新型IGBT/MOSFET驱动模块SKHI22A/B

SKHI22A/B是德国西门康(SEMIKRON)公司推出的一种新型的IGBT/MOSFET的驱动模块｡文章介绍了SKHI22A/B的主要结构特点和功能,给出了它的具体应用电路｡

1 概述  

SKHI系列驱动模块是德国西门康(SEMIKRON)公司推出的一种新型IGBT/MOSFET驱动模块｡SKHI系列驱动模块主要有以下特点:  

●仅需一个不需隔离的+15V电源供电  
●抗dV/dt能力可以达到75kV/μs  
●控制电路和IGBT主电路之间的隔离电压可以达到4kV
●输出峰值电流可以达到30A  
●同一桥臂上下开关管驱动信号具有互锁功能,可以防止两个开关管的贯穿导通  
●死区时间､VCE的监控､RGON/OFF可以分别调节,因而可以对不同用户的特殊需求进行优化  
●可以输出差错信号以通知控制系统  
●具有过流､欠压保护功能｡  



下面主要以SKHI22A为例,对SKHI系列驱动模块进行介绍｡  

2 内部结构及原理  

SKHI22A/B引脚功能排列如表1所列｡图1所示是SKHI系列驱动器的内部电路原理图｡

表1 SKHI22A的引脚功能  

引脚号
引脚名称
引脚说明

P14
GND/0V
相应输入信号的地

P13
Vs
电源+15V%26;#177;4%

P12
VIN1
上开关管的输入开关信号1,+5V逻辑(对于SKHI22A/21A为+15V逻辑)

P11
FREE
空置

P10
ERROR
差错输出,低有效,集电极开路输出,最大为30V/15mA

P9
TDT2
通过接地或接Vs数字调节桥臂上下开关管的死区时间

P8
VIN2
下管的输入开关信号1,+5V逻辑(对于SKHI22A/21A为+15V逻辑)

P7
GND/0V
相应输入信号的地

S20
VCE1
接IGBT1的集电极(上开关管)

S15
CCE1
通过外接RCE和CCE来调节参考电压

S14
GON1
接RON到IBGT1的基极

S13
GOFF1
接ROFF到IBGT1的基极

S12
E1
接IGBT1的发射极(上开关管)

S1
VCE2
接IGBT2的集电极(下开关管)

S6
CCE2
通过外扫RCE和CCE来调节参考电压

S7
GON2
接RON到IGBT2的基极

S8
GOFF2
接ROFF到IGBT2的基极

S9
E2
接IGBT2的发送极(下开关管)

2.1 SKHI22A/B的脉冲整形电路  

SKHI中的脉冲整形电路的作用是在控制IBGT的脉冲信号输入后,用短脉冲抑制电路对脉冲宽度小于500ns的开关脉冲进行抑制,以使其不能传递到IGBT,这样可以有效的抑制电磁干扰引起的电压尖峰对开关管的误触发,从而提高驱动电路的抗干扰能力｡另外,模块还可以对输入的触发脉冲进行整形(例如常用的SG3525芯片所产生的脉冲在上升沿往往有电压尖峰,而且在脉冲高低电平时有时电平会有波动),而且在经过SKHI整形输出以后,波形已十分标准,因而能可靠地对IGBT进行控制｡  

2.2 SKHI22A/B的脉冲互锁电路  

脉冲互锁电路的互锁时间由外接端子TDT1､TDT2和SECELT所接的高低电平来决定｡同时可由这三个端子进行数字调节(SKHI22A只有TDT2)｡这种设计可以使不同开关速度的开关器件的互锁时间均大于IGBT的关断延迟时间,从而避免贯穿导通｡  



2.3 SKHI22A/B的欠压保护电路  

模块内部欠压保护电路的作用是当电源电压低于+13V时,将差错输出端的电平拉低,以输出差错信号｡  

以上三部分控制电路被集成在一块ASIC中,与一般的分立元件组成的电路相比,这样可以大大的提高控制电路的抗干扰能力,同时可靠性也得到了提高｡另外,SKHI系列器件的初级(控制部分)和次级(主电路部分)之间还可通过变压器实现隔离｡  

2.4 SKHI22A/B驱动器的输出级  

SKHI驱动器件的输出级采用MOSFET晶体管互补电路的形式以降低驱动源的内阻,同时可加速IG-BT的关断过程｡图2所示是其输出级电路｡图中,MOSFET的源极分别和外部端子进行连接,这样即可通过分别串接的RON和ROFF调节IGBT的开通和关断速度;内部集成电压源可提高模块的可靠性;通过调节电源电压可以在不减小VGE的情况下提供满功率输出脉冲,从而防止因IGBT退出饱和而损坏｡  

2.5 SKHI22A/B的短路保护  

SKHI模块利用“延时搜索过电流保护”方法通过检测IGBT通态压降的变化来实现IGBT的过电流保护｡当电路出现短路时,出错信号将由VCE输入并通过脉冲变压器传递到差错控制器,以封锁所有到IGBT的脉冲并触发出错信号端(P10)｡该模块通过调节检测VCE电压信号的延时可以避免错误短路信号;其内部带有故障缺省记忆功能,可以防止重复的高电流脉冲对开关管的损坏,经过几个重复的高脉冲之后可以永久封闭脉冲输出｡此外,它还同时带有差错信号输出,可以通知主控制板做出相应的动作｡  

2.6 SKHI22A/B的电压隔离  

使用带涂层的环形铁氧体变压器可以使输入和输出级之间的隔离电压达到4kV｡这是使用光耦作隔离驱动器件所不能达到的｡使用脉冲变压器代替光耦在原副边之间可以防止很高的dV/dt(可以达到75kV/μs)｡  

2.7 SKHI22A/B的辅助电源  

由于SKHI模块内部有带隔离变压器的DC/DC变换器,因而可以节省外部变压器并可使设计布局更加紧凑;在辅助电源原边有欠电压监控电路,这样可以保证IGBT有一个安全可靠并能提供足够功率的门极驱动电路;每个IGBT采用相互独立的电源｡因此,其电源之间的耦合电容很小,从而提高了开关信号的抗干扰能力｡




3 应用电路  

SKHI22A/B的应用电路如图3所示｡图中,IN-PUT TOP 和INPOUT BOTTOM 分别为同一桥臂上､下开关管的触发脉冲;管脚TDT2接高电平+15V时,死区时间为4.25μs,接低电平GND时,死区时间为3.25μs｡ERROR管脚为差错信号输出,当模块检测到电路有过流､欠压等现象并进行保护时,该管脚电平将被拉低以通知主控制板｡  

管脚S15､S6外接的RCE和CCE用于调节管子过流保护时的压降｡对于1200V的IGBT,一般选择RCE为18kΩ､CCE为300pF,此时管压降门限为5V｡管脚S14､S7外接IGBT的栅极导通电阻RON,该电阻一般应在3~22Ω之间,实际应用时,该电阻的发热比较严重,因此建议使用2W的电阻｡管脚S13､S8外接IGBT的栅极导通电阻ROFF,其使用方法和RON一样｡管脚S20､S1分别连接检测上､下开关管的漏极｡对于1700V的IGBT,通常应该串接1kΩ/0.4W的电阻｡