一種專為IGBT和MOSFET設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器參考模板

1、一種專為IGBT和MOSFET設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口,是電力電子裝置的重要環(huán)節(jié),對(duì)整個(gè)裝置的性能有很大的影響.采用性能良好的驅(qū)動(dòng)電路可使電力電子器件工作在比較理想的開(kāi)關(guān)狀態(tài),同時(shí)可縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間,減少開(kāi)關(guān)損耗,這對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義.驅(qū)動(dòng)電路的常用形式是由分立元件構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路,但目前的趨勢(shì)是采用專用的集成驅(qū)動(dòng)電路.SCALE集成驅(qū)動(dòng)器就是由瑞士CONCEPT公司生產(chǎn)的、專為IGBT和電力MOSFET提供驅(qū)動(dòng)的電路.它具有多功能、低成本、易使用、可靠性好等特點(diǎn).根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中對(duì)驅(qū)動(dòng)性能、驅(qū)動(dòng)輸出通道數(shù)目、隔離等不同要求,S

2、CALE集成驅(qū)動(dòng)器具有相應(yīng)的不同型號(hào)因而可滿足不同的需求.由于各種不同型號(hào)的SCALE集成驅(qū)動(dòng)器在功能、結(jié)構(gòu)和使用方法上大同小異,故本文不針對(duì)某種具體型號(hào)的SCALE器件作敘述,而是對(duì)整個(gè)系列的SCALE器件的共性進(jìn)行論述,以便使讀者對(duì)SCALE器件有一個(gè)整體的認(rèn)識(shí),在應(yīng)用時(shí)再根據(jù)具體的需要選擇具體型號(hào)的SCALE芯片.本文首先介紹SCALE集成驅(qū)動(dòng)器的性能特點(diǎn)和內(nèi)部結(jié)構(gòu);然后介紹它在中頻DBD型臭氧發(fā)生器電源中的應(yīng)用,并給出了實(shí)驗(yàn)波形.2 / 131 SCALE的性能特點(diǎn)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.1 SCALE驅(qū)動(dòng)器的性能特點(diǎn)SCALE器件提供的驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)18A,輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的導(dǎo)通電平為+15V,關(guān)斷

3、電平為-15V;開(kāi)關(guān)頻率范圍為0100kHz;具有500V10kV的電氣隔離特性;占空比為0100%.同時(shí),這種器件內(nèi)部還帶有短路和過(guò)流保護(hù)電路、隔離的狀態(tài)識(shí)別電路、電源檢測(cè)電路和DC/DC開(kāi)關(guān)電源.1.2 SCALE驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) SCALE器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示(兩通道).由圖可見(jiàn)驅(qū)動(dòng)器由三個(gè)功能單元組成.第一個(gè)功能單元是邏輯與驅(qū)動(dòng)電路接口(LDI),用于驅(qū)動(dòng)兩個(gè)通道.當(dāng)加在輸入端InA和InB的PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后,其驅(qū)動(dòng)信息被分別送到每個(gè)驅(qū)動(dòng)通道的脈沖變壓器.由于變壓器不易傳輸頻率范圍和占空比都比較寬的PWM信號(hào),因此,LDI主要用來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題.LDI的主要功能如下:(1) 為用

4、戶提供一個(gè)簡(jiǎn)單的接口.它的兩個(gè)信號(hào)輸入端都有施密特觸發(fā)電路;(2) 提供簡(jiǎn)單的邏輯電源接口;(3) 在半橋方式中產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間;(4) 對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行編碼,以便通過(guò)脈沖變壓器傳輸;(5) 評(píng)估脈碼狀態(tài)識(shí)別信號(hào)及隨后的緩沖,以便為用戶提供一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)的識(shí)別信號(hào).SCALE驅(qū)動(dòng)器可與任何邏輯接口和電平兼容,無(wú)須附加其它電路.脈沖變壓器負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離,同時(shí)可將來(lái)自每個(gè)通道的信息反饋給LDI.第二個(gè)功能單元是智能門極驅(qū)動(dòng)器(IGD).對(duì)應(yīng)于每個(gè)驅(qū)動(dòng)通道都有一個(gè)IGD.其主要功能如下:(1)接受來(lái)自脈沖變壓器的脈碼信號(hào),并將其復(fù)原成PWM信號(hào);(2)對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行放大,并驅(qū)動(dòng)功率管;(3)對(duì)功率器件

5、進(jìn)行短路及過(guò)流保護(hù);(4)欠壓監(jiān)測(cè);(5)產(chǎn)生響應(yīng)和關(guān)斷時(shí)間;(6)傳輸狀態(tài)識(shí)別信號(hào)給LDI.第三個(gè)功能單元是集成DC/DC電源.所有標(biāo)準(zhǔn)的SCALE驅(qū)動(dòng)器都有一個(gè)DC/DC變換器,以便為各個(gè)驅(qū)動(dòng)通道提供工作電源.因此,該驅(qū)動(dòng)器只需一個(gè)穩(wěn)定的15V直流電源.2 SCALE驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用SCALE集成驅(qū)動(dòng)器是專為IGBT和電力MOSTET而設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器,可應(yīng)用于多種電力電子裝置或設(shè)備.在應(yīng)用SCALE驅(qū)動(dòng)器時(shí),應(yīng)首先考慮以下三個(gè)問(wèn)題:第一是工作方式的選擇;第二是驅(qū)動(dòng)器工作電平和門限電阻Rth的確定;第三是故障狀態(tài)信號(hào)與控制電路的接口.2.1 工作方式的選擇SCALE驅(qū)動(dòng)器有兩種工作方式:直接和半橋

6、方式.直接方式的連線圖如圖2所示.該方式下,MOD輸入端接VCC,RC1和RC2接地,PWM信號(hào)同時(shí)接INA和INB, SO1和SO2引出兩個(gè)狀態(tài)反饋信號(hào).當(dāng)驅(qū)動(dòng)器工作在直接方式時(shí),驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)通道之間沒(méi)有聯(lián)系,兩個(gè)通道總是同時(shí)被驅(qū)動(dòng).死區(qū)時(shí)間由控制電路確定.半橋方式的連線圖如圖3所示.在該方式下,MOD輸入端接地,INA輸入PWM信號(hào),INB輸入使能信號(hào).由于兩個(gè)狀態(tài)輸出端SO1和SO2接在一起,所以兩個(gè)驅(qū)動(dòng)通道輸出同一故障信號(hào).死區(qū)時(shí)間由RC1和RC2的外接電路來(lái)確定.2.2 邏輯電平的確定及Rth的計(jì)算該邏輯電平可由驅(qū)動(dòng)器的VL/Reset輸入端來(lái)確定.VL/Reset端的電壓值決定了輸

7、入InA和InB施密特觸發(fā)器的觸發(fā)上限電平為2VL/3,下限觸發(fā)電平為VL/3.由于輸入端InA、InB具有施密特觸發(fā)特性,所以SCALE驅(qū)動(dòng)器能處理515V之間的任何邏輯電平,也就是說(shuō):控制電路與SCALE驅(qū)動(dòng)器之間可以不附加其它電路.圖2和圖3分別給出了TTL電平和15V電平時(shí),VL/Reset端的連線圖.電阻Rth的作用是用來(lái)定義當(dāng)功率管導(dǎo)通時(shí)的最大管壓降,它和其它元件一起構(gòu)成了Vce監(jiān)測(cè)電路.當(dāng)功率管導(dǎo)通時(shí)的管壓降大于由Rth定義的最大管壓降時(shí),Vce監(jiān)測(cè)電路便輸出故障報(bào)警信號(hào),并關(guān)斷功率管.Rth的計(jì)算公式為: Rth=Vth/150A.式中,Vth為關(guān)斷閾值電壓,150A為驅(qū)動(dòng)器內(nèi)

8、置電流源.2.3 故障狀態(tài)輸出狀態(tài)輸出采用的是集電極開(kāi)路形式,以便與其它邏輯電平匹配.輸出時(shí)須接上拉電阻.當(dāng)電源電壓低于10V時(shí)IGD執(zhí)行欠壓保護(hù)功能輸出負(fù)門極電壓可關(guān)斷功率管并輸出故障報(bào)告;當(dāng)Vce監(jiān)測(cè)電路檢測(cè)到短路或過(guò)電流時(shí),IGD執(zhí)行短路或過(guò)流保護(hù)功能,此時(shí)關(guān)斷功率管的輸出為故障報(bào)告信號(hào).SCALE器件在檢測(cè)到電路故障時(shí),其封鎖時(shí)間為1s左右.驅(qū)動(dòng)器一旦被檢測(cè)到有故障,輸出晶體管將被拉低,而在正常情況下,晶體管輸出高電平.2.1 工作方式的選擇SCALE驅(qū)動(dòng)器有兩種工作方式:直接和半橋方式.直接方式的連線圖如圖2所示.該方式下,MOD輸入端接VCC,RC1和RC2接地,PWM信號(hào)同時(shí)接I

9、NA和INB, SO1和SO2引出兩個(gè)狀態(tài)反饋信號(hào).當(dāng)驅(qū)動(dòng)器工作在直接方式時(shí),驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)通道之間沒(méi)有聯(lián)系,兩個(gè)通道總是同時(shí)被驅(qū)動(dòng).死區(qū)時(shí)間由控制電路確定.半橋方式的連線圖如圖3所示.在該方式下,MOD輸入端接地,INA輸入PWM信號(hào),INB輸入使能信號(hào).由于兩個(gè)狀態(tài)輸出端SO1和SO2接在一起,所以兩個(gè)驅(qū)動(dòng)通道輸出同一故障信號(hào).死區(qū)時(shí)間由RC1和RC2的外接電路來(lái)確定.2.2 邏輯電平的確定及Rth的計(jì)算該邏輯電平可由驅(qū)動(dòng)器的VL/Reset輸入端來(lái)確定.VL/Reset端的電壓值決定了輸入InA和InB施密特觸發(fā)器的觸發(fā)上限電平為2VL/3,下限觸發(fā)電平為VL/3.由于輸入端InA、InB

10、具有施密特觸發(fā)特性,所以SCALE驅(qū)動(dòng)器能處理515V之間的任何邏輯電平,也就是說(shuō):控制電路與SCALE驅(qū)動(dòng)器之間可以不附加其它電路.圖2和圖3分別給出了TTL電平和15V電平時(shí),VL/Reset端的連線圖.3 在中頻DBD型臭氧發(fā)生器中的應(yīng)用圖4所示是一個(gè)中頻DBD型臭氧發(fā)生器電源系統(tǒng)的原理框圖.圖中,整個(gè)電源系統(tǒng)可分為主電路、控制電路和驅(qū)動(dòng)電路,主電路包括整流電路和逆變電路;控制電路主要包括PWM控制電路、晶閘管智能模塊觸發(fā)控制電路、保護(hù)電路和軟啟動(dòng)電路.其中整流電路采用三相全控整流電路,逆變電路則采用全橋結(jié)構(gòu).驅(qū)動(dòng)電路采用SCALE集成驅(qū)動(dòng)器,型號(hào)為2SD315A,采用的工作方式為半橋工

11、作方式,接線圖如圖5所示.圖中只給出一塊驅(qū)動(dòng)器的接線圖,另一塊可用相同的方法連接.2SD315A具有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)通道,因而此系統(tǒng)需要兩個(gè)2SD315A集成驅(qū)動(dòng)器,一個(gè)SCALE驅(qū)動(dòng)器可驅(qū)動(dòng)同一橋臂的上下兩功率管,工作波形如圖6所示.PWM控制電路采用SG3525集成芯片.SG3525產(chǎn)生的PWM波形經(jīng)SCALE驅(qū)動(dòng)器后可輸出G1和G2門極驅(qū)動(dòng)信號(hào).圖中G1和G2分別為同一橋臂上下管的門極驅(qū)動(dòng)信號(hào),它們之間有死區(qū)時(shí)間.另一橋臂上下兩管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)在時(shí)序關(guān)系上與G1、G2相同.全橋逆變器的功率管采用IGBT,在工作時(shí),全橋結(jié)構(gòu)中的斜對(duì)管將同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷.另外,由于SCALE集成驅(qū)動(dòng)器能處理515V之間的

12、任何邏輯電平,故可使驅(qū)動(dòng)電路與控制電路的接口得到簡(jiǎn)化,同時(shí)SG3525芯片與2SD315A間也無(wú)需電平轉(zhuǎn)換電路.4 結(jié)束語(yǔ)實(shí)踐證明,在中頻DBD型臭氧發(fā)生器電源中,驅(qū)動(dòng)電路采用SCALE集成驅(qū)動(dòng)器后,驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)變得更為簡(jiǎn)單、功能更加強(qiáng)大、可靠性更高.與IPM相比,SCALE驅(qū)動(dòng)器只需極少的外圍電路,但能提供更靈活的開(kāi)關(guān)特性,而且還可以靈活的選擇Vce檢測(cè)電路.可以預(yù)見(jiàn):SCALE驅(qū)動(dòng)器將以其優(yōu)良的性能在電力電子裝置中得到廣泛的應(yīng)用. 電阻Rth的作用是用來(lái)定義當(dāng)功率管導(dǎo)通時(shí)的最大管壓降,它和其它元件一起構(gòu)成了Vce監(jiān)測(cè)電路.當(dāng)功率管導(dǎo)通時(shí)的管壓降大于由Rth定義的最大管壓降時(shí),Vce監(jiān)測(cè)電路便輸出故障報(bào)警信號(hào),并關(guān)斷功率管.Rth的計(jì)算公式為: Rth=Vth/150A.式中,Vth為關(guān)斷閾值電壓,150A為驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置電流源.2.3 故障狀態(tài)輸出狀態(tài)輸出采用的