性能优良的混合双路驱动器集成电路

2011-05-23 19:36:43来源: 互联网

摘要:介绍了德国西门康公司生产的专用新型SKHI21/SKHI22混合双路IGBT及MOSFET驱动器集成电路,并列举了其主要设计特点、主要参数和典型应用电路。

关键词:集成电路;驱动器;参数选择

 

1    引言

    SKHI21/SKHI22混合双路IGBT、MOSFET驱动器是德国西门康(SEMIKRON)公司生产的专用新型IGBT和MOSFET混合驱动器。它有2路驱动电路,可以直接驱动IGBT半桥模块,典型工作频率为17kHz。输入为CMOS兼容器,内部有VCE监控和自动关断电路,可提供有效的短路保护。采用变压器隔离技术,驱动多路信号只需一路电源,是UPS、电焊机及逆变器中理想的IGBT和MOSFET驱动用集成电路。在驱动半桥模块时,驱动器自动双路互锁,防止发生直通,并向用户提供“错误(Error)”锁存信号。SKHI21和SKHI22的内部电路结构基本相同,两者的区别在于电路应用对象不同,SKHI21用于驱动西门康公司自己生产的IGBT,而SKHI22可用于驱动各种IGBT模块,但这两者都只能驱动200A以下的IGBT模块。

2    各引脚的排列、名称、功能和用法

    SKHI21/SKHI22采用模块式封装,它的封装形式如图1所示,对外引出16个引脚。

图1    SKHI21/SKHI22的引脚排列(引脚向上)

2.1    输入引脚

    引脚P7(GND),P14(GND)    控制脉冲输入部分参考地端。使用中与用户脉冲形成部分的地相连。

    引脚P8(VIN2),P12(VIN1)    两路互补驱动脉冲输入端。使用中接用户脉冲形成电路的输出,两路输入脉冲间应有一定的互锁时间,以防止同桥臂的IGBT或MOSFET直通。

    引脚P9(RTD2)、引脚P11(RTD1)    封锁延迟时间设置电阻的连接端1和2。使用中分别通过一个电阻接工作电源端(引脚P13),设置输出两路驱动信号的封锁延迟时间,以防止在驱动同桥臂上、下两个IGBT或MOSFET时发生直通。

    引脚P13(VS)    输入级电源端。接用户驱动脉冲形成级电源端。

    引脚P10(ERROR)脉冲封锁信号输入端。低电平有效,该端低电平可封锁输出驱动脉冲,使用中接用户保护电路的输出。

图2    SKHI21/SKHI22的内部结构及工作原理框图

2.2    输出引脚

    引脚S1(VCE2)和引脚S20(VCE1)    被驱动IGBT集-射极间压降或被驱动MOSFET漏?源极间压降监视电压输入端。使用中分别接被驱动半桥IGBT的集电极或MOSFET漏极。由于SKHI21/22内部已有高压快恢复二极管,所以使用中不需再串高压快恢复二极管。

    引脚S6(CCE2)和引脚S15(CCE1)    2个被驱动功率开关器件欠饱和保护门槛设置端。使用中分别通过一个电阻与电容的并联网络接被驱动IGBT的发射极或功率MOSFET的源极。

    引脚S9(E2)和引脚S12(E1)    输出驱动信号参考地端。使用中分别接被驱动的2个IGBT的发射极或功率MOSFET的源极。

    引脚S7(GON2)和引脚S14(GON1)    2驱动脉冲信号输出端。使用中分别通过一个适当的电阻接被驱动的IGBT或功率MOSFET的极。

    引脚S8(GOFF2)和引脚S13(GOFF1)    被驱动功率开关器件关断速度设置端。使用中,分别通过一个电阻接被驱动的IGBT或MOSFET的栅极。

2.3    空引脚

    输入引脚中的P1,P2,P3,P4,P5,P6与输出引脚中的S2,S3,S4,S5及S16,S17,S18,S19均为空脚,使用中悬空。

3    内部结构和工作原理

    SKHI21/SKHI22的内部结构和工作原理框图如图2所示。它们的内部集成有2个施密特触发器、2个与门、2个隔离环节、2个电平匹配器、2个功率驱动级、2个过电流检测比较器、1个输入电源电压监视及1个误差监视网络,共有8个单元电路。

    1)脉冲隔离驱动功能    作为驱动器,隔离驱动是它的基本功能。当信号经VIN1、VIN2进入驱动器后,先经过输入施密特触发器对脉冲进行整形,此触发器有较大的阈值电压回差(VIN+=12.9V,VIN-=2.1V),因此具有较强的抗干扰能力。整形后的脉冲经一与门后进入隔离变压器一次侧,在其二次侧得到与输入脉冲同相的驱动信号,具体传输特性如图3所示。由于采用了隔离变压器技术,整个驱动器用一路电源即可将两路脉冲信号进行隔离驱动。同样,多路信号也可以只用一路电源,选用多个SKHI21/SKHI22驱动器即可完成隔离驱动功能。

    整个驱动器采用了模块封装形式,可以同时驱动两路信号。只用一路时,如使用输出1,将输出2的VCE2(S1)端和E2(S9)端短接。

    2)内锁电路    内部具有双IGBT互锁电路,以防止两路信号同时为开态,1路IGBT的关信号与另1路IGBT的开信号互锁的典型时间tTD=2.7μs,可避免IGBT半桥直通,如图3所示。

图3    脉 冲 传 输 特 性

    3)窄脉冲抑制    如果开关脉冲过窄,脉冲变压器不能被充分励磁,且其输出端的耦合电容也不能被充分充电,这样,驱动器输出端触发器将保持原状态。窄脉冲抑制功能可以确保仅传送有效触发脉冲。

    4)错误监控与存储     SKHI21/SKHI22的电路监控器主要有VS监控和VCE监控。当VS低于某一门限值或VCE高于某一门限值时,则SKHI21/SKHI22封锁输出驱动脉冲,防止被驱动功率开关器件损坏。

    (1)电源监控    驱动器电源电压VS最小值为13V,如果低于该值,即产生错误信号,从而封锁驱动脉冲,电源达到其正常值(15V)且延时4μs以后,才允许输出脉冲。

    (2)VCE监控    VCE监控主要用于监视IGBT开态时集电极和发射极间的电压VCEVCE的门限为10V。如果IGBT的C、E间电压超出参考电压VCEREF,输出信号会立即为零,VCEREF是可变的。IGBT开启的瞬间高电压是允许的。VCEREF则用外接电阻RCE(连接在引脚CCE和E之间)设置,但不能超过10V。并联在RCE两端的电容CCE可用来增加VCEREF的延迟时间常数,此时间即为控制IGBT开通到VCE监控激活的最小时间。当IGBT的C、E间电压超过VCEREFtmin时间后,VCE监控才起作用。

    (3)Error存储错误存储单元可对错误监控电路提供的信号进行存储,一旦有“错误存储”将同时阻止对两个IGBT的开脉冲,当错误监控电路无脉冲输出且双路输出均为零时,错误存储才能被清除。错误存储信号送至“ERROR”端子,并可连接至控制电路。

4    典型应用

    SKHI21/SKHI22的上述优良性能和特点,决定了它的单块可以用于单相半桥IGBT或MOSFET逆变器中,多块可用于单相全桥或三相全桥逆变器中。

    SKHI21/SKHI22用于单相半桥逆变器中,典型应用电路如图4所示。信号经过驱动模块功率放大后,分别送到2个IGBT的C、E端。

图 4    典 型 应 用 电 路 图

    主要参数选择如下。

    1)RTD的选择    在一些特定电路中,需要更长的内部互锁时间,可通过在脚RTD外接电阻来实现。由两个外接电阻RTD设置信号延迟时间,电阻接在引脚RTD和VS之间,其典型时间tTD=2.7+0.13RTDRTD<100kΩ。式中,RTD单位为kΩ。

    2)RCE、CCE的选择

    VCEstat的选择如图5所示。

图 5  VCEstatRCE的 关 系 曲 线

    计算RCERCE>10kΩ)的公式为

    VCEstat=[9RCE(kΩ)-25]/[10+RCE(kΩ)]

式中:VCEstat的单位为V。

      tmin(tmin<10μs)的选择

    根据公式计算CCE(CCEmax=2.7nF)

    tmin=CCE(nF)[10RCE(kΩ)/(10+RCE)]×ln[(15-VCEstat(V))/(10-VCEstat)]

    典型参数:RTD=0,RCE=24kΩ,CCE=330pF,VCEstat=5.6V,tmin=1.75μs。

    3)RONROFF的选择    外接电阻RON用于设置IGBT开启速度,RON越大,开启速度越低,且续流二极管反向恢复峰值电流减小;外接电阻ROFF用于设置IGBT关断速度,ROFF越大,关断越慢,且寄生电感两端电压也下降。典型值:RONmin=3.3Ω,ROFFmin=3.3Ω。

    4)IGBT模块过温保护电路的连接模块温度监控可由ERROR端与GND端连接双金属热保护器来实现。超过标定温度时,保护器触点打开,使ERROR端有错误信号输出。

5    结语

    实践证明,SKHI21/SKHI22确实是一款性能优良的混合双路IGBT或MOSFET驱动器集成电路。

关键字:性能  优良  混合  驱动器

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0523/article_9053.html
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