1. SCALE系列集成IGBT驅(qū)動(dòng)電路的性能特點(diǎn)
  SCALE系列集成驅(qū)動(dòng)器是由瑞士CONCEPT公司生產(chǎn)的專門用于驅(qū)動(dòng)IGBT和功率MOSFET的功率器件的集成驅(qū)動(dòng)器，SCALE系列集成IGBT驅(qū)動(dòng)器采用ASIC設(shè)計(jì)，僅用15V電源驅(qū)動(dòng)，開(kāi)關(guān)頻率大于100kHz，并具有多功能、低成本、易使用、高可靠性和長(zhǎng)壽命等特點(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、隔離等的不同要求，
  SCALE系列集成IGBT驅(qū)動(dòng)器具有相應(yīng)的不同型號(hào)，可滿足不同的需求，SCALE系列集成驅(qū)動(dòng)器可驅(qū)動(dòng)1700V、1200A的IGBT模塊，其主要型號(hào)和驅(qū)動(dòng)能力見(jiàn)下表。
表1  SCALE系列集成IGBT驅(qū)動(dòng)器SCALE系列集成IGBT驅(qū)動(dòng)器表
   SCALE系列集成IGBT驅(qū)動(dòng)器的性能特點(diǎn)如下：
  ①適用范圍寬。可應(yīng)用在數(shù)干瓦至數(shù)兆瓦的功率范圍及耐壓要求范圍內(nèi)，幾乎可工作于所有的頻率及調(diào)制模式下，適用于任何廠家生產(chǎn)的功率模塊。
  ②體積小巧、結(jié)構(gòu)緊湊、應(yīng)用靈活，具有直接和半橋兩種模式可供選擇。在半橋模式下可選用所要求的死區(qū)時(shí)間。
  ③成本低，具有很高的性能價(jià)格比。除可提供柵極驅(qū)動(dòng)外，還具有檢測(cè)狀只顯示及電源隔離等功能，是一種可滿足市場(chǎng)所有要求的、*經(jīng)濟(jì)實(shí)用的驅(qū)動(dòng)板。
  ④使用簡(jiǎn)便。該驅(qū)動(dòng)板的電接口非常簡(jiǎn)單，可處理5-15V電平的標(biāo)準(zhǔn)邏輯信號(hào)，具有施密特觸發(fā)器輸入特性，且對(duì)輸入信號(hào)沒(méi)有特殊要求。故障傳送使用集電極開(kāi)路輸出，可與常用的邏輯電平相兼容，因?yàn)轵?qū)動(dòng)板具有所有智能化驅(qū)動(dòng)功能，且驅(qū)動(dòng)信號(hào)、狀態(tài)傳送及電源與功率部分完全隔離，所以使用起來(lái)非常簡(jiǎn)單。在大多數(shù)情況下，用智能化SCALE驅(qū)動(dòng)板來(lái)驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)IGBT模塊比使用智能化IGBT模塊(IPM)更加簡(jiǎn)便，也更加靈活。
  SCALE系列集成驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部由輸入處理電路、驅(qū)動(dòng)輸出電路、短路和過(guò)流保護(hù)電路、隔離狀態(tài)識(shí)別電路、電源檢測(cè)電路和DC/DC開(kāi)關(guān)電源構(gòu)成。SCALE系列集成驅(qū)動(dòng)器提供的驅(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)斷電平為-15V，開(kāi)關(guān)工作頻率范圍為0-100kHz；具有500V-10kV的電氣隔離特性，占空比為0-100%。
  DC/DC轉(zhuǎn)換電路的功能是將輸入部分與工作部分進(jìn)行隔離。輸入處理電路由LDI001及其外圍電路組成。由于控制電路產(chǎn)生的PWM信號(hào)不能直接通過(guò)脈沖變壓器，特別是當(dāng)脈沖信號(hào)的頻率和占空比變化較大時(shí)尤為困難。LDI001就是專門為此而設(shè)計(jì)的，此專用集成電路的功能主要是對(duì)輸入的PWM信號(hào)進(jìn)行編碼，以使其可通過(guò)脈沖變壓器講行傳輸。
  由于該器件內(nèi)部帶有施密特觸發(fā)器，因此對(duì)輸入端信號(hào)無(wú)特殊的邊沿陡度要求，并能提供
準(zhǔn)靜態(tài)的狀態(tài)信號(hào)反饋。將其設(shè)計(jì)為集電極開(kāi)路方式，可以適應(yīng)任何電平邏輯，并可直接產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間、以上優(yōu)點(diǎn)使得接口既易用又靈活，從而省量了其他專用電路所必需的許多外圍元器件。
  驅(qū)動(dòng)輸出及邏輯保護(hù)電路的核心芯片是LDI001。它將變壓器接口、過(guò)流及短路保護(hù)、阻斷邏輯生成、反饋狀態(tài)記錄、供電監(jiān)視和輸出階段識(shí)別等功能都集成在一起。每個(gè)通道設(shè)有一個(gè)智能門驅(qū)動(dòng)器IGD，其具體功能是對(duì)脈沖變壓器傳來(lái)的PWM信號(hào)進(jìn)行解碼和功率放大，對(duì)IGBT進(jìn)行短路保護(hù)、過(guò)流保護(hù)及電源的欠壓檢測(cè)保護(hù)，并向LDI反饋狀態(tài)，以產(chǎn)生短路保護(hù)的響應(yīng)時(shí)間和阻斷時(shí)間等。
 
  2. SCALE系列集成IGBT驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
  SCALE系列集成驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示(兩通道)。由此可見(jiàn)，驅(qū)動(dòng)器由3個(gè)功能單元組成、**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。因?yàn)镻WM信號(hào)的頻率和占空比變化較大，所以不能簡(jiǎn)單地通過(guò)變壓器傳送。為此，SCALE系列集成驅(qū)動(dòng)器配備LDI001邏輯驅(qū)動(dòng)接口，二個(gè)功能單元是智能柵極驅(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。第三個(gè)功能單元是集成DC/DC變換器。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。
 
SCALE系列集成IGBT驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 
  (1)電子接口LDI001
  因?yàn)镻WM信號(hào)的頻率和占空比變化較大，所以不能簡(jiǎn)單地通過(guò)變壓器傳送，為此，SCALE驅(qū)動(dòng)器配備了LDI001邏輯驅(qū)動(dòng)接口。LDI001的結(jié)構(gòu)如下圖所示，它具有如下功能。
  ①為用戶提供一個(gè)簡(jiǎn)單的接口，兩個(gè)信號(hào)輸入端都具有施密特觸發(fā)器特性。
  ②與5V、15V的邏輯電平相匹配。
  ③產(chǎn)生半橋所需的死區(qū)時(shí)同。
  ④對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行編碼，以使其可通過(guò)脈沖變壓器傳送。
  ⑤識(shí)別脈沖編碼器傳送的編碼信號(hào)并予以放大，以為用戶提供一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)的狀態(tài)信號(hào)。
  SCALE IGBT驅(qū)動(dòng)器可不加任何元器件而直接與邏輯電路相連，也可通過(guò)較長(zhǎng)的電纜相連。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，在這種情況下，為了獲得較高的倍噪比，應(yīng)使用15V電平，同時(shí)，應(yīng)通過(guò)外接的RC網(wǎng)絡(luò)來(lái)獲得所要的死區(qū)時(shí)間。
 
  (2)智能柵極驅(qū)動(dòng)器IGD
  SCALE驅(qū)動(dòng)器的二個(gè)功能單元IGD具有所有必需的智能驅(qū)動(dòng)功能，如變壓器接口、過(guò)載和短路保護(hù)、鎖定時(shí)間邏輯、狀態(tài)識(shí)別、對(duì)電源電壓和輸出級(jí)的監(jiān)測(cè)等。IGD驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。該驅(qū)動(dòng)器主要用于完成如下功能。
  ①接受來(lái)自脈沖變壓器的脈沖信號(hào)，對(duì)從脈沖變壓器接收的編碼信號(hào)進(jìn)行解碼，并將其復(fù)原成PWM信號(hào)。
  ②對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行放大，用功率放大后的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)IGBT。
  ③監(jiān)測(cè)IGBT的過(guò)載和短路。
  ④欠壓監(jiān)測(cè)。
  ⑤產(chǎn)生響應(yīng)和鎖定時(shí)間。
  ⑥傳輸狀態(tài)識(shí)別信號(hào)給LDI，接收LDI發(fā)出的狀態(tài)信號(hào)。
  智能驅(qū)動(dòng)塊IGD所有的保護(hù)、監(jiān)測(cè)功能(如過(guò)流、短路保護(hù)和欠壓保護(hù))都置于次級(jí)。這樣在出現(xiàn)故障時(shí)，電路將立即被關(guān)閉并鎖定。
  SCALE驅(qū)動(dòng)器的保護(hù)功能主要包括短路保護(hù)、過(guò)流保護(hù)以及電源監(jiān)測(cè)。對(duì)于短路和過(guò)流保護(hù)來(lái)說(shuō)，SCALE驅(qū)動(dòng)器中的每一路都有一個(gè)UCE監(jiān)測(cè)電路。Rth為關(guān)斷閾值的參考電阻。在IGBT開(kāi)通后的一段響應(yīng)時(shí)間內(nèi)，UCE監(jiān)測(cè)電路不起作用；而當(dāng)UCE出現(xiàn)異常后，鎖定時(shí)間功能開(kāi)始啟動(dòng)，并在鎖定時(shí)間內(nèi)使驅(qū)動(dòng)器鎖定IGBT，而不再接收輸入信號(hào)。模塊中的各路都具有自己的鎖定功能，并均由各路的LGD001實(shí)現(xiàn)。-UCE超過(guò)由Rth設(shè)定的閾值，鎖定功能將立即啟動(dòng)。
  SCALE系列集成驅(qū)動(dòng)器中的每一路都具有個(gè)欠壓監(jiān)測(cè)電路，當(dāng)電源電壓降至10V或11V時(shí)，IGBT將執(zhí)行負(fù)壓關(guān)斷并進(jìn)行故障報(bào)警。
 
  3. SCALE系列集成IGBT驅(qū)動(dòng)電路的主要工作模式
  (1)直接模式
  若要使SCALE系列集成驅(qū)動(dòng)器工作任直接模式下，則需將MOD輸入端與V端相連，并將RC1和RC2端接地，各路IGBT將獨(dú)立地工作，該模式可用于已產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間的PWM信號(hào)的驅(qū)動(dòng)，也可用于獨(dú)立工作的各路IGBT，在直接模式下，狀態(tài)輸出SO1和SO2分別返回，因此當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，可以方便地確定故障出現(xiàn)在哪一路。
  
  (2)半橋模式
  若要使SALE系列集成驅(qū)動(dòng)器工作在半橋模式下，則應(yīng)將MOD輸入端接地。輸入IA為PWM輸入，IB為使能輸入，在VL/R輸入端上接4.7V齊納二極管，可使輸入端IA和IB設(shè)置在TTL電平，由于該模式下的狀態(tài)輸出端SO1和SO2連接在一起，因此，兩路故障為“或”的關(guān)系。在半橋模式下，將RC網(wǎng)絡(luò)與各RC端相連接，可確定對(duì)應(yīng)各路的死區(qū)時(shí)間，死區(qū)時(shí)間隨溫度可能有很小的漂移，通過(guò)與RC1和RC2端相連的RC網(wǎng)絡(luò)可獲得數(shù)百納秒的死區(qū)時(shí)間。當(dāng)輸入端IB為低電平時(shí)，兩路IGBT都被關(guān)斷。當(dāng)RC網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)值為10kΩ/100pF時(shí)，死區(qū)時(shí)間為500ns，所接電阻不允許小于5kΩ。RC網(wǎng)絡(luò)的電阻與Vcc端連接，電容接地。下表給出了RC網(wǎng)絡(luò)與死區(qū)時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
RC網(wǎng)絡(luò)與死區(qū)時(shí)間