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[導讀]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(gòu) 。

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(gòu) ,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(guān)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(guān)狀態(tài),同時可縮短開關(guān)時間,減少開關(guān)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(gòu)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(gòu)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(gòu);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。

1 SCALE的性能特點及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.1 SCALE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(guān)斷電平為-15V;開關(guān)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(guān)電源。

    1.2 SCALE驅(qū)動器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

SCALE器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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;

(2) 提供簡單的邏輯電源接口;

(3) 在半橋方式中產(chǎn)生死區(qū)時間;

(4) 對PWM信號進行編碼,以便通過脈沖變壓器傳輸;

(5) 評估脈碼狀態(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。

SCALE驅(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:

(1)接受來自脈沖變壓器的脈碼信號,并將其復原成PWM信號;

(2)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;

(4)欠壓監(jiān)測;

(5)產(chǎn)生響應和關(guān)斷時間;

(6)傳輸狀態(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。

2?。樱茫粒蹋膨?qū)動器的應用

SCALE集成驅(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。

2.1 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。

2.2 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5 SCALE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(gòu)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(guān)斷功率管。Rth的計算公式為:

Rth=Vth/150μA。

式中,Vth為關(guān)斷閾值電壓,150μA為驅(qū)動器內(nèi)置電流源。

2.3 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(guān)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(guān)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(gòu)。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(guān)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(gòu)中的斜對管將同時導通或關(guān)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(gòu)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(guān)特性,而且還可以靈活的選擇Vce檢測電路??梢灶A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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