IGBT智能化驅動板SCALE

關鍵詞：IGBT；驅動模塊；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，它所需驅動功率小，控制電路簡單，導通壓降低，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、高頻焊機等）逐漸取代了ＰＯＷＥＲ ＭＯＳＦＥＴ及ＰＯＷＥＲ ＢＪＴ而成為功率開關元件市場中的重要一員。然而?如何有效地驅動并保護ＩＧＢＴ則成為目前電力電子領域中的重要研究課題之一。一個具有保護功能的驅動電路不但能在正常工作狀態(tài)下給ＩＧＢＴ提供所需的驅動功率，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(tǒng)中的ＩＧＢＴ有很好的替換特性。因此?高性能的驅動電路是提高電子產品品質和可靠性，從而增強其競爭力的關鍵之一。本文介紹一種高性能、智能化的ＩＧＢＴ驅動板ＳＣＡＬＥ。

圖1

２　功能介紹

ＳＣＡＬＥ驅動板系列是瑞士Ｃｏｎｃｅｐｔ公司生產的，Ｃｏｎｃｅｐｔ公司是專業(yè)生產ＩＧＢＴ驅動電路的公司，主要為西門子／ＥＵＰＥＣ高壓大電流ＩＧＢＴ模塊配套。該ＳＣＡＬＥ驅動板采用ＡＳＩＣ設計，僅用１５Ｖ電源驅動，開關頻率可大于１００ｋＨｚ，且具有高可靠和長壽命特性，可驅動１７００Ｖ、１２００Ａ的ＩＧＢＴ。１９９８年度贏得ＡＢＢ優(yōu)秀電力電子項目稱號，其主要型號和驅動能力如表１所列。

表1 SCALE的主要型號和驅動能力

２．１ ＳＣＡＬＥ的特點

●實用范圍寬?可應用在數千瓦至數兆瓦的功率范圍及實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(qū)時間。

●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、最經濟實用的驅動板。

●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(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。因為驅動板具有所有智能化驅動功能，且驅動信號、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。

２．２ ＳＣＡＬＥ的主要功能

ＳＣＡＬＥ由電子接口ＬＤＩ 、智能柵極驅動 ＩＧＤ和１５Ｖ ＤＣ／ＤＣ電源組成，其原理方框圖如圖１所示。由圖可見，該驅動板主要有兩個功能塊。其中功能塊＃１為ＬＤＩ（邏輯與驅動之間的接口），每一個ＬＤＩ可驅動兩路。加在輸入端的ＰＷＭ信號再通過脈沖變壓器隔離后，即可輸出驅動信號，以驅動ＩＧＢＴ工作。

功能塊＃２為ＩＧＤ（智能柵極驅動），該功能塊工作時，每路用一個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。再經功放，便可給ＩＧＢＴ柵極提供數安培的驅動電流。

（１） 電子接口ＬＤＩ００１

因為ＰＷＭ信號的頻率和占空比變化較大，所以不能簡單地通過變壓器傳送。為此，ＳＣＡＬＥ配備了ＬＤＩ００１邏輯驅動接口，ＬＤＩ００１的結構如圖２所示，它具有以下功能：

●可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；

●與５Ｖ、１５Ｖ的邏輯電平相匹配。

●產生半橋所需的死區(qū)時間；

●對ＰＷＭ信號進行編碼，以使其可通過脈沖變壓器傳送；

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

圖2

ＳＣＡＬＥ驅動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，應使用１５Ｖ電平。同時應通過外接的ＲＣ網絡來獲得所要求的死區(qū)時間。

（２） 驅動塊ＩＧＤ００１

ＩＧＤ００１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(tài)通知、對電源電壓和輸出級的監(jiān)測等。

ＩＧＤ驅動塊的內部結構框圖如圖３所示，該驅動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行解碼；

●用功放ＰＷＭ信號驅動ＩＧＢＴ；

●監(jiān)測ＩＧＢＴ的過載和短路；

●監(jiān)測欠壓；

●產生響應時間和鎖定時間；

●給控制器（ＬＤＩ００１）發(fā)出狀態(tài)通知信號。

智能驅動塊ＩＧＤ００１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，電路將立即被關閉并鎖定。

圖3

（３） ＳＣＡＬＥ驅動塊的保護功能

ＳＣＡＬＥ的保護主要包括短路和過流以及電源監(jiān)測。對于短路和過流保護來說，ＳＣＡＬＥ驅動中的每路都有一個Ｖｃｅ監(jiān)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，Ｖｃｅ監(jiān)測電路不起作用。而當Ｖｃｅ出現(xiàn)故障后，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實現(xiàn)。一旦Ｖｃｅ超過由Ｒｔｈ設定的閾值，鎖定將立即啟動。

ＳＣＡＬＥ中的每路都具有一個欠壓監(jiān)測電路。 當電源電壓降至１０Ｖ或１１Ｖ時，ＩＧＢＴ將執(zhí)行負壓關斷并進行故障報警。

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。該模式可用于已產生死區(qū)時間的ＰＷＭ信號的驅動，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(xiàn)故障時，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網絡可獲得數百納秒的死區(qū)時間。當輸入端Ｂ為低電平時，兩路ＩＧＢＴ都被關斷。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”的關系。當ＲＣ網絡為１０ｋΩ／１００ｐＦ時，死區(qū)時間為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：用來設置輸入端ＩｎＡ和ＩｎＢ的施密特觸發(fā)器的開關閾值。當輸入信號為加在ＶＬ／Ｒ端電壓的２／３時，開通；為１／３時關斷；

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：產生＃１路死區(qū)時間的ＲＣ網絡；

ＲＣ２：產生＃２路死區(qū)時間的ＲＣ網絡；

ＲＣ端：設置死區(qū)時間的ＲＣ網絡。

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

表2 RC網絡與死區(qū)時間

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。

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

Ｃ端（集電極）:用來檢測開通時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個或３個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的保護關斷閾值。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Ｒｔｈ端的電壓時，將啟動ＩＧＢＴ保護功能。此時電流源將提供１５０μＡ的電流。

參考電阻值可通過下列公式來計算：

Ｒｔｈ＝Ｖｔｈ／１５０μＡ

若Ｖｔｈ為５．８５Ｖ時，Ｒｔｈ應選擇３９ ｋΩ的電阻。

５ 結束語

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