IGBT智能化驅(qū)動(dòng)板SCALE
關(guān)鍵詞：IGBT；驅(qū)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(qū)動(dòng)功率小，控制電路簡單，導(dǎo)通壓降低，且具有較大的安全工作區(qū)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(tǒng)中（如變頻器、ＵＰＳ電源、高頻焊機(jī)等）逐漸取代了ＰＯＷＥＲ ＭＯＳＦＥＴ及ＰＯＷＥＲ ＢＪＴ而成為功率開關(guān)元件市場中的重要一員。然而?如何有效地驅(qū)動(dòng)并保護(hù)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(hù)功能的驅(qū)動(dòng)電路不但能在正常工作狀態(tài)下給ＩＧＢＴ提供所需的驅(qū)動(dòng)功率，在異常工作狀態(tài)下能起保護(hù)ＩＧＢＴ的作用，而且應(yīng)當(dāng)能使電力電子系統(tǒng)中的ＩＧＢＴ有很好的替換特性。因此?高性能的驅(qū)動(dòng)電路是提高電子產(chǎn)品品質(zhì)和可靠性，從而增強(qiáng)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(qū)動(dòng)板ＳＣＡＬＥ。
圖1
２ 功能介紹
ＳＣＡＬＥ驅(qū)動(dòng)板系列是瑞士Ｃｏｎｃｅｐｔ公司生產(chǎn)的，Ｃｏｎｃｅｐｔ公司是專業(yè)生產(chǎn)ＩＧＢＴ驅(qū)動(dòng)電路的公司，主要為西門子／ＥＵＰＥＣ高壓大電流ＩＧＢＴ模塊配套。該ＳＣＡＬＥ驅(qū)動(dòng)板采用ＡＳＩＣ設(shè)計(jì)，僅用１５Ｖ電源驅(qū)動(dòng)，開關(guān)頻率可大于１００ｋＨｚ，且具有高可靠和長壽命特性，可驅(qū)動(dòng)１７００Ｖ、１２００Ａ的ＩＧＢＴ。１９９８年度贏得ＡＢＢ優(yōu)秀電力電子項(xiàng)目稱號(hào)，其主要型號(hào)和驅(qū)動(dòng)能力如表１所列。
表1 SCALE的主要型號(hào)和驅(qū)動(dòng)能力
| 2SD106AI | 可驅(qū)動(dòng)兩單元 | 400A | 1200V |
| 2SD106AI-17 | 可驅(qū)動(dòng)兩單元 | 400A | 1700V |
| 2SD315AI | 可驅(qū)動(dòng)兩單元 | 1200A | 1700V |
| 2SD106EI | 可驅(qū)動(dòng)六單元 | 400A | 1200V |
| 2SD106EI-17 | 可驅(qū)動(dòng)六單元 | 400A | 1700V |
２．１ ＳＣＡＬＥ的特點(diǎn)
●實(shí)用范圍寬?可應(yīng)用在數(shù)千瓦至數(shù)兆瓦的功率范圍及實(shí)用的耐壓要求范圍內(nèi)，幾乎可工作在所有的頻率及調(diào)制模式，適用于任何廠家的模塊。
●體積小巧、結(jié)構(gòu)緊湊、應(yīng)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(qū)時(shí)間。
●成本低，具有很高的性能／價(jià)格比。除可提供柵極驅(qū)動(dòng)外，還具有檢測狀況顯示及電源隔離等功能，是一種可滿足市場所有要求的、最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的驅(qū)動(dòng)板。
●使用簡便。該驅(qū)動(dòng)板的電接口非常簡單，可處理５～１５Ｖ電平的標(biāo)準(zhǔn)邏輯信號(hào)。具有施密特觸發(fā)器輸入特性，且對(duì)輸入信號(hào)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?yàn)轵?qū)動(dòng)板具有所有智能化驅(qū)動(dòng)功能，且驅(qū)動(dòng)信號(hào)、狀態(tài)傳送及電源與功率部分完全隔離，所以使用非常簡單。在大多數(shù)情況下，用智能化ＳＣＡＬＥ驅(qū)動(dòng)板來驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)ＩＧＢＴ模塊，比使用智能化ＩＧＢＴ模塊（ＩＰＭ）更加簡便，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(qū)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，該驅(qū)動(dòng)板主要有兩個(gè)功能塊。其中功能塊＃１為ＬＤＩ（邏輯與驅(qū)動(dòng)之間的接口），每一個(gè)ＬＤＩ可驅(qū)動(dòng)兩路。加在輸入端的ＰＷＭ信號(hào)再通過脈沖變壓器隔離后，即可輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)ＩＧＢＴ工作。
功能塊＃２為ＩＧＤ（智能柵極驅(qū)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(hào)，然后解碼出原始的ＰＷＭ信號(hào)。再經(jīng)功放，便可給ＩＧＢＴ柵極提供數(shù)安培的驅(qū)動(dòng)電流。
（１） 電子接口ＬＤＩ００１
因?yàn)椋校祝托盘?hào)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配備了ＬＤＩ００１邏輯驅(qū)動(dòng)接口，ＬＤＩ００１的結(jié)構(gòu)如圖２所示，它具有以下功能：
●可為用戶提供一個(gè)簡單的接口，兩個(gè)信號(hào)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(qū)時(shí)間；
●對(duì)ＰＷＭ信號(hào)進(jìn)行編碼，以使其可通過脈沖變壓器傳送；
●識(shí)別編碼傳送的狀態(tài)通知信號(hào)并放大，以為用戶提供一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)的狀態(tài)信號(hào)。
圖2
ＳＣＡＬＥ驅(qū)動(dòng)器可不加任何元件而直接與邏輯電路相連，也可通過較長的電纜相連。這種情況下，為了獲得較高的信躁比，應(yīng)使用１５Ｖ電平。同時(shí)應(yīng)通過外接的ＲＣ網(wǎng)絡(luò)來獲得所要求的死區(qū)時(shí)間。
（２） 驅(qū)動(dòng)塊ＩＧＤ００１
ＩＧＤ００１具有所有必需的智能驅(qū)動(dòng)功能，如變壓器接口、過載和短路保護(hù)、鎖定時(shí)間邏輯、狀態(tài)通知、對(duì)電源電壓和輸出級(jí)的監(jiān)測等。
ＩＧＤ驅(qū)動(dòng)塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖３所示，該驅(qū)動(dòng)塊主要用于完成如下功能：
●對(duì)從脈沖變壓器接收的編碼信號(hào)進(jìn)行解碼；
●用功放ＰＷＭ信號(hào)驅(qū)動(dòng)ＩＧＢＴ；
●監(jiān)測ＩＧＢＴ的過載和短路；
●監(jiān)測欠壓；
●產(chǎn)生響應(yīng)時(shí)間和鎖定時(shí)間；
●給控制器（ＬＤＩ００１）發(fā)出狀態(tài)通知信號(hào)。
智能驅(qū)動(dòng)塊ＩＧＤ００１所有的保護(hù)、監(jiān)測功能（如過流、短路保護(hù)和欠壓保護(hù)）都置于次級(jí)。這樣，在出現(xiàn)故障時(shí)，電路將立即被關(guān)閉并鎖定。
圖3
（３） ＳＣＡＬＥ驅(qū)動(dòng)塊的保護(hù)功能
ＳＣＡＬＥ的保護(hù)主要包括短路和過流以及電源監(jiān)測。對(duì)于短路和過流保護(hù)來說，ＳＣＡＬＥ驅(qū)動(dòng)中的每路都有一個(gè)Ｖｃｅ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(shí)間內(nèi)，Ｖｃｅ監(jiān)測電路不起作用。而當(dāng)Ｖｃｅ出現(xiàn)故障后，鎖定時(shí)間功能開始啟動(dòng)，并在鎖定時(shí)間內(nèi)使驅(qū)動(dòng)器鎖定ＩＧＢＴ，而不再接受輸入信號(hào)。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(xiàn)。一旦Ｖｃｅ超過由Ｒｔｈ設(shè)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(jiān)測電路。 當(dāng)電源電壓降至１０Ｖ或１１Ｖ時(shí)，ＩＧＢＴ將執(zhí)行負(fù)壓關(guān)斷并進(jìn)行故障報(bào)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(dú)立地工作。該模式可用于已產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間的ＰＷＭ信號(hào)的驅(qū)動(dòng)，也可用于獨(dú)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(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，可以方便地確定故障出現(xiàn)在那一路。
３．２ 半橋模式
通過與ＲＣ１和ＲＣ２相連的ＲＣ網(wǎng)絡(luò)可獲得數(shù)百納秒的死區(qū)時(shí)間。當(dāng)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(shè)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(dāng)ＲＣ網(wǎng)絡(luò)為１０ｋΩ／１００ｐＦ時(shí)，死區(qū)時(shí)間為５００ｓ。
４ 引腳功能
現(xiàn)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：用來設(shè)置輸入端ＩｎＡ和ＩｎＢ的施密特觸發(fā)器的開關(guān)閾值。當(dāng)輸入信號(hào)為加在ＶＬ／Ｒ端電壓的２／３時(shí)，開通；為１／３時(shí)關(guān)斷；
ＭＯＤ：模式選擇；
ＩＮＡ：信號(hào)輸入端Ａ；
ＩＮＢ：信號(hào)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(qū)時(shí)間的ＲＣ網(wǎng)絡(luò)；
ＲＣ２：產(chǎn)生＃２路死區(qū)時(shí)間的ＲＣ網(wǎng)絡(luò)；
ＲＣ端：設(shè)置死區(qū)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(duì)應(yīng)各路的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)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(qū)時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
表2 RC網(wǎng)絡(luò)與死區(qū)時(shí)間
| 電阻（kΩ） | 電容（pF） | 死區(qū)時(shí)間 |
| 10 | 47 | 200ns |
| 10 | 100 | 500ns |
| 15 | 120 | 1.1μs |
| 22 | 150 | 2.1μs |
| 33 | 220 | 4.6μs |
４．２ 輸出部分引腳功能
Ｇ端（柵極）:與ＩＧＢＴ柵極相連，并用１５Ｖ驅(qū)動(dòng)。
Ｅ端（發(fā)射極）:與ＩＧＢＴ發(fā)射極直接相連，且連線應(yīng)盡可能地短。
Ｃ端（集電極）:用來檢測開通時(shí)ＩＧＢＴ的電壓降，因此?必須直接與ＩＧＢＴ集電極相連。對(duì)于１２００Ｖ和１３００Ｖ模塊，應(yīng)用２個(gè)或３個(gè)１Ｎ４００７二極管來滿足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(fù)二極管。
Ｒｔｈ端（參考電阻）：通過接在Ｒｔｈ端的參考電阻可確定ＩＧＢＴ的保護(hù)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(dāng)Ｃ端的電壓超過Ｒｔｈ端的電壓時(shí)，將啟動(dòng)ＩＧＢＴ保護(hù)功能。此時(shí)電流源將提供１５０μＡ的電流。
參考電阻值可通過下列公式來計(jì)算：
Ｒｔｈ＝Ｖｔｈ／１５０μＡ
若Ｖｔｈ為５．８５Ｖ時(shí)，Ｒｔｈ應(yīng)選擇３９ ｋΩ的電阻。
５ 結(jié)束語
智能化ＩＧＢＴ驅(qū)動(dòng)板ＳＣＡＬＥ具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、可靠性高、具有多種保護(hù)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(qū)動(dòng)功率；而且可在異常工作狀態(tài)下保護(hù)ＩＧＢＴ，同時(shí)還能使電力電子系統(tǒng)中的ＩＧＢＴ有很好的替換特性。因此，使用高性能的驅(qū)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(qiáng)其競爭力的關(guān)鍵之一。
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