IGBT智能化驱动板SCALE
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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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