SCALE系列集成IGBT驱动电路的性能特点

  1. SCALE系列集成IGBT驱动电路的性能特点
  SCALE系列集成驱动器是由瑞士CONCEPT公司生产的专门用于驱动IGBT和功率MOSFET的功率器件的集成驱动器，SCALE系列集成IGBT驱动器采用ASIC设计，仅用15V电源驱动，开关频率大于100kHz，并具有多功能、低成本、易使用、高可靠性和长寿命等特点。根据实际应用中对驱动性能，驱动输出通道数目、隔离等的不同要求，
  SCALE系列集成IGBT驱动器具有相应的不同型号，可满足不同的需求，SCALE系列集成驱动器可驱动1700V、1200A的IGBT模块，其主要型号和驱动能力见下表。
表1  SCALE系列集成IGBT驱动器SCALE系列集成IGBT驱动器表
   SCALE系列集成IGBT驱动器的性能特点如下：
  ①适用范围宽。可应用在数干瓦至数兆瓦的功率范围及耐压要求范围内，几乎可工作于所有的频率及调制模式下，适用于任何厂家生产的功率模块。
  ②体积小巧、结构紧凑、应用灵活，具有直接和半桥两种模式可供选择。在半桥模式下可选用所要求的死区时间。
  ③成本低，具有很高的性能价格比。除可提供栅极驱动外，还具有检测状只显示及电源隔离等功能，是一种可满足市场所有要求的、*经济实用的驱动板。
  ④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，所以使用起来非常简单。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。
  SCALE系列集成驱动器内部由输入处理电路、驱动输出电路、短路和过流保护电路、隔离状态识别电路、电源检测电路和DC/DC开关电源构成。SCALE系列集成驱动器提供的驱动电流可达18A，输出驱动信号的导通电平为+15V，关断电平为-15V，开关工作频率范围为0-100kHz；具有500V-10kV的电气隔离特性，占空比为0-100%。
  DC/DC转换电路的功能是将输入部分与工作部分进行隔离。输入处理电路由LDI001及其外围电路组成。由于控制电路产生的PWM信号不能直接通过脉冲变压器，特别是当脉冲信号的频率和占空比变化较大时尤为困难。LDI001就是专门为此而设计的，此专用集成电路的功能主要是对输入的PWM信号进行编码，以使其可通过脉冲变压器讲行传输。
  由于该器件内部带有施密特触发器，因此对输入端信号无特殊的边沿陡度要求，并能提供
准静态的状态信号反馈。将其设计为集电极开路方式，可以适应任何电平逻辑，并可直接产生死区时间、以上优点使得接口既易用又灵活，从而省量了其他专用电路所必需的许多外围元器件。
  驱动输出及逻辑保护电路的核心芯片是LDI001。它将变压器接口、过流及短路保护、阻断逻辑生成、反馈状态记录、供电监视和输出阶段识别等功能都集成在一起。每个通道设有一个智能门驱动器IGD，其具体功能是对脉冲变压器传来的PWM信号进行解码和功率放大，对IGBT进行短路保护、过流保护及电源的欠压检测保护，并向LDI反馈状态，以产生短路保护的响应时间和阻断时间等。
 
  2. SCALE系列集成IGBT驱动器的内部结构
  SCALE系列集成驱动器的内部结构如下图所示(两通道)。由此可见，驱动器由3个功能单元组成、**个功能单元是逻辑与驱动电路接口(LDI)，用于驱动两个通道。当加在输入端INA和INB的PWM信号经过处理后，其驱动信息被分别送到每个驱动通道的脉冲变压器。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系列集成驱动器配备LDI001逻辑驱动接口，二个功能单元是智能栅极驱动器(IGD)，对应于每个驱动通道都有一个IGD。第三个功能单元是集成DC/DC变换器。所有标准的SCALE驱动器都有一个DC/DC变换器，以便为各个驱动通道提供工作电源。因此，该驱动器只需一个稳定的15V直流电源。
 
SCALE系列集成IGBT驱动器的内部结构框图 
  (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驱动器配备了LDI001逻辑驱动接口。LDI001的结构如下图所示，它具有如下功能。
  ①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。
  ②与5V、15V的逻辑电平相匹配。
  ③产生半桥所需的死区时同。
  ④对PWM信号进行编码，以使其可通过脉冲变压器传送。
  ⑤识别脉冲编码器传送的编码信号并予以放大，以为用户提供一个准静态的状态信号。
  SCALE IGBT驱动器可不加任何元器件而直接与逻辑电路相连，也可通过较长的电缆相连。脉冲变压器负责驱动信号的隔离，同时可将来自每个通道的信息反馈给LDI，在这种情况下，为了获得较高的倍噪比，应使用15V电平，同时，应通过外接的RC网络来获得所要的死区时间。
 
  (2)智能栅极驱动器IGD
  SCALE驱动器的二个功能单元IGD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、状态识别、对电源电压和输出级的监测等。IGD驱动器的内部结构框图如下图所示。该驱动器主要用于完成如下功能。
  ①接受来自脉冲变压器的脉冲信号，对从脉冲变压器接收的编码信号进行解码，并将其复原成PWM信号。
  ②对PWM信号进行放大，用功率放大后的PWM信号驱动IGBT。
  ③监测IGBT的过载和短路。
  ④欠压监测。
  ⑤产生响应和锁定时间。
  ⑥传输状态识别信号给LDI，接收LDI发出的状态信号。
  智能驱动块IGD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。
  SCALE驱动器的保护功能主要包括短路保护、过流保护以及电源监测。对于短路和过流保护来说，SCALE驱动器中的每一路都有一个UCE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，UCE监测电路不起作用；而当UCE出现异常后，锁定时间功能开始启动，并在锁定时间内使驱动器锁定IGBT，而不再接收输入信号。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。-UCE超过由Rth设定的阈值，锁定功能将立即启动。
  SCALE系列集成驱动器中的每一路都具有个欠压监测电路，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系列集成IGBT驱动电路的主要工作模式
  (1)直接模式
  若要使SCALE系列集成驱动器工作任直接模式下，则需将MOD输入端与V端相连，并将RC1和RC2端接地，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，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哪一路。
  
  (2)半桥模式
  若要使SALE系列集成驱动器工作在半桥模式下，则应将MOD输入端接地。输入IA为PWM输入，IB为使能输入，在VL/R输入端上接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端SO1和SO2连接在一起，因此，两路故障为“或”的关系。在半桥模式下，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，通过与RC1和RC2端相连的RC网络可获得数百纳秒的死区时间。当输入端IB为低电平时，两路IGBT都被关断。当RC网络的参数值为10kΩ/100pF时，死区时间为500ns，所接电阻不允许小于5kΩ。RC网络的电阻与Vcc端连接，电容接地。下表给出了RC网络与死区时间的对应关系。
RC网络与死区时间