热销产品
英飞凌EconoDUAL和 EconoPACK IGBT模块的评估驱动板(2)
3 电气特征
以下章节介绍驱动器板在评估器件中的工作。请注意以下段落描述的 2ED100E12-F2 与这篇应用笔记的上一版本相比做出了一些修改，修改后的驱动器板能够驱动IGBT4 模块，且降低了对Vcesat检测错误触发的灵敏度。6ED100E12-12-F2也进行了同样的修改，但是第7章提供的该电路板的布板和清单仍是原先的设计 。
3.13.1 供 电源
2ED100E12-F2 和 6ED100E12-F2 每一相驱动上都有一个集成的DC/DC变换器，这个集成的DC/DC变换器次级侧输出隔离的非对称供电电源+16V/-8V。高端和低端驱动器电压是采用由15V供电电压的DC/DC变换器分别独立产生的。此外，供电电源对IGBT的栅-射极有短路保护。如果 DC/DC 变换器过载，输出电压就会下降。欠压锁定功能保证栅极驱动器只在指定的IC供电电压范围内工作。这个故障信号送到驱动器的初级侧。
3.23.2 输入逻辑 – PWM PWM PWM PWM 信号
评估驱动器板专用于可焊接的 IGBT 模块。EconoDUALTM 3 IGBT 模块采用两个独立 PWM 信号和 EconoPACKTM + IGBT 模块采用六个独立 PWM 信号驱动是很有必要的。每个 IGBT都需要一个独立的驱动信号。图6描述了单个驱动器的部分电路原理图。高端和低端的驱动信号需要有合适的死区时间。两个评估驱动器板都没有提供死区时间。栅极电阻建议值根据第24页表5所示，建议最小的死区时间 tTD 为1μs。如果使用更大的栅极电阻，请参考[1]。
图 6 单个驱动器输入电路的详细电路原理图
图6给出了驱动电路（正逻辑）的部分电路原理图。IN+作为输入信号，而IN- 作为使能信号。因此要使 IGBT 导通需要输入引脚 IN+ 有一个 +5 V 信号，输入引脚 IN- 有一个 GND 信号。如要使用负逻辑来使整个电路工作，输入引脚上的电容C1 和 C2 需要交换。另外，这将导致一个额外的延迟时间，而 IN+ 将作为使能信号。
3.3 最大开关 频率
IGBT的开关频率受限于驱动供电电源的最大功率或者由于外部栅极电阻的功率损耗导致的PCB最高温度。栅极电阻的功率损耗取决于IGBT栅极充电电流大小，栅极电压大小以及IGBT的开关频率。由于外部的栅极电阻功率损耗，这将产生一定的热量，会导致这些电阻附近的PCB温度升高。这个温度不能超过PCB的熔点，例如：对于标准的FR4材料是105°C。
通过公式1可以计算栅极电阻的功率损耗 ：
完整的栅极电阻包括内部栅极电阻和外部栅极电阻，因此IGBT的驱动功率损耗一部分通过PCB进行耗散，而另外一部分功率损耗则通过外部环境空气耗散。内部功率损耗P(RINT) 与外部功率损耗P(REXT) 的比例刚好等于内部栅极电阻RINT 和外部栅极电阻REXT 的比例。如果工作在 -8/+16V 条件下，数据手册 Qge 的值需要减少20%。
由于PCB的温度限制，在热设计中需要考虑外部栅极电阻的功率损耗 P(REXT) 。
根据实验测定板的温度，评估板的热阻可按如图7所示来计算。
热阻，栅极电阻到PCB： RthRG-PCB = 45 K/W
热阻，栅极电阻到周围环境： RthRG-Amb = 39 K/W
热阻，栅极电阻到周围环境： RthRG-Amb = 39 K/W
如果外部栅极电阻功率损耗、环境温度最大值、PCB温度最大值已知，利用这些值就能够计算出评估板的最高温度，如下：
图 7 栅极电阻的热阻模型
3.4 功率放大器
驱动器的输出级如图8所示，驱动器的输出级有两对配对互补的双极型晶体管，用于放大驱动芯片的信号。与驱动芯片能提供的电流相比，驱动器的输出级能够驱动需要更大电流的IGBT。输出级的两个NPN晶体管用于使IGBT 开通，两个PNP晶体管用于使IGBT 关断。.
所选的晶体管要能够提供足够的峰值电流，这才能够驱动所有的600 V、1200V EconoDUAL™ 3 模块和 EconoPACK™ + 模块。峰值电流可按公式2计算：
图 8 功率放大器的驱动输出级
栅极电阻连接在功率放大器和IGBT模块的栅极之间。第25页表5和第36页表7列出了这些电阻的建议值。对于某些模块，这些电阻取值0，因此只需要一根跳线。如果电阻有要求，要注意选择的电阻应能承受重复脉冲功率，以避免电阻老化。
3.5 短路保 护和有源 钳位
评估驱动板的短路保护依赖于，1ED020I12-F 驱动芯片的引脚DESAT 上检测的电压是否高于9 V和有源钳位功能。由于采用这样工作模式，集-射极过压也能限制住。集-射极过压是由杂散电感引起的。
关断过程的电压过冲受杂散电感、电流、直流电压的影响。图9给出了用作欠饱和保护和有源钳位的部分电路。EconoDUALTM 3 驱动板还有一个额外的二极管D1 ，以避免开通过程的旁路电流。
图 9 欠饱和检测和有源钳位
图 9 欠饱和检测和有源钳位
有源箝位是一种当IGBT关断时，抑制关断瞬态过电压低于临界极限值的技术。有源箝位的标准用法是用一串雪崩击穿二极管连接于IGBT模块的辅助集电极与门极之间。当集电极与发射极之间的电压超过二极管击穿电压时，二极管电流与驱动器输出的电流叠加在一起。此时由于IGBT门极-发射极电压升高，晶体管保持在有源工作区且关断过程延长。dIC/dt变化率减缓限制了电压过冲。在二极管箝位工作限制过压的这一段时间内雪崩击穿二极管流过高峰值的电流。
室温下，在没有任何过电压限制措施条件下，FF600R12ME4 模块短路时的典型关断波形如图10a所示。室温下，在采用有源钳位电路下，FF600R12ME4 模块短路时的典型关断波形如图10b所示。
图 10 a) 没有有源钳位功能的短路波形 b) 采用了有源钳位功能的短路波形
图 10 a) 没有有源钳位功能的短路波形 b) 采用了有源钳位功能的短路波形
3.6 故障 输出
当发生短路时，1ED020I12-F 模块的欠饱和保护电路检测到IGBT 的电压增大并关断IGBT。低电平有效的故障信号传送到驱动器的初级侧。一个红色LED点亮，向外发出故障信号。只要驱动器没有复位信号，引脚 /FLT的状态就保持有效。引脚/FLT 的信号是低电平有效，相关的电路原理图如图11所示。
