器在功能、結構和使用方法上大同小異，故本文不針對某種具體型號的ＳＣＡＬＥ器件作敘述，而是對整個(gè)系列的ＳＣＡＬＥ器件的共性進(jìn)行論述，以便使讀者對ＳＣＡＬＥ器件有一個(gè)整體的認識，在應用時(shí)再根據具體的需要選擇具體型號的ＳＣＡＬＥ芯片。本文首先介紹ＳＣＡＬＥ集成驅動(dòng)器的性能特點(diǎn)和內部結構；然后介紹它在中頻ＤＢＤ型臭氧發(fā)生器電源中的應用，并給出了實(shí)驗波形。

１ ＳＣＡＬＥ的性能特點(diǎn)及內部結構

１．１ ＳＣＡＬＥ驅動(dòng)器的性能特點(diǎn)

ＳＣＡＬＥ器件提供的驅動(dòng)電流可達１８Ａ，輸出驅動(dòng)信號的導通電平為＋１５Ｖ，關(guān)斷電平為－１５Ｖ；開(kāi)關(guān)頻率范圍為０～１００ｋＨｚ；具有５００Ｖ～１０ｋＶ的電氣隔離特性；占空比為０～１００％。同時(shí),這種器件內部還帶有短路和過(guò)流保護電路、隔離的狀態(tài)識別電路、電源檢測電路和ＤＣ／ＤＣ開(kāi)關(guān)電源。

１．２ ＳＣＡＬＥ驅動(dòng)器的內部結構

ＳＣＡＬＥ器件的內部結構如圖１所示（兩通道）。

由圖可見(jiàn)?驅動(dòng)器由三個(gè)功能單元組成。

第一個(gè)功能單元是邏輯與驅動(dòng)電路接口（ＬＤＩ），用于驅動(dòng)兩個(gè)通道。當加在輸入端ＩｎＡ和ＩｎＢ的ＰＷＭ信號經(jīng)過(guò)處理后，其驅動(dòng)信息被分別送到每個(gè)驅動(dòng)通道的脈沖變壓器。由于變壓器不易傳輸頻率范圍和占空比都比較寬的ＰＷＭ信號，因此，ＬＤＩ主要用來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。ＬＤＩ的主要功能如下：

（１） 為用戶(hù)提供一個(gè)簡(jiǎn)單的接口。它的兩個(gè)信號輸入端都有施密特觸發(fā)電路；

（２） 提供簡(jiǎn)單的邏輯電源接口；

（３） 在半橋方式中產(chǎn)生死區時(shí)間；

（４） 對ＰＷＭ信號進(jìn)行編碼，以便通過(guò)脈沖變壓器傳輸；

（５） 評估脈碼狀態(tài)識別信號及隨后的緩沖，以便為用戶(hù)提供一個(gè)準靜態(tài)的識別信號。

ＳＣＡＬＥ驅動(dòng)器可與任何邏輯接口和電平兼容，無(wú)須附加其它電路。脈沖變壓器負責驅動(dòng)信號的隔離，同時(shí)可將來(lái)自每個(gè)通道的信息反饋給ＬＤＩ。

第二個(gè)功能單元是智能門(mén)極驅動(dòng)器（ＩＧＤ）。對應于每個(gè)驅動(dòng)通道都有一個(gè)ＩＧＤ。其主要功能如下：

（１）接受來(lái)自脈沖變壓器的脈碼信號，并將其復原成ＰＷＭ信號；

（２）對ＰＷＭ信號進(jìn)行放大，并驅動(dòng)功率管；

（３）對功率器件進(jìn)行短路及過(guò)流保護；

（４）欠壓監測；

（５）產(chǎn)生響應和關(guān)斷時(shí)間；

（６）傳輸狀態(tài)識別信號給ＬＤＩ。

第三個(gè)功能單元是集成ＤＣ／ＤＣ電源。所有標準的ＳＣＡＬＥ驅動(dòng)器都有一個(gè)ＤＣ／ＤＣ變換器，以便為各個(gè)驅動(dòng)通道提供工作電源。因此，該驅動(dòng)器只需一個(gè)穩定的１５Ｖ直流電源。

２?。樱茫粒蹋膨寗?dòng)器的應用

ＳＣＡＬＥ集成驅動(dòng)器是專(zhuān)為ＩＧＢＴ和電力ＭＯＳＴＥＴ而設計的驅動(dòng)器，可應用于多種電力電子裝置或設備。在應用ＳＣＡＬＥ驅動(dòng)器時(shí)，應首先考慮以下三個(gè)問(wèn)題：第一是工作方式的選擇；第二是驅動(dòng)器工作電平和門(mén)限電阻Ｒｔｈ的確定；第三是故障狀態(tài)信號與控制電路的接口。

２．１ 工作方式的選擇

ＳＣＡＬＥ驅動(dòng)器有兩種工作方式：直接和半橋方式。直接方式的連線(xiàn)圖如圖２所示。該方式下，ＭＯＤ輸入端接ＶＣＣ，ＲＣ１和ＲＣ２接地，ＰＷＭ信號同時(shí)接ＩＮＡ和ＩＮＢ， ＳＯ１和ＳＯ２引出兩個(gè)狀態(tài)反饋信號。

當驅動(dòng)器工作在直接方式時(shí)，驅動(dòng)器的驅動(dòng)通道之間沒(méi)有聯(lián)系，兩個(gè)通道總是同時(shí)被驅動(dòng)。死區時(shí)間由控制電路確定。半橋方式的連線(xiàn)圖如圖３所示。在該方式下，ＭＯＤ輸入端接地，ＩＮＡ輸入ＰＷＭ信號，ＩＮＢ輸入使能信號。由于兩個(gè)狀態(tài)輸出端ＳＯ１和ＳＯ２接在一起，所以?xún)蓚€(gè)驅動(dòng)通道輸出同一故障信號。死區時(shí)間由ＲＣ１和ＲＣ２的外接電路來(lái)確定。

２．２ 邏輯電平的確定及Ｒｔｈ的計算

該邏輯電平可由驅動(dòng)器的ＶＬ／Ｒｅｓｅｔ輸入端來(lái)確定。ＶＬ／Ｒｅｓｅｔ端的電壓值決定了輸入ＩｎＡ和ＩｎＢ施密特觸發(fā)器的觸發(fā)上限電平為２ＶＬ／３，下限觸發(fā)電平為ＶＬ／３。由于輸入端ＩｎＡ、ＩｎＢ具有施密特觸發(fā)特性，所以ＳＣＡＬＥ驅動(dòng)器能處理５～１５Ｖ之間的任何邏輯電平，也就是說(shuō)：控制電路與ＳＣＡＬＥ驅動(dòng)器之間可以不附加其它電路。圖２和圖３分別給出了ＴＴＬ電平和１５Ｖ電平時(shí)，ＶＬ／Ｒｅｓｅｔ端的連線(xiàn)圖。

圖5 SCALE驅動(dòng)接線(xiàn)圖（半橋方式）

電阻Ｒｔｈ的作用是用來(lái)定義當功率管導通時(shí)的最大管壓降，它和其它元件一起構成了Ｖｃｅ監測電路。當功率管導通時(shí)的管壓降大于由Ｒｔｈ定義的最大管壓降時(shí)，Ｖｃｅ監測電路便輸出故障報警信號，并關(guān)斷功率管。Ｒｔｈ的計算公式為：

Ｒｔｈ＝Ｖｔｈ／１５０μＡ。

式中，Ｖｔｈ為關(guān)斷閾值電壓，１５０μＡ為驅動(dòng)器內置電流源。

２．３ 故障狀態(tài)輸出

狀態(tài)輸出采用的是集電極開(kāi)路形式，以便與其它邏輯電平匹配。輸出時(shí)須接上拉電阻。當電源電壓低于１０Ｖ時(shí)?ＩＧＤ執行欠壓保護功能?輸出負門(mén)極電壓可關(guān)斷功率管并輸出故障報告；當Ｖｃｅ監測電路檢測到短路或過(guò)電流時(shí)，ＩＧＤ執行短路或過(guò)流保護功能，此時(shí)關(guān)斷功率管的輸出為故障報告信號。ＳＣＡＬＥ器件在檢測到電路故障時(shí)，其封鎖時(shí)間為１ｓ左右。驅動(dòng)器一旦被檢測到有故障，輸出晶體管將被拉低，而在正常情況下，晶體管輸出高電平。

３ 在中頻ＤＢＤ型臭氧發(fā)生器中的應用

圖４所示是一個(gè)中頻ＤＢＤ型臭氧發(fā)生器電源系統的原理框圖。圖中，整個(gè)電源系統可分為主電路、控制電路和驅動(dòng)電路，主電路包括整流電路和逆變電路；控制電路主要包括ＰＷＭ控制電路、晶閘管智能模塊觸發(fā)控制電路、保護電路和軟啟動(dòng)電路。其中整流電路采用三相全控整流電路，逆變電路則采用全橋結構。驅動(dòng)電路采用ＳＣＡＬＥ集成驅動(dòng)器，型號為２ＳＤ３１５Ａ，采用的工作方式為半橋工作方式，接線(xiàn)圖如圖５所示。圖中只給出一塊驅動(dòng)器的接線(xiàn)圖，另一塊可用相同的方法連接。

２ＳＤ３１５Ａ具有兩個(gè)驅動(dòng)通道，因而此系統需要兩個(gè)２ＳＤ３１５Ａ集成驅動(dòng)器，一個(gè)ＳＣＡＬＥ驅動(dòng)器可驅動(dòng)同一橋臂的上下兩功率管，工作波形如圖６所示。ＰＷＭ控制電路采用ＳＧ３５２５集成芯片。ＳＧ３５２５產(chǎn)生的ＰＷＭ波形經(jīng)ＳＣＡＬＥ驅動(dòng)器后可輸出Ｇ１和Ｇ２門(mén)極驅動(dòng)信號。圖中Ｇ１和Ｇ２分別為同一橋臂上下管的門(mén)極驅動(dòng)信號，它們之間有死區時(shí)間。另一橋臂上下兩管的驅動(dòng)信號在時(shí)序關(guān)系上與Ｇ１、Ｇ２相同。全橋逆變器的功率管采用ＩＧＢＴ，在工作時(shí)，全橋結構中的斜對管將同時(shí)導通或關(guān)斷。另外，由于ＳＣＡＬＥ集成驅動(dòng)器能處理５～１５Ｖ之間的任何邏輯電平，故可使驅動(dòng)電路與控制電路的接口得到簡(jiǎn)化，同時(shí)ＳＧ３５２５芯片與２ＳＤ３１５Ａ間也無(wú)需電平轉換電路。

４　結束語(yǔ)

實(shí)踐證明，在中頻ＤＢＤ型臭氧發(fā)生器電源中，驅動(dòng)電路采用ＳＣＡＬＥ集成驅動(dòng)器后，驅動(dòng)電路結構變得更為簡(jiǎn)單、功能更加強大、可靠性更高。與ＩＰＭ相比，ＳＣＡＬＥ驅動(dòng)器只需極少的外圍電路，但能提供更靈活的開(kāi)關(guān)特性，而且還可以靈活的選擇Ｖｃｅ檢測電路?？梢灶A見(jiàn)：ＳＣＡＬＥ驅動(dòng)器將以其優(yōu)良的性能在電力電子裝置中得到廣泛的應用。