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          IGBT智能化驅(qū)動板SCALE

          作者: 時間:2005-01-25 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
          摘要:是瑞士Concept公司生產(chǎn)的板,可用于和保護。文中介紹了該驅(qū)動板的主要功能、工作模式和引腳功能,給出該器件的典型應(yīng)用電路。

          關(guān)鍵詞:IGBT;驅(qū)動模塊;

          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(guān)元件市場中的重要一員。然而?如何有效地驅(qū)動并保護IGBT則成為目前電力電子領(lǐng)域中的重要研究課題之一。一個具有保護功能的驅(qū)動電路不但能在正常工作狀態(tài)下給IGBT提供所需的驅(qū)動功率,在異常工作狀態(tài)下能起保護IGBT的作用,而且應(yīng)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(qū)動電路是提高電子產(chǎn)品品質(zhì)和可靠性,從而增強其競爭力的關(guān)鍵之一。本文介紹一種高性能、的IGBT驅(qū)動板SCALE。

          圖1

          2 功能介紹

          SCALE驅(qū)動板系列是瑞士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)動板采用ASIC設(shè)計,僅用15V電源驅(qū)動,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(qū)動能力如表1所列。

          表1 的主要型號和驅(qū)動能力

          2SD106AI可驅(qū)動兩單元400A1200V
          2SD106AI-17可驅(qū)動兩單元400A1700V
          2SD315AI可驅(qū)動兩單元1200A1700V
          2SD106EI可驅(qū)動六單元400A1200V
          2SD106EI-17可驅(qū)動六單元400A1700V

          2.1 SCALE的特點

          ●實用范圍寬?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)時間。

          ●成本低,具有很高的性能/價格比。除可提供柵極驅(qū)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(jīng)濟實用的驅(qū)動板。

          ●使用簡便。該驅(qū)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(qū)動板具有所有智能化驅(qū)動功能,且驅(qū)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(shù)情況下,用智能化SCALE驅(qū)動板來驅(qū)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(qū)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(qū)動板主要有兩個功能塊。其中功能塊#1為LDI(邏輯與驅(qū)動之間的接口),每一個LDI可驅(qū)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(qū)動信號,以驅(qū)動IGBT工作。

          功能塊#2為IGD(智能柵極驅(qū)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(jīng)功放,便可給IGBT柵極提供數(shù)安培的驅(qū)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(qū)動接口,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(chǎn)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(qū)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(yīng)使用15V電平。同時應(yīng)通過外接的RC網(wǎng)絡(luò)來獲得所要求的死區(qū)時間。

          (2) 驅(qū)動塊IGD001

          IGD001具有所有必需的智能驅(qū)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(qū)動塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示,該驅(qū)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(qū)動IGBT;

          ●監(jiān)測IGBT的過載和短路;

          ●監(jiān)測欠壓;

          ●產(chǎn)生響應(yīng)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(qū)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(guān)閉并鎖定。

          圖3

          (3) SCALE驅(qū)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(qū)動中的每路都有一個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)時間內(nèi),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(nèi)使驅(qū)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(shè)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(guān)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(chǎn)生死區(qū)時間的PWM信號的驅(qū)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(wǎng)絡(luò)可獲得數(shù)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(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RC網(wǎng)絡(luò)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(shè)置輸入端InA和InB的施密特觸發(fā)器的開關(guān)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(guān)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(chǎn)生#1路死區(qū)時間的RC網(wǎng)絡(luò);

          RC2:產(chǎn)生#2路死區(qū)時間的RC網(wǎng)絡(luò);

          RC端:設(shè)置死區(qū)時間的RC網(wǎng)絡(luò)。

          在半橋模式中,將RC網(wǎng)絡(luò)與各RC端相連接可確定對應(yīng)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(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)時間的對應(yīng)關(guān)系。

          表2 RC網(wǎng)絡(luò)與死區(qū)時間

          電阻(kΩ)電容(pF)死區(qū)時間
          1047200ns
          10100500ns
          151201.1μs
          221502.1μs
          332204.6μs

          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。

          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(yīng)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(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(yīng)選擇39 kΩ的電阻。

          5 結(jié)束語

          智能化IGBT驅(qū)動板SCALE具有驅(qū)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(qū)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(qū)動電路板SCALE是提高電子產(chǎn)品品質(zhì)和可靠性,從而增強其競爭力的關(guān)鍵之一。



          關(guān)鍵詞: SCALE 驅(qū)動 智能化 IGBT

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