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Concept 1SP0635(5)
1SP0635D驱动器的工作原理（从板）
概述
1SP0635D系列即插即用型单通道驱动器（从板）适用于大功率和高压IGBT模块。需要并联IGBT模块时，它们只能与1SP0635V或1SP0635S SCALE-2驱动器（主板）共用。通过并联接口可以连接1SP0635D从驱动器与1SP0635V或1SP0635S主驱动器（另请参考图3）。
该驱动器具有电源欠压关断和门极监控功能。1SP0635D驱动器中无Vce检测功能，因为此功能已在主驱动器中实现。
1SP0635D驱动器的出色特性包括：外形紧凑、安装简单 —— 直接安装到IGBT模块上、动态高级有源钳位功能DA2C以及传输延迟时间极短。由于使用并联接口，从驱动器与主驱动器完全同步。此外，它们不需要独立电源，因为它们通过并联接口供电。
电源及电气隔离
1SP0635D的电源通过并联接口X2或X3从主驱动器获得。隔离在主驱动器上提供，因此在从驱动器上无需采取隔离措施。
但是，200Vpeak隔离在从驱动器上提供。这样开关过程不完全对称时能够承受并联驱动器之间的动态电压差异。信号隔离通过平板变压器实现。
电源导线中放置了无芯共模线圈，在开关操作不完全对称时，限制流出和流入主驱动器的动态均衡电流。请参阅相应的数据手册以了解允许的最大值/3/。建议测量流经并联接口的均衡电流。
请注意，必要时将铁氧体磁芯套在并联电缆上，可降低均衡电流的峰值以及RMS值。
电气间隙和爬电距离按照IEC 60077-1标准设计。
电源监控
从驱动器配有一个本地欠压检测电路。
在发生电源欠压时，相应的IGBT将立即在负门极电压的驱动下保持关断状态（驱动器对应通道被封锁）。只有对应的IGBT立即关断，而非所有并联的IGBT。但是，所有其他并联IGBT在设定的延迟后将通过所有驱动器中设置的门极监控功能关断（请参阅相应的数据手册/3/以了解时间参数）。
如果电源电压中断，可能无法预测哪个驱动器（主板或从板）将会首先检测到电源欠压。为了避免并联IGBT模块在从驱动器检测到本地电源欠压时发生异步关断，建议用户对主驱动器的原方电源电压设置附加的电源电压监控。建议将阈值限制设置为13V，只要主驱动器的主电源电压降到此限制下，主驱动器就必须关断。然后，必须同步关断所有并联的IGBT模块。
即使在电源电压过低的情况下，该驱动器也可在IGBT门极与发射极之间形成低阻抗回路。
在半桥电路中，建议不要在驱动器供电电压较低的情况下操作IGBT。否则，过高的Vce变化率可导致IGBT出现误导通。
Vce检测/短路保护
从驱动器中无Vce检测电路，因为此功能已在主驱动器中实现。
门极监控
请参阅第17页“1SP0635V和1SP0635S SCALE-2驱动器的工作原理（主板）”中的“门极监控”。
使用1SP0635V/1SP0635S/1SP0635D时的注意事项
通过1SP0635驱动器并联IGBT模块
使用1SP0635驱动器来驱动并联IGBT模块时，务必确保它们对称地工作 —— 就像任何并联IGBT模块的方法那样。
半桥拓扑中的测量显示，使用正确设计的变换器可使并联IGBT模块高度对称地运行。尤其必须考虑下面的要点：
涉及并联IGBT模块的变换器结构应尽可能对称，以确保对称运行。特别是，每个并联的IGBT模块的直流母线杂散电感应当相似（图20中Ls1 ≈ Ls2，Ls5 ≈ Ls6）。
除了负载端子（Ls5 和 Ls6）外，所有并联IGBT模块之间的连接线电感量必须很低。这样可以避免这些模块之间出现太大的电压偏差。
一般来说，保持较低的变换器直流母线杂散电感比较有利。
增大输出电感Ls5和Ls6有助于降低换流期间的动态电流不均衡。
某些功率半导体制造商提供为并联应用而挑选过的IGBT模块。如果可行，强烈建议使用挑选过的IGBT模块，以避免工作期间产生电流不均衡。
图20 存在杂散电感的半桥拓扑
图21所示为通过1SP0635驱动器控制三个1500A/3300V IGBT模块的典型关断和开通过程（集电极电压和电流）。
图21 三个并联的1,500A/3,300V IGBT模块在2200V的直流母线电压和各自3000A的集电极电流时的关断（左）和开通（右）行为
IGBT的动态行为
IGBT模块的动态行为取决于其类型和制造商，因为这不仅涉及模块内部的IGBT芯片和二极管芯片的特性，还跟模块结构以及内部门极电阻和电感的分布情况有关。请注意，来自同一制造商的不同型号的IGBT模块也需要进行专门的适配。
因此，CONCEPT提供针对特定IGBT模块的SCALE-2即插即用驱动器。这些驱动器不得用于非指定类型的IGBT模块。
IGBT开通/二极管换流
当驱动器输入高电平信号时，门极驱动器开通相应的IGBT。驱动器包含与相应IGBT模块匹配的门极电阻。适配后的驱动器，可以在功率单元杂散电感相对较低的情况下使开关损耗降到最低。建议在装配之后测试系统的换流行为。
IGBT关断
当相应的输入信号下降到低电平时，对应的IGBT关断。门极电阻由CONCEPT确定，不得改动。
快速关断IGBT可能会导致过压，该电压尖峰会随着直流母线电压或负载电流的升高而升高。关断过压值可通过下面的公式近似计算：
Vtr = -Ls * dic/dt
此处，Vtr表示关断过压，ic表示集电极电流，Ls表示杂散电感。
大多数驱动器无法在过载或短路的情况下抑制关断过压。但是，这对于大功率或高压IGBT极为重要。为了解决这个问题，SCALE-2即插即用型驱动器提供了下面介绍的动态高级有源钳位功能DA2C。
动态高级有源钳位DA2C
有源钳位技术的功能是，在集电极-发射极电压超过预设的阈值时将IGBT部分地打开，从而令IGBT的集电极-发射极电压得到抑制，此时IGBT在线性区内工作。/4/中介绍有源钳位的基本电路。
基本有源钳位电路是将IGBT的集电极电位通过瞬态电压抑制二极管(TVS)反馈到IGBT门极的单反馈电路。1SP0635 SCALE-2驱动器支持CONCEPT的动态高级有源钳位(DA2C)，基于以下原理：
当有源钳位电路动作时，驱动器的推动级的关断MOSFET将会被线性关断，以增加有源钳位功能的效率，并且降低TVS上的损耗。这种称为“高级有源钳位”的特性主要集成在副方ASIC中。
在原本开关状态下所需要的TVS的基础上，再串联几个TVS。这些额外的TVS从IGBT导通开始，到驱动器发出关断指令后的15-20us内，都处于短路状态，以降低有源钳位的门槛值，确保高效的有源钳位。经过此15-20us延迟后，这些加装的TVS被激活，驱动器的有源钳位的门槛值被提高，这样可以允许直流母线电压在IGBT关断期间（例如，紧急关机后）上升到更高的值。这种特性与高级有源钳位一起被称为“动态高级有源钳位DA2C”。请注意，直流母线电压超出正常水平的时间长度应限制在较短的时间内（<60秒）。
请注意，电气间隙和爬电距离按照IEC 60077-1标准设计。
图22 测试电路（左）和典型开关行为（右）
图22说明：
t0 = 关断过程开始
t1 = 关断时间起点
t2 = 集电极电流下降时间起点
t3 = 集电极-发射极最高电压
t4 = IGBT截止，拖尾电流起点
t5 = 拖尾电流终点
与其他驱动方法相比，使用有源钳位功能，可以配置较小的驱动电阻，以提高IGBT模块的开关速度，减少开关损耗，从而提高IGBT模块在正常工作期间的利用率。在故障关断时产生的过压也可通过有源钳位来抑制。开关操作时和IGBT关断状态下的最大直流母线电压约束，可在相应IGBT模块的驱动器的数据手册中找到/3/。
图23所示为使用1SP0635V驱动器控制1500A/3300V IGBT模块的典型关断过程。
图23 直流母线电压为2,200V、集电极电流为3,000A（额定集电极电流的两倍）时的1500A/3300V IGBT模块关断行为
低杂散电感结构要求
不能因为具备有源钳位功能而忽略功率单元的杂散电感。出于多种原因考虑，在使用1SP0635即插即用驱动器时仍然需要将直流母线杂散电感降至大约25nH…120nH。
三电平和多电平拓扑
如果要将1SP0635用于三电平或者多电平拓扑，请参考应用指南AN-0901 /5/。
牵引或类似应用的更高要求
电源接口X1以及并联接口X2和X3提供机械互锁装置，适合用于牵引应用。
将驱动板用螺丝支柱固定到散热器上，可提高1SP0635 SCALE-2驱动器承受震动的能力（请参考图24）。但是，应当注意这些连接必须进行电气隔离以达到特定的电气间隙和爬电距离要求（例如，使用塑料定距螺栓）。
此外，可提供互锁型的光纤接口（请参考图24），也可提供ST光纤接口(1SP0635S)。如需光纤接口的信息，请参考数据手册/3/。
图24 固定驱动器（1SP0635V/1SP0635S，左；1SP0635D，右）以及相关类型的1SP0635V互锁光纤接口的附加措施
参考文献
/1/ Paper: Smart Power Chip Tuning, Bodo’s Power Systems, May 2007
/2/ Description and Application Manual for SCALE™ Drivers, CONCEPT
/3/ Data sheets of SCALE™-2 plug-and-play driver 1SP0635x2xx-xxx, CONCEPT
/4/ Paper: Advantages of Advanced Active Clamping, Power Electronics Europe, Nov/Dec 2009
/5/ Application Note AN-0901: Methodology for Controlling Multi-Level Converter Topologies withSCALE™-2 IGBT Drivers, CONCEPT