IGBT智能化驱动板SCALE

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:SCALE驱动是瑞士Concept公司生产的IGBT智能化驱动板,可用于驱动和保护IGBT。文中介绍了该IGBT智能化驱动板的主要功能、工作模式和引脚功能,给出该器件的典型应用电路。 关键词:IGBT;驱动模块;SCALE 1 概述 由于IGBT(绝缘栅双极性晶体管)是一种电压控制型功率器件,它所需驱动功率小,控制电路简单,导通压降低,且具有较大的安全工作区和短路承受能力。因此,目前IGBT已在中功率以上的电力电子系统中(如变频器、UPS电源、高频焊机等)逐渐取代了POWER MOSFET及POWER BJT而成为功率开关元件市场中的重要一员。然而如何有效地驱动并保护IGBT则成为目前电力电子领域中的重要研究课题之一。一个具有保护功能的驱动电路不但能在正常工作状态下给IGBT提供所需的驱动功率,在异常工作状态下能起保护IGBT的作用,而且应当能使电力电子系统中的IGBT有很好的替换特性。因此高性能的驱动电路是提高电子产品品质和可靠性,从而增强其竞争力的关键之一。本文介绍一种高性能、智能化的IGBT驱动板SCALE。 图1 2 功能介绍 SCALE驱动板系列是瑞士Concept公司生产的,Concept公司是专业生产IGBT驱动电路的公司,主要为西门子/EUPEC高压大电流IGBT模块配套。该SCALE驱动板采用ASIC设计,仅用15V电源驱动,开关频率可大于100kHz,且具有高可靠和长寿命特性,可驱动1700V、1200A的IGBT。1998年度赢得ABB优秀电力电子项目称号,其主要型号和驱动能力如表1所列。 表1 SCALE的主要型号和驱动能力 2SD106AI 可驱动两单元 400A 1200V 2SD106AI-17 可驱动两单元 400A 1700V 2SD315AI 可驱动两单元 1200A 1700V 2SD106EI 可驱动六单元 400A 1200V 2SD106EI-17 可驱动六单元 400A 1700V 2.1 SCALE的特点 ●实用范围宽可应用在数千瓦至数兆瓦的功率范围及实用的耐压要求范围内,几乎可工作在所有的频率及调制模式,适用于任何厂家的模块。 ●体积小巧、结构紧凑、应用灵活,具有直接和半桥模式可供选择。在半桥模式下,可选用所要求的死区时间。 ●成本低,具有很高的性能/价格比。除可提供栅极驱动外,还具有检测状况显示及电源隔离等功能,是一种可满足市场所有要求的、最经济实用的驱动板。 ●使用简便。该驱动板的电接口非常简单,可处理5~15V电平的标准逻辑信号。具有施密特触发器输入特性,且对输入信号没有特殊要求。故障传送使用集电极开路输出,可与常用的逻辑电平相兼容。因为驱动板具有所有智能化驱动功能,且驱动信号、状态传送及电源与功率部分完全隔离,所以使用非常简单。在大多数情况下,用智能化SCALE驱动板来驱动标准IGBT模块,比使用智能化IGBT模块(IPM)更加简便,也更加灵活。 2.2 SCALE的主要功能 SCALE由电子接口LDI 、智能栅极驱动 IGD和15V DC/DC电源组成,其原理方框图如图1所示。由图可见,该驱动板主要有两个功能块。其中功能块#1为LDI(逻辑与驱动之间的接口),每一个LDI可驱动两路。加在输入端的PWM信号再通过脉冲变压器隔离后,即可输出驱动信号,以驱动IGBT工作。 功能块#2为IGD(智能栅极驱动),该功能块工作时,每路用一个IGD从脉冲变压器接收编码脉冲信号,然后解码出原始的PWM信号。再经功放,便可给IGBT栅极提供数安培的驱动电流。 (1) 电子接口LDI001 因为PWM信号的频率和占空比变化较大,所以不能简单地通过变压器传送。为此,SCALE配备了LDI001逻辑驱动接口,LDI001的结构如图2所示,它具有以下功能: ●可为用户提供一个简单的接口,两个信号输入端都具有施密特触发器特性; ●与5V、15V的逻辑电平相匹配。 ●产生半桥所需的死区时间; ●对PWM信号进行编码,以使其可通过脉冲变压器传送; ●识别编码传送的状态通知信号并放大,以为用户提供一个准静态的状态信号。 图2 SCALE驱动器可不加任何元件而直接与逻辑电路相连,也可通过较长的电缆相连。这种情况下,为了获得较高的信躁比,应使用15V电平。同时应通过外接的RC网络来获得所要求的死区时间。 (2) 驱动块IGD001 IGD001具有所有必需的智能驱动功能,如变压器接口、过载和短路保护、锁定时间逻辑、状态通知、对电源电压和输出级的监测等。 IGD驱动块的内部结构框图如图3所示,该驱动块主要用于完成如下功能: ●对从脉冲变压器接收的编码信号进行解码; ●用功放PWM信号驱动IGBT; ●监测IGBT的过载和短路; ●监测欠压; ●产生响应时间和锁定时间; ●给控制器(LDI001)发出状态通知信号。 智能驱动块IGD001所有的保护、监测功能(如过流、短路保护和欠压保护)都置于次级。这样,在出现故障时,电路将立即被关闭并锁定。 图3 (3) SCALE驱动块的保护功能 SCALE的保护主要包括短路和过流以及电源监测。对于短路和过流保护来说,SCALE驱动中的每路都有一个Vce监测电路。Rth为关断阈值的参考电阻。在IGBT开通后的一段响应时间内,Vce监测电路不起作用。而当Vce出现故障后,锁定时间功能开始启动,并在锁定时间内使驱动器锁定IGBT,而不再接受输入信号。模块中的各路都具有自己的锁定功能,并均由各路的LGD001实现。一旦Vce超过由Rth设定的阈值,锁定将立即启动。 SCALE中的每路都具有一个欠压监测电路。 当电源电压降至10V或11V时,IGBT将执行负压关断并进行故障报警。 3 SCALE的主要工作模式 3.1 直接模式 在直接模式下,各路IGBT将独立地工作。该模式可用于已产生死区时间的PWM信号的驱动,也可用于独立工作的各路IGBT。将MOD输入与V相连,RC1和RC2接地,即为直接模式。在直接模式下,状态输出SO1和SO2分别返回,因此当出现故障时,可以方便地确定故障出现在那一路。 3.2 半桥模式 通过与RC1和RC2相连的RC网络可获得数百纳秒的死区时间。当输入端B为低电平时,两路IGBT都被关断。将MOD输入接地即为半桥模式,输入IA为PWM输入,IB为使能输入。在VL/R输入端接上4.7V齐纳二极管可使输入端IA和IB设置在TTL电平。由于该模式下的状态输出SO1和SO2连接在一起,因此,两路故障为“或”的关系。当RC网络为10kΩ/100pF时,死区时间为500s。 4 引脚功能 现以SCALE中的2SD315A为例,给出该模块的引脚功能,图4给出了2SD315A的引脚分布图。 4.1 输入部分引脚功能 GND:电源地; VDC:电源+15V,供DC/DC电源使用; VDD:电源+15V,供LDI001使用; VL/R:用来设置输入端InA和InB的施密特触发器的开关阈值。当输入信号为加在VL/R端电压的2/3时,开通;为1/3时关断; MOD:模式选择; INA:信号输入端A; INB:信号输入端B; SO1:状态输出1; SO2:状态输出2; RC1:产生#1路死区时间的RC网络; RC2:产生#2路死区时间的RC网络; RC端:设置死区时间的RC网络。 在半桥模式中,将RC网络与各RC端相连接可确定对应各路的死区时间。死区时间随温度可能有很小的漂移。所接电阻不允许小于5kΩ。RC网络必须要按图连接,并将电阻与VCC连接,电容接地。表2给出了RC网络与死区时间的对应关系。 表2 RC网络与死区时间 电阻(kΩ) 电容(pF) 死区时间 10 47 200ns 10 100 500ns 15 120 1.1μs 22 150 2.1μs 33 220 4.6μs 4.2 输出部分引脚功能 G端(栅极):与IGBT栅极相连,并用15V驱动。 E端(发射极):与IGBT发射极直接相连,且连线应尽可能地短。 C端(集电极):用来检测开通时IGBT的电压降,因此必须直接与IGBT集电极相连。对于1200V和1300V模块,应用2个或3个1N4007二极管来满足140%的耐压要求。使用普通高压二极管即可,一般不需用高压快恢复二极管。 Rth端(参考电阻):通过接在Rth端的参考电阻可确定IGBT的保护关断阈值。E端的参考电位、参考电阻必须尽可能地靠近IGBT模块。当C端的电压超过Rth端的电压时,将启动IGBT保护功能。此时电流源将提供150μA的电流。 参考电阻值可通过下列公式来计算: Rth=Vth/150μA 若Vth为5.85V时,Rth应选择39 kΩ的电阻。 5 结束语 智能化IGBT驱动板SCALE具有驱动能力强、可靠性高、具有多种保护功能等特点,它不但能在正常工作状态下给IGBT提供所需的驱动功率;而且可在异常工作状态下保护IGBT,同时还能使电力电子系统中的IGBT有很好的替换特性。因此,使用高性能的驱动电路板SCALE是提高电子产品品质和可靠性,从而增强其竞争力的关键之一。
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