MOSFET驅(qū)動(dòng)模塊管理論文

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摘要：SKHI22A/B是德國(guó)西門(mén)康（SEMIKRON）公司推出的一種新型的IGBT/mosfet的驅(qū)動(dòng)模塊。文章介紹了SKHI22A/B的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能，給出了它的具體應(yīng)用電路。

關(guān)鍵詞：IGBT；驅(qū)動(dòng)模塊；SKHI22A/B

1概述

SKHI系列驅(qū)動(dòng)模塊是德國(guó)西門(mén)康（SEMIKRON）公司推出的一種新型IGBT／MOSFET驅(qū)動(dòng)模塊。SKHI系列驅(qū)動(dòng)模塊主要有以下特點(diǎn)：

●僅需一個(gè)不需隔離的＋15V電源供電

●抗dV／dt能力可以達(dá)到75kV／μs

●控制電路和IGBT主電路之間的隔離電壓可以達(dá)到4kV

●輸出峰值電流可以達(dá)到30A

●同一橋臂上下開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有互鎖功能，可以防止兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的貫穿導(dǎo)通

●死區(qū)時(shí)間、VCE的監(jiān)控、RGON／OFF可以分別調(diào)節(jié)，因而可以對(duì)不同用戶的特殊需求進(jìn)行優(yōu)化

●可以輸出差錯(cuò)信號(hào)以通知控制系統(tǒng)

●具有過(guò)流、欠壓保護(hù)功能。

下面主要以SKHI22A為例，對(duì)SKHI系列驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行介紹。

2內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理

SKHI22A／B引腳功能排列如表1所列。圖1所示是SKHI系列驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部電路原理圖。

表1SKHI22A的引腳功能

引腳號(hào)引腳名稱引腳說(shuō)明

P14GND/0V相應(yīng)輸入信號(hào)的地

P13Vs電源+15V±4%

P12VIN1上開(kāi)關(guān)管的輸入開(kāi)關(guān)信號(hào)1，+5V邏輯（對(duì)于SKHI22A/21A為+15V邏輯）

P11FREE空置

P10ERROR差錯(cuò)輸出，低有效，集電極開(kāi)路輸出，最大為30V/15mA

P9TDT2通過(guò)接地或接Vs數(shù)字調(diào)節(jié)橋臂上下開(kāi)關(guān)管的死區(qū)時(shí)間

P8VIN2下管的輸入開(kāi)關(guān)信號(hào)1，+5V邏輯（對(duì)于SKHI22A/21A為+15V邏輯）

P7GND/0V相應(yīng)輸入信號(hào)的地

S20VCE1接IGBT1的集電極（上開(kāi)關(guān)管）

S15CCE1通過(guò)外接RCE和CCE來(lái)調(diào)節(jié)參考電壓

S14GON1接RON到IBGT1的基極

S13GOFF1接ROFF到IBGT1的基極

S12E1接IGBT1的發(fā)射極（上開(kāi)關(guān)管）

S1VCE2接IGBT2的集電極（下開(kāi)關(guān)管）

S6CCE2通過(guò)外掃RCE和CCE來(lái)調(diào)節(jié)參考電壓

S7GON2接RON到IGBT2的基極

S8GOFF2接ROFF到IGBT2的基極

S9E2接IGBT2的發(fā)送極（下開(kāi)關(guān)管）

2．1SKHI22A／B的脈沖整形電路

SKHI中的脈沖整形電路的作用是在控制IBGT的脈沖信號(hào)輸入后，用短脈沖抑制電路對(duì)脈沖寬度小于500ns的開(kāi)關(guān)脈沖進(jìn)行抑制，以使其不能傳遞到IGBT，這樣可以有效的抑制電磁干擾引起的電壓尖峰對(duì)開(kāi)關(guān)管的誤觸發(fā)，從而提高驅(qū)動(dòng)電路的抗干擾能力。另外，模塊還可以對(duì)輸入的觸發(fā)脈沖進(jìn)行整形（例如常用的SG3525芯片所產(chǎn)生的脈沖在上升沿往往有電壓尖峰，而且在脈沖高低電平時(shí)有時(shí)電平會(huì)有波動(dòng)），而且在經(jīng)過(guò)SKHI整形輸出以后，波形已十分標(biāo)準(zhǔn)，因而能可靠地對(duì)IGBT進(jìn)行控制。

2．2SKHI22A／B的脈沖互鎖電路

脈沖互鎖電路的互鎖時(shí)間由外接端子TDT1、TDT2和SECELT所接的高低電平來(lái)決定。同時(shí)可由這三個(gè)端子進(jìn)行數(shù)字調(diào)節(jié)（SKHI22A只有TDT2）。這種設(shè)計(jì)可以使不同開(kāi)關(guān)速度的開(kāi)關(guān)器件的互鎖時(shí)間均大于IGBT的關(guān)斷延遲時(shí)間，從而避免貫穿導(dǎo)通。

2．3SKHI22A／B的欠壓保護(hù)電路

模塊內(nèi)部欠壓保護(hù)電路的作用是當(dāng)電源電壓低于＋13V時(shí)，將差錯(cuò)輸出端的電平拉低，以輸出差錯(cuò)信號(hào)。

以上三部分控制電路被集成在一塊ASIC中，與一般的分立元件組成的電路相比，這樣可以大大的提高控制電路的抗干擾能力，同時(shí)可靠性也得到了提高。另外，SKHI系列器件的初級(jí)（控制部分）和次級(jí)（主電路部分）之間還可通過(guò)變壓器實(shí)現(xiàn)隔離。

2．4SKHI22A／B驅(qū)動(dòng)器的輸出級(jí)

SKHI驅(qū)動(dòng)器件的輸出級(jí)采用MOSFET晶體管互補(bǔ)電路的形式以降低驅(qū)動(dòng)源的內(nèi)阻，同時(shí)可加速I(mǎi)G-BT的關(guān)斷過(guò)程。圖2所示是其輸出級(jí)電路。圖中，MOSFET的源極分別和外部端子進(jìn)行連接，這樣即可通過(guò)分別串接的RON和ROFF調(diào)節(jié)IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷速度；內(nèi)部集成電壓源可提高模塊的可靠性；通過(guò)調(diào)節(jié)電源電壓可以在不減小VGE的情況下提供滿功率輸出脈沖，從而防止因IGBT退出飽和而損壞。

2．5SKHI22A／B的短路保護(hù)

SKHI模塊利用“延時(shí)搜索過(guò)電流保護(hù)”方法通過(guò)檢測(cè)IGBT通態(tài)壓降的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)IGBT的過(guò)電流保護(hù)。當(dāng)電路出現(xiàn)短路時(shí)，出錯(cuò)信號(hào)將由VCE輸入并通過(guò)脈沖變壓器傳遞到差錯(cuò)控制器，以封鎖所有到IGBT的脈沖并觸發(fā)出錯(cuò)信號(hào)端（P10）。該模塊通過(guò)調(diào)節(jié)檢測(cè)VCE電壓信號(hào)的延時(shí)可以避免錯(cuò)誤短路信號(hào)；其內(nèi)部帶有故障缺省記憶功能，可以防止重復(fù)的高電流脈沖對(duì)開(kāi)關(guān)管的損壞，經(jīng)過(guò)幾個(gè)重復(fù)的高脈沖之后可以永久封閉脈沖輸出。此外，它還同時(shí)帶有差錯(cuò)信號(hào)輸出，可以通知主控制板做出相應(yīng)的動(dòng)作。

2．6SKHI22A／B的電壓隔離

使用帶涂層的環(huán)形鐵氧體變壓器可以使輸入和輸出級(jí)之間的隔離電壓達(dá)到4kV。這是使用光耦作隔離驅(qū)動(dòng)器件所不能達(dá)到的。使用脈沖變壓器代替光耦在原副邊之間可以防止很高的dV／dt（可以達(dá)到75kV／μs）。

2．7SKHI22A／B的輔助電源

由于SKHI模塊內(nèi)部有帶隔離變壓器的DC／DC變換器，因而可以節(jié)省外部變壓器并可使設(shè)計(jì)布局更加緊湊；在輔助電源原邊有欠電壓監(jiān)控電路，這樣可以保證IGBT有一個(gè)安全可靠并能提供足夠功率的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路；每個(gè)IGBT采用相互獨(dú)立的電源。因此，其電源之間的耦合電容很小，從而提高了開(kāi)關(guān)信號(hào)的抗干擾能力。

3應(yīng)用電路

SKHI22A／B的應(yīng)用電路如圖3所示。圖中，IN-PUTTOP和INPOUTBOTTOM分別為同一橋臂上、下開(kāi)關(guān)管的觸發(fā)脈沖；管腳TDT2接高電平＋15V時(shí)，死區(qū)時(shí)間為4．25μs，接低電平GND時(shí)，死區(qū)時(shí)間為3．25μs。ERROR管腳為差錯(cuò)信號(hào)輸出，當(dāng)模塊檢測(cè)到電路有過(guò)流、欠壓等現(xiàn)象并進(jìn)行保護(hù)時(shí)，該管腳電平將被拉低以通知主控制板。

管腳S15、S6外接的RCE和CCE用于調(diào)節(jié)管子過(guò)流保護(hù)時(shí)的壓降。對(duì)于1200V的IGBT，一般選擇RCE為18kΩ、CCE為300pF，此時(shí)管壓降門(mén)限為5V。管腳S14、S7外接IGBT的柵極導(dǎo)通電阻RON，該電阻一般應(yīng)在3～22Ω之間，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，該電阻的發(fā)熱比較嚴(yán)重，因此建議使用2W的電阻。管腳S13、S8外接IGBT的柵極導(dǎo)通電阻ROFF，其使用方法和RON一樣。管腳S20、S1分別連接檢測(cè)上、下開(kāi)關(guān)管的漏極。對(duì)于1700V的IGBT，通常應(yīng)該串接1kΩ／0．4W的電阻。