IGBT智能化驱动板SCALE

1、IGBT智能化驱动板SCALE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；SCALE1 概述由于IGET（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IGET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POWERMOSFET及POWER BJ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

2、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有很好文介绍一种高性能、智能化的IGBT驱动板SCALEo图12 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ASI C设计，仅用15V电源驱动，开关频率可大于10 0kHz，且具有高可靠和长寿命特性，可驱动17 0 0V 1 2 0 0 A的IGBTo 1 9 9 8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

3、列。表1 SCALE的主要型号和驱动能力2SD106AI可驱动两单元400A1200V2SD106AI-17可驱动两单元400A1700V2SD315AI可驱动两单元1200A1700V2SD106EI可驱动六单元400A1200V2SD106EI-17可驱动六单元400A1700V2.1 SCALE的特点及调制模式，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

4、非常简单，可处理515V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岀，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LD

5、I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，即可输岀驱动信号，以驱动IGET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IGET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LDI0 01逻辑驱动接口，LDI0 01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5V15V的逻辑电平相匹配。产生半桥所需的死区时间；对PWM信号

6、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2SCALE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IGD001IGD0 0 1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、 对电源电压和输岀级的监测等。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IGET;监测IGET的过载和短路

7、；监测欠压；产生响应时间和锁定时间；给控制器（LDI0 0 1）发出状态通知信号。智能驱动块IGD0 0 1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 岀现故障时，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IGET开通后的一段响应时间内，Vc e监测电路不起作用。而当Vce岀现故障后，锁定时间功能开始启动，并在锁定时间内使驱动器锁定I GBT，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

8、由各路的LGD0 0 1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I G B T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I G B T。将MOD输入与V相连，R C 1和R C 2接地，即为直接模式。在直接模式下，状态输出SOI和S O 2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R C 1和RC 2相连的R C网络可获得数百纳

9、秒的死区时间。当输入端B为低电平时，两路I G B T都被关断。将MOD输入接地即为半桥模式，输入I A为PWM输入，I E为使能输入。在VL/R输 入端接上4 . 7 V齐纳二极管可使输入端I A和I B设置在T T L电平。由于该模式下的状态输出S O 1 和SO2连接在一起，因此，两路故障为“或”的关系。当RC网络为1 OkQ/1 0 0 p F时，死区时间为5 0 0 s o4 引脚功能现以S C A L E中的2 S D 3 1 5 A为例，给出该模块的引脚功能，图4给出了 2 S D 3 1 5 A的引脚分 布图。GNDfdc)GNsdsGNIXdeGNrxdc)Sg0i22ggC

10、OM2COM2VisoZ图4 2SD315A模块引脚图4. 1输入部分引脚功能GND :电源地；VD C :电源+ 1 5 V,供D C/D C电源使用；VDD:电源十15V，供LD I 0 0 1使用；VL/R:用来设置输入端I门人和1 n E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E;SOI: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

11、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5 k QoRC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（kQ ）电容（pF）死区时间1047200ns10100500ns151201.1 g s221502.1 g s332204.6 g s4.2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）：0V和1 3 0 0 V模块，应用2个或3个1N 4 0 0 7二极管来满足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o此时电流源将提供15 0 卩A的电流。参考电阻值可通过下列公式来计算：Rth=Vth/150 g A若Vth为5.85