concept的IGBT驱动板原理解读要点

1、2 S P0板子的解读a、有电气接口，即插即用，适用于17mn管IGBT模块b、基于SCALE-2芯片组双通道驱动器命名规则：15T? Atmi电压将ta/wi块1M本号,1大事号1值号的扁离技术出IM电送.单位：AIfciMW, 单位：W卢昌央31产品展列MB工作框图2t利8AzCarrzALWGHCian-e 2i=i f co M I pIGD惘GLMOD （模式选择）MOD输入，可以选择工作模式直接模式如果MOD输入没有连接（悬空），或连接到VCC,选择直接模式，死区时间由控制器 设定。该模式下，两个通道之间没有相互依赖关系。输入 INA直接影响通道1,输入INB 直接影响通道2。在输

2、入（INA或INB）的高电位，总是导致相应IGBT的导通。每个IGBT 接收各自的驱动信号。半桥模式如果MOD输入是低电位（连接到 GND）,就选择了半桥模式。死区时间由驱动器内部 设定，该模式下死区时间 Td为3uso输入INA和INB具有以下功能：当INB作为使能输入 时，INA是驱动信号输入。当输入INB是低电位，两个通道都闭锁。如果 INB电位变高，两个通道都使能，而且 跟随输入INA的信号。在INA由低变高时，通道 2立即关断，1个死区时间后，通道 1导 通。INB0V-LLIBoth channels OFFGate G11 rwfJ 1 q* I U V+ 15V-Gsts G2

3、-_(-10V 1r1L匕LrDead time (bolTi channels OFFj只有在控制电路产生死区时间的情况下，才能选择该模式，死区时间由电阻设定。典型值和经验公式：Rm（k Q ）=33*Td（us）+56.4 范围：0.5usTd3,8us , 73k Q Rm1k?的上拉电阻上拉至 VCC。如果发生故障，相应的SOx输出将被拉到 GND。建议将该电阻放置 得尽可能靠近驱动器。图中100?电阻可保护缓冲器免受电磁干扰。下拉电阻R5可保护控制器输入免受电压尖峰影响。2、在图（下图）中，由10?电阻和肖特基二极管构成的保护网络可保护驱动器的SOx输出。+ 1SV下文的Tb （典T

4、B （调整闭锁时间TB的输入）该端子TB,允许通过连接1个外部电阻到 GND,来减少工厂设定的闭锁时间。 等式计算管脚TB和GND之间的必须连接的电阻 Rb的值，以设定要求的闭锁时间 型值）：7650 +15099 -审切20es 72x90ms9us （典型值）。通过选择Rb=0 Q ,闭锁时间也可以设置为最小值如果不使用，输入 TB可以悬空。电源监控驱动器的一次侧,2个二次侧驱动通道，配备有本地欠压监控电路。如果出现一次侧电源欠压故障，2个IGBT被1个负的门极电压驱动，从而保持在断开状态（2个通道都闭锁），故障传送到2个输出SO1和SO2,直到故障消失。如果一个二次侧电源欠压， 相应的I

5、GBT被1个负的门极电压驱动， 从而保持在断开状 态（通道闭锁），故障传送到相应的 SOx输出，闭锁时间之后，SOx输出自动复位（返回为 高阻状态）。即使较低的电源电压，驱动器从IGBT的门极到发射极之间提供一个低阻。注意：在1个半桥内，如果电源电压低，建议不要用1个IGBT驱动器操作IGBTs组。否则, 高比率增加的Vce可能会造成这些IGBTs的部分开通 正副边电源变化规律：SCALE-2副边的电源电压是由 ASIC处理出来的。副边 DC/DC电源的输出电压大约为 25V,由ASIC内部分变成+15V及-10V,其中+15V是被稳压的，-10V是不稳的。VE管脚 是芯片“造”出来的，内部是

6、靠电流源来控制输出的电压源Viso是+15V来控制输出的电压源。Viso是+ 15V , VE是0V , COM是-10V。因此VE管脚上的静态负载的程度对VE的内部稳压影响很大。 VE管脚上吞吐的电流只有几个mA。欠压保护在驱动器的原方欠压的情况下，电源电压下降过程中，由于 DCDC电源是开环的，所 以副边的+25V也会跟着下降，而 Viso与VE间有稳压电路，故被稳定在 +15V,而VE与 COM之间的-10V随着下降，如果， Viso与COM之间电压继续下降，降至 VE对COM为 -5.5V时，芯片会将-5.5V稳住，同时，Viso与VE之间的+15V开始下降，当这个电压下降 到了 12

7、V的时候，芯片会报欠压保护，IGBT会被关短，且门级关断电压被维持在-5.5V。在驱动器掉电过程，IGBT的关断电压至少保持在-5.5V,因为大功率IGBT都有较强的米勒 效应，必须要有负压才能保证关断的可靠，0压的关断是不可靠的！ !短路保护和过流保护的意义及其区别通常我们说的短路保护和过流保护是不一样的，是两个很不一样的概念，不应该混为谈。桥臂内短路（直通）命名为“一类”短路1、硬件失效或软件失效。2、短路回路中的电感量很小（100nH 级）。3、VCE sat 检测。桥臂间短路（大电感短路） 命名为“二类”短路1、相间短路或相对地短路2、短路回路中的电感量稍大（uH级的）。3、可以使用V

8、cesat ,也可以使用霍尔，根据电流变化率来定。4、这类短路的回路中的电感量是不确定的。短路分为一类及二类两种，但这两种短路都有一个共同点，那就是，IGBT会出现 退饱和现象”，当IGBT一旦退出饱和区，它的损耗会成百倍的往上升，那么允许持续这种状态的 时会非常苛刻了，只有10us,我们需要靠驱动器发现这一行为并关掉门极。IGBT过流的情况则是，回路电感较大，电流爬升很慢（相对于短路），IGBT不会发生退饱和现象，但是由于电流比正常工况要高很多，因此经过若干个开关周期后，IGBT的损耗也会比较高，结温也会迅速上升，从而导致失效。在这时，IGBT驱动器一般是不能及时发现这一现象的，因为IGBT

9、的饱和压降的变化很微弱，驱动器通常识别不到这种变化。所 以需要靠电流传感器来感知电流的数值，对系统进行保护。所以，我们认为，IGBT驱动器是为了解决短路保护，而过流保护则是由电流传感器来完成 短路的定义IGBT发生短路时，描述短路电流的数学表达式如下，这是一个线性方程。它表示，在 短路发生时，电流的绝对值与电压，回路中的电感量，及整个过程持续的时间有关系。 绝大部分的短路母线电压都是在额定点的影响短路电流的因素主要是di U dt L短路回路中的电感量因此对短路行为进行分类定义时，短路回路中的电感量是主要的分类依据。如果短路回路中的电感量再继续增大，那么电流变化率就变得更低，此时就不是短路了，

10、变成 过流”了。这时驱动器是察觉不到这种异常状态的，因此在系统中需要电流传感器来感知电流的绝对数值，从而进行过流保护我们认为，通常IGBT驱动器是不能进行过流保护的。二类短路与过流之间没有明显的界限，学术上没有进行定义，在工程上，可以做一个很粗略的假设：10A/us以下的电流变化率视为过流”。IGBT退饱和行为，其字面的意思是“退出了饱和区”，实际就是“进入线性区”的另外一种说法。IGBT的电流如果持续增大，当到达某一个点（退饱和点）时，IGBTVce会发生显著变化，会在非常短的时间内（例如几百纳秒内）上升至直流母线电压。 退饱和行为的标 志就是Vcesat上升至直流母线电压。 Vcesat在

11、饱和区内的变化是非常微弱的， 如果想利用饱 和压降的变化来辨识IGBT的电流是很困难的，通常我们只辨识 IGBT的退饱和行为。短路的检测和保护短路保护设置：设置Rvce的阻值，以使 R流过电流大约 0.61mA,比如Vdc-link电压为1200V,则 设置为1.2-1.8M Qo流过的电流不要超过 1mA。而且：在应用中，必须考虑 PCB板的最小 爬电距离。参考电压Vref的设置，由于内部有150uA的电流源，参考电压 一火而，Rthx一般设计为68K,则比较电压为10.2V。短路保护过程：1、当IGBT关断时，内部 mosfet打开，Cx上电压被钳在 COM ,比较器不翻转；2、当IGBT

12、导通时，驱动器内部的 MOS管关闭，蓝点电位向红点充电， 红点电位从-10V 开始上升（内部 mosfet把红点电位钳在-10V）, IGBT集电极电位下降至 Vcesat,最终红点 也到达Vcesat;3、当IGBT短路后，IGBT会退出饱和区，此时蓝点电位迅速上升至直流母线电压，蓝 点会通过电阻向红点充电，经过一段时间后（充电时间取决于直流母线电压、串联电阻值和电容值），红点电位会上升至绿点，比较器翻转，IGBT被关断。门级钳位：下图中的红圈内的二极管的作用是门极钳位，在IGBT短路时，门极电位有可能被抬升,门极钳位电路可以将门极电位钳住，以确保短路电流不会过高。在IGBT短路时，集电极电

13、流 Ic剧烈上升，由于米勒效应的存在，在这个过程中，门 级电位也会跟着上升， 而门级电位高于15V,则短路电流也会冲高， 可能比给定的短路电流还高，如果不对门级进行钳位，短路电流可能跑的非常高，IGBT也会超出短路安全工作区。大部分竞争的驱动器在过流或短路时是不能限制过压的。但是对高功率或高压IGBTs,这却是必要的。为了解决这个问题，SCALE-2即插即用驱动器提供了先进有效钳位功能。先进有效钳位关断电压尖峰的本质：IGBT关断时，主回路的杂散电感中所存储的能量都需要有释放的途径，最常见的途径 就是产生电压尖峰，在关断的过程中，这些能量都以关断损耗的形式耗散在IGBT上损耗的形式耗散在IGB

14、T上。然而电压尖峰太高会损坏IGBT ,因此，有源钳位就是将能量由高而窄的脉冲，转变成矮而宽的脉冲，这个过程中耗散掉的能量仍然是杂散的脉冲，转变成矮而宽的脉冲，这个过程中耗散掉的能量仍然是杂散电感所存储的能量。有源钳位电路的本质：驱动器使IGBT的关断过程延长目的是将杂散电感的能量耗散在IGBT上，或者说“让IGBT在线性区里多待一会”。有效钳位是，如果集电极-发射极电压超过预定的门槛电压时，部分开通IGBT的一种技术。IGBT保持线性工作。基本的有效钳位拓扑，建立1个单反馈通道，从 IGBT的集电极通过暂态电压抑制器(TVS)至ij IGBT的门极。2SP0115T SCALE-2驱动器支持

15、基于以下原则的CONCEPT先进有效钳位：当有效钳位有效时， 驱动器的关断 MOSFET断开，从而改善有效钳位的有效性， 减少TVS上的损耗。图就是CONCEPT公司推出的 右图就是 CONCEPT公司推出的基于 SCALE2芯片组的 Advanced Active Clamping的功能示意图。当 TVS被击穿时，电流IAAC 会流进 ASIC (专 用集成电路)的AAC单元。该单元会根据IAAC的大小操纵下管 Mosfet。当该电流大于40mA 时，下管Mosfet开始被线性地关断，当电流大于 500mA时，下管Mosfet完全关闭。此时门极处于开路状态，Iz会向门极电容充电， 使门极电压

16、从米勒平台回到 +15V从而 使关断电流变缓慢达到电压钳位的效果这个电台回到+15V ,从而使关断电流变缓慢， 达到电压钳位的效果。这个电路的特点是 TVS的负载非常小，TVS的工作点非常接近额定点，钳位的准度大大提高。电路原理图（左）在DC-link电压800V,集电极电流 900A（正常集电极电流的 2倍）时，450A/1200V IGBT 模块关断特性下图是关断7500A电流（短路 图是关断 流短路测试）时产生的有源钳位动作。黄线为Vge；蓝线为Vce;绿线为Ic（2KA/格）可以看出：1 .门极波形从15V下跳时，Ic开始下降，同时产生了电压尖峰峰高2 .电压尖峰最高到达约 2600V

17、,然后被钳在2500V3 .电流在下降过程中的斜率被改变了4 .通常需要500ns就能关断的电流用了 1.5us才被完全关断noma lbq v Edge Nagaliva因为有源钳位的动作点实际上是一个范围，在 CONCEPT产品(即插即用)的中通常会给 出对母线电压最大值的约束 不会直接给出有源 datashee仲，通常会给出对母线电压最大值 的约束，而不会直接给出有源钳位点的数值。如下图 (1SP0635-33)。卜图为 2SP0320-12:需要注意，以上截图中讨论的母线电压都是稳态值，不是指的电压尖峰。PI maan(C)4J1 VP3:max(C3)2.7 J kVXI- -Iax

18、- 0 ntX3= -964.8ns4.292 MW上也电力1巾眄在有源钳位电路中，TVS是 最关键的元件。下面以ST公司的Order codeSMBJ130A/CASMBJ130A为例进行解读。该器 件漏电流为1uA时，电压为130V ;其 漏电流为1uA时，电压为 130V;其击穿点是电流为1mA 时，此时电压为144V152V 。当6片SMBJ130A串联在一起，则其击穿门槛的最低值为144Vx 6=864V,典型值为152X6=912V。可以看出，由于TVS目前的技术水平所限，其击穿点的电压是比较宽的是一个 范围 其击穿点的电压是比较宽的，是 个范围。e 0口 vmw：0 00V0ff

19、E*tL11.10 Vr 9 97V由-1.13 VLeCrovP2:me?n(Cfl)1.211VP4:ma(C4)PE:3 7BV *iff的皿由。词DC-link voltageSwitching operation (Note 11)Off state (Note 12)Delink voltageNote 4rm e百XVrmMeasunovalue5UQ n$jfliv35 0 kg 50 08i 叩 waw 。.蚪劲? J17 V1 816 VFn mvj.OU Wrv0 mV DlTECt1 SU V加。mvl融 VfQW7350?XV19VFile vprtjtai ritT

20、iPiasse Ti磔电r Di专创刘 Cursors mem犯陋 wsih anag0 上坨菲屹0 hhdTVS的温度特性是正温度特性的,ST公司的SMBJ130A的温度系数大 TVS的温度特性是正温度特性的，ST公司的SMBJ130A的温度系数大约为+1%。；其他品牌的温度系数都能在datashee中查至ij。在-40度时，TVS的击穿点比25度时大约下降6%8%. TVSD女和如推荐使用:六个80V TV0,用于600V的IGBT,直流母线电压最高为430V“使用Semikron生产的五个单向TVS P65MBJ70A和一个双向7Vs P6SMBJ7OCA,或Vi5h3y生产的*个中向T

21、VS 5MBJ70A-E3和一个双向TV5 SMBJ7OCA-E3,可获得艮好的箝位效果.-六个150VIVS,用于L200V的IGBT，直流母线电压最高为800V。使用Vlshap生产的五个单向TV5 SMBJ130A-E3和一个双向TVS SMBJ130CA-E3,或ST生产的五个单向NS SMBJ130A-TR和DiOt电生产 的一个双向TVS P6EMBJ130cAi可获得良好的箝位效果+-六个220VTVS,用于1,700V的IGBT,直流母线电压最高为1,200匕 使用DioteC生产的五个单向7Vs P6SMB220A和一个双向TVS P6SMB220O+或Vishay生产的五个

22、单向TVS SMBJ188A-E3和一个双向 TVSSMBJ188CA-E3,可获得良好的箝位效果。摊个通道必须使用至少一个双向TVS维，以免在IGBT模块的反并联一.极管开通时由于其正向恢复行为 而造成负序电流通过TVS链.根据具体的应用，此类电流可导致副方VISO时VEk(15V)电源电长欠压口请注意,可以修改链中的TVSJS如果总(I值电压仍保持相同的值，则可通过果加链中使用的TVS数量 来提高有源箱位的效率 只请注意，源箝位的效率高度依赖使用的TVS类型f如制造商.通常在大功率的IGBT的应用中，有源钳位的功能是非常必要的，而功率越小，必要性越低。其原因是随着系统的功率变大，IGBT的di/dt会增大，且杂散电感也会越大，因此电压尖峰会越高。下表说明不同IGBT在关断额定电流时的di/dt的水平IGBT型号关断额定电流时的di/dtFF150R12KT41.500A/usFF600R121E44000A/us卜F1400R121P47000A/us在IGBT短路时，关断短路电流的di/dt会更高，比关断额定电流要高很多在IGBT短路时，关断短路电流的di/dt会更高，比关断额定电流要高很多，因此短路时电压尖峰更高。所以有 可能出现，驱动器发现了 IGBT的短路现象，并且也及时关