一種專為IGBT和MOSFET設計的驅(qū)動器

摘要：介紹了一種專為IGBT和功率MOSFET設計的電力電子驅(qū)動器件——SCALE集成驅(qū)動器的性能特點和內(nèi)部結(jié)構，給出了SCALE集成驅(qū)動器在中頻臭氧發(fā)生器電源中的應用電路。
　　關鍵詞：驅(qū)動電路；IGBT；功率MOSFET；中頻電源；臭氧發(fā)生器
　　
　　電力電子器件的驅(qū)動電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子裝置的重要環(huán)節(jié)，對整個裝置的性能有很大的影響。采用性能良好的驅(qū)動電路可使電力電子器件工作在比較理想的開關狀態(tài)，同時可縮短開關時間，減少開關損耗，這對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。
　　
　　驅(qū)動電路的常用形式是由分立元件構成的驅(qū)動電路，但目前的趨勢是采用專用的集成驅(qū)動電路。ＳＣＡＬＥ集成驅(qū)動器就是由瑞士ＣＯＮＣＥＰＴ公司生產(chǎn)的、專為ＩＧＢＴ和電力ＭＯＳＦＥＴ提供驅(qū)動的電路。它具有多功能、低成本、易使用、可靠性好等特點。根據(jù)實際應用中對驅(qū)動性能、驅(qū)動輸出通道數(shù)目、隔離等不同要求，ＳＣＡＬＥ集成驅(qū)動器具有相應的不同型號?因而可滿足不同的需求。
　　
　　由于各種不同型號的ＳＣＡＬＥ集成驅(qū)動器在功能、結(jié)構和使用方法上大同小異，故本文不針對某種具體型號的ＳＣＡＬＥ器件作敘述，而是對整個系列的ＳＣＡＬＥ器件的共性進行論述，以便使讀者對ＳＣＡＬＥ器件有一個整體的認識，在應用時再根據(jù)具體的需要選擇具體型號的ＳＣＡＬＥ芯片。本文首先介紹ＳＣＡＬＥ集成驅(qū)動器的性能特點和內(nèi)部結(jié)構；然后介紹它在中頻ＤＢＤ型臭氧發(fā)生器電源中的應用，并給出了實驗波形。
　　
　　１ＳＣＡＬＥ的性能特點及內(nèi)部結(jié)構
　　
　�。保�１ＳＣＡＬＥ驅(qū)動器的性能特點
　　
　　ＳＣＡＬＥ器件提供的驅(qū)動電流可達１８Ａ，輸出驅(qū)動信號的導通電平為＋１５Ｖ，關斷電平為－１５Ｖ；開關頻率范圍為０～１００ｋＨｚ；具有５００Ｖ～１０ｋＶ的電氣隔離特性；占空比為０～１００％。同時,這種器件內(nèi)部還帶有短路和過流保護電路、隔離的狀態(tài)識別電路、電源檢測電路和ＤＣ／ＤＣ開關電源。
　　
　　１．２ＳＣＡＬＥ驅(qū)動器的內(nèi)部結(jié)構
　　
　�。樱茫粒蹋牌骷�的內(nèi)部結(jié)構如圖１所示（兩通道）。
　　
　　由圖可見?驅(qū)動器由三個功能單元組成。
　　
　　第一個功能單元是邏輯與驅(qū)動電路接口（ＬＤＩ），用于驅(qū)動兩個通道。當加在輸入端ＩｎＡ和ＩｎＢ的ＰＷＭ信號經(jīng)過處理后，其驅(qū)動信息被分別送到每個驅(qū)動通道的脈沖變壓器。由于變壓器不易傳輸頻率范圍和占空比都比較寬的ＰＷＭ信號，因此，ＬＤＩ主要用來解決這個問題。ＬＤＩ的主要功能如下：
　　
　　（１）為用戶提供一個簡單的接口。它的兩個信號輸入端都有施密特觸發(fā)電路；
　　
　�。ǎ玻┨峁┖唵蔚倪壿嬰娫唇涌�；
　　
　　（３）在半橋方式中產(chǎn)生死區(qū)時間；
　　
　�。ǎ矗�對ＰＷＭ信號進行編碼，以便通過脈沖變壓器傳輸；
　　
　�。ǎ担┰u估脈碼狀態(tài)識別信號及隨后的緩沖，以便為用戶提供一個準靜態(tài)的識別信號。
　　
　�。樱茫粒蹋膨�(qū)動器可與任何邏輯接口和電平兼容，無須附加其它電路。脈沖變壓器負責驅(qū)動信號的隔離，同時可將來自每個通道的信息反饋給ＬＤＩ。
　　
　　第二個功能單元是智能門極驅(qū)動器（ＩＧＤ）。對應于每個驅(qū)動通道都有一個ＩＧＤ。其主要功能如下：
　　
　�。ǎ保┙邮軄碜悦}沖變壓器的脈碼信號，并將其復原成ＰＷＭ信號；
　　
　�。ǎ玻�對ＰＷＭ信號進行放大，并驅(qū)動功率管；
　　
　　（３）對功率器件進行短路及過流保護；
　　
　�。ǎ矗┣穳罕O(jiān)測；
　　
　�。ǎ担┊a(chǎn)生響應和關斷時間；
　　
　�。ǎ叮﹤鬏敔顟B(tài)識別信號給ＬＤＩ。
　　
　　第三個功能單元是集成ＤＣ／ＤＣ電源。所有標準的ＳＣＡＬＥ驅(qū)動器都有一個ＤＣ／ＤＣ變
　　
　　
　　
　　換器，以便為各個驅(qū)動通道提供工作電源。因此，該驅(qū)動器只需一個穩(wěn)定的１５Ｖ直流電源。
　　
　�。玻樱茫粒蹋膨�(qū)動器的應用
　　
　�。樱茫粒蹋偶�成驅(qū)動器是專為ＩＧＢＴ和電力ＭＯＳＴＥＴ而設計的驅(qū)動器，可應用于多種電力電子裝置或設備。在應用ＳＣＡＬＥ驅(qū)動器時，應首先考慮以下三個問題：第一是工作方式的選擇；第二是驅(qū)動器工作電平和門限電阻Ｒｔｈ的確定；第三是故障狀態(tài)信號與控制電路的接口。
　　
　�。玻�１工作方式的選擇
　　
　　ＳＣＡＬＥ驅(qū)動器有兩種工作方式：直接和半橋方式。直接方式的連線圖如圖２所示。該方式下，ＭＯＤ輸入端接ＶＣＣ，ＲＣ１和ＲＣ２接地，ＰＷＭ信號同時接ＩＮＡ和ＩＮＢ，ＳＯ１和ＳＯ２引出兩個狀態(tài)反饋信號。
　　
　　當驅(qū)動器工作在直接方式時，驅(qū)動器的驅(qū)動通道之間沒有聯(lián)系，兩個通道總是同時被驅(qū)動。死區(qū)時間由控制電路確定。半橋方式的連線圖如圖３所示。在該方式下，ＭＯＤ輸入端接地，ＩＮＡ輸入ＰＷＭ信號，ＩＮＢ輸入使能信號。由于兩個狀態(tài)輸出端ＳＯ１和ＳＯ２接在一起，所以兩個驅(qū)動通道輸出同一故障信號。死區(qū)時間由ＲＣ１和ＲＣ２的外接電路來確定。
　　
　�。玻�２邏輯電平的確定及Ｒｔｈ的計算
　　
　　該邏輯電平可由驅(qū)動器的ＶＬ／Ｒｅｓｅｔ輸入端來確定。ＶＬ／Ｒｅｓｅｔ端的電壓值決定了輸入ＩｎＡ和ＩｎＢ施密特觸發(fā)器的觸發(fā)上限電平為２ＶＬ／３，下限觸發(fā)電平為ＶＬ／３。由于輸入端ＩｎＡ、ＩｎＢ具有施密特觸發(fā)特性，所以ＳＣＡＬＥ驅(qū)動器能處理５～１５Ｖ之間的任何邏輯電平，也就是說：控制電路與ＳＣＡＬＥ驅(qū)動器之間可以不附加其它電路。圖２和圖３分別給出了ＴＴＬ電平和１５Ｖ電平時，ＶＬ／Ｒｅｓｅｔ端的連線圖。
　　
　　圖5SCALE驅(qū)動接線圖（半橋方式）
　　
　　電阻Ｒｔｈ的作用是用來定義當功率管導通時的最大管壓降，它和其它元件一起構成了Ｖｃｅ監(jiān)測電路。當功率管導通時的管壓降大于由Ｒｔｈ定義的最大管壓降時，Ｖｃｅ監(jiān)測電路便輸出故障報警信號，并關斷功率管。Ｒｔｈ的計算公式為：
　　
　�。遥簦瑁剑郑簦瑁�１５０μＡ。
　　
　　式中，Ｖｔｈ為關斷閾值電壓，１５０μＡ為驅(qū)動器內(nèi)置電流源。
　　
　�。玻�３故障狀態(tài)輸出
　　
　　狀態(tài)輸出采用的是集電極開路形式，以便與其它邏輯電平匹配。輸出時須接上拉電阻。當電源電壓低于１０Ｖ時?ＩＧＤ執(zhí)行欠壓保護功能?輸出負門極電壓可關斷功率管并輸出故障報告；當Ｖｃｅ監(jiān)測電路檢測到短路或過電流時，ＩＧＤ執(zhí)行短路或過流保護功能，此時關斷功率管的輸出為故障報告信號。ＳＣＡＬＥ器件在檢測到電路故障時，其封鎖時間為１ｓ左右。驅(qū)動器一旦被檢測到有故障，輸出晶體管將被拉低，而在正常情況下，晶體管輸出高電平。
　　
　　３在中頻ＤＢＤ型臭氧發(fā)生器中的應用
　　
　　圖４所示是一個中頻ＤＢＤ型臭氧發(fā)生器電源系統(tǒng)的原理框圖。圖中，整個電源系統(tǒng)可分為主電路、控制電路和驅(qū)動電路，主電路包括整流電路和逆變電路；控制電路主要包括ＰＷＭ控制電路、晶閘管智能模塊觸發(fā)控制電路、保護電路和軟啟動電路。其中整流電路采用三相全控整流電路，逆變電路則采用全橋結(jié)構。驅(qū)動電路采用ＳＣＡＬＥ集成驅(qū)動器，型號為２ＳＤ３１５Ａ，采用的工作方式為半橋工作方式，接線圖如圖５所示。圖中只給出一塊驅(qū)動器的接線圖，另一塊可用相同的方法連接。
　　
　　２ＳＤ３１５Ａ具有兩個驅(qū)動通道，因而此系統(tǒng)需要兩個２ＳＤ３１５Ａ集成驅(qū)動器，一個ＳＣＡＬＥ驅(qū)動器可驅(qū)動同一橋臂的上下兩功率管，工作波形如圖６所示。ＰＷＭ控制電路采用ＳＧ３５２５集成芯片。ＳＧ３５２５產(chǎn)生的ＰＷＭ波形經(jīng)ＳＣＡＬＥ驅(qū)動器后可輸出Ｇ１和Ｇ２門極驅(qū)動信號。圖中Ｇ１和Ｇ２分別為同一橋臂上下管的門極驅(qū)動信號，它們之間有死區(qū)時間。另一橋臂上下兩管的驅(qū)動信號在時序關系上與Ｇ１、Ｇ２相同。全橋逆變器的功率管采用ＩＧＢＴ，在工作時，全橋結(jié)構中的斜對管將同時導通或關斷。另外，由于ＳＣＡＬＥ集成驅(qū)動器能處理５～１５Ｖ之間的任何邏輯電平，故可使驅(qū)動電路與控制電路的接口得到簡化，同時ＳＧ３５２５芯片與２ＳＤ３１５Ａ間也無需電平轉(zhuǎn)換電路。
　　
　　４結(jié)束語
　　
　　實踐證明，在中頻ＤＢＤ型臭氧發(fā)生器電源中，驅(qū)動電路采用ＳＣＡＬＥ集成驅(qū)動器后，驅(qū)動電路結(jié)構變得更為簡單、功能更加強大、可靠性更高。與ＩＰＭ相比，ＳＣＡＬＥ驅(qū)動器只需極少的外圍電路，但能提供更靈活的開關特性，而且還可以靈活的選擇Ｖｃｅ檢測電路。可以預見：ＳＣＡＬＥ驅(qū)動器將以其優(yōu)良的性能在電力電子裝置中得到廣泛的應用。

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