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
2SD106AI | 可驅動兩單元 | 400A | 1200V |
2SD106AI-17 | 可驅動兩單元 | 400A | 1700V |
2SD315AI | 可驅動兩單元 | 1200A | 1700V |
2SD106EI | 可驅動六單元 | 400A | 1200V |
2SD106EI-17 | 可驅動六單元 | 400A | 1700V |
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
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。
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
電阻(kΩ) | 電容(pF) | 死區(qū)時間 |
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。
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