IGBT智能化驱动板SCALE
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增大字体摘要：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。
关键词：IGBT；驱动模块；SCALE
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。
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作者：佚名
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