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。
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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