自舉式2ED020I12F芯片在IGBT驅動電路中的應用

1、自舉式2ED020I12-F芯片在IGBT驅動電路中的應用驅動/自舉/2ED020I12-F/IGBT1 引言 隨著電力電子技術的發(fā)展，各種開關器件如power MOSFET、IGBT（絕緣柵雙極晶體管）等功率開關器件得到越來越廣泛的應用，同時各種開關器件的驅動芯片也同樣得到了高度的重視。目前大多數(shù)的驅動集成電路采用直接驅動或隔離驅動的方式。隔離驅動的集成驅動芯片，如EXB841系列、TLP250等，這種芯片的特點是只能驅動單個功率管，且每路驅動都要一組獨立的電源，增加了電源電路和驅動電路設計的復雜性。德國英飛凌公司生產(chǎn)的2ED020I12-F驅動芯片是一種雙通道高壓、高速電壓型功率開關器件柵

2、極驅動器，具有自舉浮動電源，驅動電路簡單，單片2ED020I12-F驅動芯片可同時驅動逆變電路上下橋臂，三相橋式逆變電路僅用一組電源即可。使用2ED020I12-F驅動芯片可以減小裝置體積，降低成本，提高系統(tǒng)的可靠性。2 2ED020I12-F驅動芯片的內部結構和特點 2ED020I12-F芯片內部結構如圖1所示，其中包括：邏輯邏入、電平轉換、欠電壓保護、無核心變壓器（CLT），一個通用運算放大器和一個通用比較器。 芯片采用上下橋臂分別獨立供電，當VSH和VSL兩端電壓均在13V18V之間時，驅動芯片正常工作，當兩端電壓低于11V時，芯片內部啟動欠電壓保護；邏輯輸入端采用施密特觸發(fā)電路，提高抗

3、干擾能力，輸入邏輯電路與3.3V和5V的TTL電平兼容；當/SD引腳為低電平時，InH和InL封鎖脈沖，模塊關閉信號輸入；當InH和InL同時為高電平時，模塊自動檢測到邏輯錯誤，關閉驅動芯片輸出。通用的運算放大器和比較器可以用于逆變橋下橋臂IGBT的電流檢測。 為了保證信號傳輸時上下橋臂各通道相對獨立，在芯片內部上橋臂端引入一個微小無核心變壓器（CLT）作為上橋臂和下橋臂之間的電氣屏蔽層。信號在無核心變壓器（CLT）一側通過專門的編碼發(fā)射器發(fā)送，在另一側以相應的接收器恢復。通過這種方式，由GNDH（dVGNDH/dt或磁通量（d/ dT）的變化而產(chǎn)生的EMI可以得到很好抑制。為了補償發(fā)射器傳輸

4、、無核心變壓器和接收器所產(chǎn)生的傳輸延遲，在下橋臂引入了一個專用的傳播延遲（Delay）。這種無核心變壓器的隔離方式不僅集中了光耦隔離和集成電平位移等方法的優(yōu)點，而且避免了缺點。提供了可靠的電氣隔離并且保證了輸入輸出信號的傳輸。圖1 2ED020I12-F內部結構圖2 帶外部保護的驅動電路3 2ED020I12-F驅動芯片典型電路工作原理 2ED020I12-F驅動芯片的最大開關頻率可以穩(wěn)定的達到60kHz，所以它既可以驅動IGBT，又可以驅動場效應管MOSFET。所以2ED020I12-F驅動芯片的應用領域非常廣泛，可以用于各種中小功率逆變電源，中小功率變頻器以及電機馬達的驅動電路中。3.1

5、自舉電路的設計 自舉電路也叫升壓電路，通常由二極管和電容組成，利用自舉升壓電容存儲電壓，自舉升壓二極管防止電流倒灌，使電容放電電壓和電源電壓疊加，從而使電壓升高。自舉二極管主要用于阻斷直流干線上的高壓，二極管承受的電流是柵極電荷與開關頻率之積。為了減少電荷損失，應選用反向漏電流小的快恢復二極管（高頻二極管），例如IN4148、FR107等。 自舉電容的選擇比較關鍵，下橋臂導通時給電容充電，當上橋臂導通時電容依靠自身存儲的能量維持上橋臂柵極為高電平。如果電容選取的過大，可能使下橋臂關斷時電容兩端還沒有達到要求的電壓；而電容選擇較小則會導致電容存儲的能量不夠維IGBT持柵源電壓在上橋臂導通時間內為

6、定值。有可能的話最好選擇非電解電容，且電容應盡可能的靠近芯片。有公式（1）計算所得的自舉電容的值具有足夠的穩(wěn)定性。 （1）式中：QG門級電荷； IQ驅動器靜態(tài)電流； IL電解電容的漏電流； fs開關頻率； VDD電源電壓； VF自舉二極管正向導通電壓； VCEIGBT下橋臂集射級電壓差。 一般情況下為保證自舉電容將柵源電壓持續(xù)一段時間，選電容容值為其最小值的10倍左右。 低端驅動器能夠耦合中等功率變換器的接地波動。但是，這里要求電路板上驅動芯片的GND引腳和GNDL引腳必須以盡可能短的線連接，可以減小由于接點波動引起的壓降。3.2 電流檢測電路 在變頻調速系統(tǒng)中，電流檢測電路常用來在電動機系統(tǒng)

7、短路或者過電流是進行保護，可見在一個變頻調速系統(tǒng)中電流檢測是尤為重要的。2ED020I12-F驅動芯片本身具有一個通用運算放大器和一個通用電壓比較器，可以很容易得到一個過電流檢測的電路。首先通過采樣電阻Rsh將電流信號轉換成電壓信號，通過R3、C7組成的RC濾波電路將電流檢測信號Vin送入運算放大器的正向輸入端(OP+)，運放輸出： VOP=（1+R6/R5）Vin （2） 這里要求運放的放大倍數(shù)至少為10，運放才能取得比較好的放大效果。一般取R6=10R5。電流檢測信號經(jīng)運放放大后輸入通用比較器的正向輸入端，通用比較器的負向輸入端外接一個參考電壓，當比較器的正向輸入電壓小于負向輸入電壓時，比

8、較器輸出為低電平，比較器輸出與芯片的/SD引腳相連，/SD為低電平有效，此時為非過流狀態(tài)，2ED020I12-F正常工作；當比較器的正向輸入電壓大于負向輸入電壓時，比較器輸出為高電平，/SD無效，2ED020I12-F芯片啟動內部保護功能，封鎖輸出脈沖，OUTH和OUTL端口均無驅動信號輸出，上下橋臂IGBT均關斷，變頻調速系統(tǒng)停機不工作，從而起到保護的效果。3.3 負壓電路在大功率IGBT的驅動場合，驅動芯片各路電源相互獨立，集成驅動芯片一般都有產(chǎn)生負壓的功能，即在IGBT關斷時在IGBT的柵極加負電壓，一般為-5V或-8V。作用是為了增強IGBT關斷的可靠性，防止由于密勒效應而造成的IGB

9、T誤導通。2ED020I12-F驅動芯片本身并不具備產(chǎn)生負壓的功能，但是可以通過幾個簡單的無源器件構成一個產(chǎn)生負壓的電路。如圖2所示，在上下橋臂的驅動電路中加上一個由電容和5V穩(wěn)壓管并聯(lián)組成的負壓電路。工作原理為，電源電壓為18V，電源通過電阻R7給電容C6充電，電容C6兩端電壓為+5V。當InL輸入為高電平時，OUTL輸出為高電壓18V，這時加在下橋臂Q2柵極上的電壓為18V-5V=13V，IGBT正常道通。當InL輸入為低電平時，OUTL輸出為0V，此時柵極上的電壓為5V，實現(xiàn)了關斷時產(chǎn)生負壓。同理對于上橋臂，當InH為高電平時，OUTH輸出為18V，加在Q1柵極上的電壓為13V；當InH

10、為低電平時，OUTH輸出為0V，Q1柵極電壓為-5V。由于IGBT為電壓型驅動器件，所以電容C5、C6上的電壓波動較小，基本維持在5V不變，自舉電容上的電壓也維持在18V，只有在下橋臂Q2導通的瞬間有一個很短暫的充電過程，電容C5的沖充電過程也在此時完成。這里電容C5、C6一般要大于IGBT柵極的柵極輸入的寄生電容。此負壓電路與一般帶負壓的驅動芯片產(chǎn)生負壓的原理相同，直流母線上會疊加5V的直流電壓。3.4 其它抗干擾措施 在InH、InL、/SD引腳信號輸入端分別各接一個680pF的旁路電容，電容里驅動芯片要盡量近，這樣可以有效的去處輸入信號中的干擾。通過合理布線、降低器件安裝高度等減小寄生參數(shù)，采用增加自舉電容、給自舉二極管串接一個電阻等方式改善局部退耦，可以減小GNDH腳瞬間負偏壓。圖3 2ED020I12-F驅動芯片輸出PWM信號圖4 帶負載時變頻電源輸出波形圖4 應用示例 在小功率逆變電源的設計中，用2ED020I12-F驅動芯片組成逆變橋IGBT的驅動電路。當逆變電源開始工作時，如圖3所示為驅動芯片輸出的PWM信號，圖4為變頻電源輸出波形（為測量方便，這里取變頻電源輸出電壓實際值的1/4）。實驗結果表明，當輸入電壓幅值在330V480V變化時，負載由08A變化的各種情況下，輸出電壓為Vo=220V，誤差保持在5%內。由以上