concept的IGBT驅(qū)動板原理解讀解析

1、2 S P015工2 遅1小J寧號.1大應(yīng)本號1信號的陽離技術(shù)出”單位：4wM3l產(chǎn)品累列MBt ftftKCaa* p vmtoEMtTfcJUf umiw *wM板子的解讀a、有電氣接口，即插即用，適用于17mm雙管IGBT模塊b、基于SCALE-2芯片組雙通道驅(qū)動器命名規(guī)則：工作框圖MOD （模式選擇）MOD輸入，可以選擇工作模式直接模式如果MOD輸入沒有連接（懸空），或連接到VCC,選擇直接模式，死區(qū)時間由控制器 設(shè)定。該模式下，兩個通道之間沒有相互依賴關(guān)系。輸入INA直接影響通道1，輸入INB直接影響通道2。在輸入（INA或INB）的高電位，總是導(dǎo)致相應(yīng)IGBT的導(dǎo)通。每個IGBT

2、接收各自的驅(qū)動信號。半橋模式如果MOD輸入是低電位（連接到 GND），就選擇了半橋模式。死區(qū)時間由驅(qū)動器內(nèi)部 設(shè)定，該模式下死區(qū)時間 Td為3us。輸入INA和INB具有以下功能：當(dāng)INB作為使能輸入 時，INA是驅(qū)動信號輸入。當(dāng)輸入INB是低電位，兩個通道都閉鎖。如果INB電位變高，兩個通道都使能，而且跟隨輸入INA的信號。在INA由低變高時，通道 2立即關(guān)斷，1個死區(qū)時間后，通道 1導(dǎo) 通。INA+3.3 -15VOV一INBGate G1+3.3.15A-k- w-L +15V I | *iov !Both charm 5 Is OFF+ 15V-Gsts G2-_-10V 1Dead

3、time (boui channels OFFj只有在控制電路產(chǎn)生死區(qū)時間的情況下，才能選擇該模式，死區(qū)時間由電阻設(shè)定。范圍：0.5usTd3.8us , 73k Q Rm1k?的上拉電阻上拉至 VCC。如果發(fā)生故障，相應(yīng)的SOx輸出將被拉到 GND。建議將該電阻放置 得盡可能靠近驅(qū)動器。圖中100?電阻可保護緩沖器免受電磁干擾。下拉電阻R5可保護控制器輸入免受電壓尖峰影響。2、 在圖（下圖）中，由10?電阻和肖特基二極管構(gòu)成的保護網(wǎng)絡(luò)可保護驅(qū)動器的SOx 輸出。INA如杲不使用，輸入TB可以懸空。SCALE-2INA10 WD i-i10茬TB （調(diào)整閉鎖時間TB的輸入）該端子TB ,允許通

4、過連接1個外部電阻到 GND ,來減少工廠設(shè)定的閉鎖時間。 下文的 等式計算管腳TB和GND之間的必須連接的電阻 Rb的值，以設(shè)定要求的閉鎖時間 Tb （典 型值）：通過選擇Rb=0 Q,閉鎖時間也可以設(shè)置為最小值9us （典型值）。+ 1SVSCALE-220ms 7ix90ms+15VO1 *SO2 b 丫右KDSCALE-2Driver Core+ 15VI4ODVDC電源監(jiān)控驅(qū)動器的一次側(cè)，2個二次側(cè)驅(qū)動通道，配備有本地欠壓監(jiān)控電路。如果出現(xiàn)一次側(cè)電源欠壓故障，2個IGBT被1個負的門極電壓驅(qū)動，從而保持在斷開狀態(tài)（2個通道都閉鎖），故障傳送到2個輸出SO1和S02，直到故障消失。如果

5、一個二次側(cè)電源欠壓， 相應(yīng)的IGBT被1個負的門極電壓驅(qū)動， 從而保持在斷開狀 態(tài)（通道閉鎖），故障傳送到相應(yīng)的 SOx輸出，閉鎖時間之后，SOx輸出自動復(fù)位（返回為 高阻狀態(tài)）。即使較低的電源電壓，驅(qū)動器從IGBT的門極到發(fā)射極之間提供一個低阻。注意：在1個半橋內(nèi)，如果電源電壓低，建議不要用1個IGBT驅(qū)動器操作IGBTs組。否則, 高比率增加的Vce可能會造成這些IGBTs的部分開通 正副邊電源變化規(guī)律：SCALE-2副邊的電源電壓是由 ASIC處理出來的。副邊 DC/DC電源的輸出電壓大約為 25V，由ASIC內(nèi)部分變成+15V及-10V，其中+15V是被穩(wěn)壓的，-10V是不穩(wěn)的。VE管

6、腳 是芯片“造”出來的，內(nèi)部是靠電流源來控制輸出的電壓源Viso是+15V來控制輸出的電壓源。Viso是+ 15V，VE是0V , COM是-10V。因此VE管腳上的靜態(tài)負載的程度對VE的內(nèi)部穩(wěn)壓影響很大。 VE管腳上吞吐的電流只有幾個mA。欠壓保護在驅(qū)動器的原方欠壓的情況下，電源電壓下降過程中，由于DCDC電源是開環(huán)的，所以副邊的+25V也會跟著下降，而 Viso與VE間有穩(wěn)壓電路，故被穩(wěn)定在 +15V，而VE與 COM之間的-10V隨著下降，如果， Viso與COM之間電壓繼續(xù)下降，降至VE對COM為-5.5V時，芯片會將-5.5V穩(wěn)住，同時，Viso與VE之間的+15V開始下降，當(dāng)這個電

7、壓下降 到了 12V的時候，芯片會報欠壓保護，IGBT會被關(guān)短，且門級關(guān)斷電壓被維持在-5.5V。在驅(qū)動器掉電過程，IGBT的關(guān)斷電壓至少保持在-5.5V，因為大功率IGBT都有較強的米勒 效應(yīng)，必須要有負壓才能保證關(guān)斷的可靠，0壓的關(guān)斷是不可靠的！ !短路保護和過流保護的意義及其區(qū)別通常我們說的短路保護和過流保護是不一樣的，是兩個很不一樣的概念，不應(yīng)該混為談。橋臂內(nèi)短路（直通）命名為“一類”短路一 空j - 才r1、硬件失效或軟件失效。2、短路回路中的電感量很 小（100nH 級）。3、VCE sat 檢測。橋臂間短路（大電感短路）-q頁丁工片羣命名為“二類”短路侍卡甘SrUX1、 相間短路

8、或相對地短路=上Ern百亠L(fēng)/2、 短路回路中的電感量稍侍甘甘匕大（uH級的）。 匸一耳3、可以使用Vcesat，也可以使用霍爾，根據(jù)電流變化率來定。4、這類短路的回路中的電感量是不確定的。短路分為一類及二類兩種，但這兩種短路都有一個共同點，那就是，IGBT會出現(xiàn) 退飽和現(xiàn)象”，當(dāng)IGBT 旦退出飽和區(qū)，它的損耗會成百倍的往上升，那么允許持續(xù)這種狀態(tài)的 時會非?？量塘?，只有10us，我們需要靠驅(qū)動器發(fā)現(xiàn)這一行為并關(guān)掉門極。IGBT過流的情況則是，回路電感較大，電流爬升很慢（相對于短路），IGBT不會發(fā)生退飽和現(xiàn)象，但是由于電流比正常工況要高很多，因此經(jīng)過若干個開關(guān)周期后，IGBT的損耗也會比較

9、高，結(jié)溫也會迅速上升，從而導(dǎo)致失效。在這時，IGBT驅(qū)動器一般是不能及時發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的，因為IGBT的飽和壓降的變化很微弱，驅(qū)動器通常識別不到這種變化。所 以需要靠電流傳感器來感知電流的數(shù)值，對系統(tǒng)進行保護。所以，我們認為，IGBT驅(qū)動器是為了解決短路保護，而過流保護則是由電流傳感器來完成 短路的定義IGBT發(fā)生短路時，描述短路電流的數(shù)學(xué)表達式如下，這是一個線性方程。它表示，在 短路發(fā)生時，電流的絕對值與電壓，回路中的電感量，及整個過程持續(xù)的時間有關(guān)系。 絕大部分的短路母線電壓都是在額定點的影響短路電流的因素主要是di U_ _dt L短路回路中的電感量”。因此對短路行為進行分類定義時，短路回

10、路中的電感量是主要的分類依據(jù)。如果短路回路中的電感量再繼續(xù)增大，那么電流變化率就變得更低，此時就不是短路了，變成 過流”了。這時驅(qū)動器是察覺不到這種異常狀態(tài)的，因此在系統(tǒng)中需要電流傳感器來感知電流的絕對數(shù)值，從而進行過流保護”。我們認為，通常IGBT驅(qū)動器是不能進行過流保護的。二類短路與過流之間沒有明顯的界限，學(xué)術(shù)上沒有進行定義，在工程上，可以做一個很粗略的假設(shè)：10A/US以下的電流變化率視為過流”。IGBT退飽和行為，其字面的意思是“退出了飽和區(qū)”，實際就是“進入線性區(qū)”的另外 一種說法。IGBT的電流如果持續(xù)增大，當(dāng)?shù)竭_某一個點（退飽和點）時，IGBT的 Vce會發(fā)生顯著變化，會在非常短

11、的時間內(nèi)（例如幾百納秒內(nèi)）上升至直流母線電壓。退飽和行為的標(biāo)志就是Vcesat上升至直流母線電壓。 Vcesat在飽和區(qū)內(nèi)的變化是非常微弱的，如果想利用飽和壓降的變化來辨識IGBT的電流是很困難的，通常我們只辨識IGBT的退飽和行為。短路的檢測和保護短路保護設(shè)置：設(shè)置Rvce的阻值，以使 R流過電流大約 0.6 1mA，比如Vdc-link電壓為1200V，則 設(shè)置為1.2-1.8M Q。流過的電流不要超過 1mA。而且：在應(yīng)用中，必須考慮 PCB板的最小 爬電距離。參考電壓Vref的設(shè)置，由于內(nèi)部有150uA的電流源，參考電壓；,Rthx 般設(shè)計為68K，則比較電壓為10.2V。短路保護過程

12、：1、 當(dāng)IGBT關(guān)斷時，內(nèi)部 mosfet打開，Cx上電壓被鉗在 COM，比較器不翻轉(zhuǎn)；2、 當(dāng)IGBT導(dǎo)通時，驅(qū)動器內(nèi)部的 MOS管關(guān)閉，藍點電位向紅點充電， 紅點電位從-10V 開始上升（內(nèi)部 mosfet把紅點電位鉗在-10V）, IGBT集電極電位下降至 Vcesat，最終紅點 也到達Vcesat;3、 當(dāng)IGBT短路后，IGBT會退出飽和區(qū)，此時藍點電位迅速上升至直流母線電壓，藍 點會通過電阻向紅點充電，經(jīng)過一段時間后（充電時間取決于直流母線電壓、串聯(lián)電阻值和電容值），紅點電位會上升至綠點，比較器翻轉(zhuǎn)，IGBT被關(guān)斷。門級鉗位：下圖中的紅圈內(nèi)的二極管的作用是門極鉗位，在IGBT短路

13、時，門極電位有可能被抬升,門極鉗位電路可以將門極電位鉗住，以確保短路電流不會過高。在IGBT短路時，集電極電流Ic劇烈上升，由于米勒效應(yīng)的存在，在這個過程中，門級電位也會跟著上升， 而門級電位高于15V ,則短路電流也會沖高， 可能比給定的短路電流 還高，如果不對門級進行鉗位，短路電流可能跑的非常高，IGBT也會超出短路安全工作區(qū)。大部分競爭的驅(qū)動器在過流或短路時是不能限制過壓的。但是對高功率或高壓IGBTs，這卻是必要的。為了解決這個問題，SCALE-2即插即用驅(qū)動器提供了先進有效鉗位功能。先進有效鉗位關(guān)斷電壓尖峰的本質(zhì)：IGBT關(guān)斷時，主回路的雜散電感中所存儲的能量都需要有釋放的途徑，最常

14、見的途徑 就是產(chǎn)生電壓尖峰，在關(guān)斷的過程中，這些能量都以關(guān)斷損耗的形式耗散在IGBT上損耗的形式耗散在IGBT上。然而電壓尖峰太高會損壞IGBT，因此，有源鉗位就是將能量由高而窄的脈沖，轉(zhuǎn)變成矮而寬的脈沖，這個過程中耗散掉的能量仍然是雜散的脈沖，轉(zhuǎn)變成矮而寬的脈沖，這個過程中耗散掉的能量仍然是雜散電感所存儲的能量。有源鉗位電路的本質(zhì)：驅(qū)動器使IGBT的關(guān)斷過程延長目的是將雜散電感的能量耗散在IGBT上，或者說“讓IGBT在線性區(qū)里多待一會”。有效鉗位是，如果集電極-發(fā)射極電壓超過預(yù)定的門檻電壓時，部分開通IGBT的一種技術(shù)。IGBT保持線性工作。基本的有效鉗位拓撲，建立1個單反饋通道，從IGB

15、T的集電極通過暫態(tài)電壓抑制器（TVS ）至 IGBT的門極。2SP0115T SCALE-2驅(qū)動器支持基于以下原則的 CONCEPT先進 有效鉗位：當(dāng)有效鉗位有效時，驅(qū)動器的關(guān)斷 MOSFET斷開，從而改善有效鉗位的有效性，減少TVS上的損耗。圖就是CONCEPT公司推出的 右圖就是 CONCEPT公司推出的基于 SCALE2芯片組的 Advaneed Active Clamping的功能示意圖。當(dāng) TVS被擊穿時，電流IAAC 會流進 ASIC （專 用集成電路）的AAC單元。該單元會根據(jù)IAAC的大小操縱下管 Mosfet。當(dāng)該電流大于40mA 時，下管Mosfet開始被線性地關(guān)斷，當(dāng)電流

16、大于 500mA時，下管Mosfet完全關(guān)閉。此時門極處于開路狀態(tài)，Iz會向門極電容充電， 使門極電壓從米勒平臺回到 +15V從而 使關(guān)斷電流變緩慢達到電壓鉗位的效果這個電臺回到+15V ,從而使關(guān)斷電流變緩慢， 達到電壓鉗位的效果。這個電路的特點是 TVS的負載非常小，TVS的工作點非常接近額定點，電路原理圖（左）鉗位的準(zhǔn)度大大提高。先進的仃源卿111血h1IlfIQ dinI在DC-link電壓800V，集電極電流 900A（正常集電極電流的 2倍）時，450A/1200V IGBT模塊關(guān)斷特性下圖是關(guān)斷7500A電流（短路 圖是關(guān)斷 流短路測試）時產(chǎn)生的有源鉗位動作。黃線為Vge ；藍線

17、為Vce ；綠線為Ic（2KA/格）可以看出：1門極波形從15V下跳時，Ic開始下降，同時產(chǎn)生了電壓尖峰峰高 2電壓尖峰最高到達約 2600V，然后被鉗在2500V3. 電流在下降過程中的斜率被改變了4通常需要500ns就能關(guān)斷的電流用了1.5us才被完全關(guān)斷Gl vertitJ3l Timebase Thger 傳pi射 CiirtofeMalh An-afs UlJiiiieUmJCsgPi maan(C)-i.ii vP3:max(C3)2.7 J kVMeasuno value 卅uwP4:ma(C4)F5:-3 76 VaTunolBei 何 u克uS 0 00 v offset L

18、11-10Wr9 97 V01.13 VLeCrovr12UU WQIV1 oo0 mV offset-1 495 EV2.900 of!LIftliVI7L? J17 Vt*0KVif3 5D2KVr1.816V0200 mVA19VtrvP2:me?n(Cfl)1.211V5U0 nsJtj25.0 kS 5 0 GSJsXI- -1盼X2=964.8ns 1 込魁 4.292 MHz|Ung for Trigger因為有源鉗位的動作點實際上是一個范圍，在CONCEPT產(chǎn)品(即插即用)的中通常會給出對母線電壓最大值的約束 不會直接給出有源 datasheet中，通常會給出對母線電壓最大值

19、的約束，而不會直接給出有源鉗位點的數(shù)值。如下圖 (1SP0635-33)。DC-link voltageSwitching operation (Note 11)Off state (Note 12)22002700F圖為 2SP0320-12:Delink voltageNote 4800 VOrder coderm maxVRMVBH h(D25 CC35 CmintypraVVmASMBJ130A/CA0211301441521需要注意，以上截圖中討論的母線電壓都是穩(wěn)態(tài)值，不是指的電壓尖峰。在有源鉗位電路中，TVS是 最關(guān)鍵的元件。下面以ST公司的 SMBJ130A為例進行解讀。該器 件

20、漏電流為1uA時，電壓為130V ； 其 漏電流為1uA時，電壓為 130V ;其擊穿點是電流為1mA 時，此時電壓為144V152V。當(dāng)6片SMBJ130A串聯(lián)在一起，則其擊穿門檻的最低值為144V X 6=864V，典型值為152X 6=912V?？梢钥闯?，由于TVS目前的技術(shù)水平所限，其擊穿點的電壓是比較寬的是一個 范圍 其擊穿點的電壓是比較寬的，是個范圍。TVS的溫度特性是正溫度特性的，ST公司的SMBJ130A的溫度系數(shù)大 TVS的溫度特性 是正溫度特性的，ST公司的SMBJ130A的溫度系數(shù)大約為+1%。；其他品牌的溫度系數(shù)都能在datashee中查到。在-40度時，TVS的擊穿點

21、比25度時大約下降6%8%. TVSD女和推薦使用-ABOV TVS.用J;600V的IGBT*直流母線電汗最髙j430V,便用Semikron生產(chǎn)的五亍單向TVS P6SMBJ70A和-仆奴問TVS P6SMBJ7OCA,或ViShay生產(chǎn)的血個單向TVS SMBJ70A-E3和牛垠向TV5 SMBJ7OCA-E3,可抉時艮好的箝位效果。-八:個150V IVS,用于lf200V的IGBT*頁流母線電壓最高為800V。使用悒生產(chǎn)的五個單向TVS SMBJ130A-E3fll 個XZ向TVS SMBJ130CA-E3,或ST生產(chǎn)的五個單向TVS SMBJ130A訂R和DiDt弐生產(chǎn) 的一牛雙向

22、T/5 P6SMBJ130CA.可獲得良好的郭位效果-六個220V TVS,用于1,700V的IGBT,直流母線電壓最高為1,200V.使用Diotec生產(chǎn)的五個單向TVS P6SMB220A和一個雙向IV P6SMB220O+Vishay生產(chǎn)的五牛單向TVS SMBJ188A-E3和一個奴向TVSSMBJ188CA-E3, nJ獲得良好的箱位效果,每個通道必須使用至少一個寂向TV5 (D以免在IGBT塊的反并聯(lián).極管開通時由于戲正向恢復(fù)行為 而造成負序電流通過TVS鏈.棍據(jù)具體的應(yīng)用.此類電流可導(dǎo)致副方VISOMVEx (15V)電源電壓欠壓.請注意可以修改讎中的TVSJS量.如果總篇值電壓

23、仍保持相同的值,則町通過増加中便用的TVSftfi 來提高冇源箝位的效率 另諸注意，冇源箝位的效率高度依戴I使用的TVS類型(如制造商)通常在大功率的IGBT的應(yīng)用中，有源鉗位的功能是非常必要的，而功率越小，必要性越低。其原因是隨著系統(tǒng)的功率變大，IGBT的di/dt會增大，且雜散電感也會越大，因此電壓尖峰會越高。下表說明不同IGBT在關(guān)斷額定電流時的di/dt的水平IGBT型號關(guān)斷額定電流時的di/dtPF150R12KT41.500A/usFF600R121E44000A/usF1400R12IP47000A/us在IGBT短路時，關(guān)斷短路電流的di/dt會更高，比關(guān)斷額定電流要高很多在IGBT短路時，關(guān)斷短路電流的di/dt會更高，比關(guān)斷額定電流要高很多，因此短路時電壓尖峰更高。所以有 可能出現(xiàn)，驅(qū)動器發(fā)現(xiàn)了 IGBT的短路現(xiàn)象，并且也及時關(guān)斷，但是由于di/