英飞凌1ED020I12在IGBT驱动电路中的应用

作者：微叶科技 时间：2015-10-22 17:00

    利用1ED020I12为主器件做IGBT驱动电路，其外围接口电路简洁，通过对外围部分器件的调整，可以驱动各种电流段的IGBT，利用1ED020I12器件内部各种保护功能能有效的保护IGBT，而且1ED020I12的响应速度非常快，只有40ns，完全满足一些高频率要求的驱动电路，因此，1ED020I12是理想的IGBT驱动芯片
    随着科学技术的发展，IGBT(绝缘栅双极性晶体管)做为现代电力电子技术发展的产物，在电力电子领域得到了广泛的应用。数字电源、电焊机、电池动力汽车、变频器、伺服驱动器等一些产品中都用到IGBT。而IGBT做为这些产品核心的部件，其驱动电路是否可靠安全关系到整个产品的品质。驱动电路的作用就是将CPU传来的信号转换成具有足够功率的驱动信号，保证IGBT可靠的开通与关断。
    1ED020I12应用无磁芯变压器技术，是一个具有2A驱动能力的专门为IGBT设计的驱动芯片。它集成了很多功能，如检测欠压锁定、工作电平状态检测、看门狗、硬关断、差分输入、轨对轨输出、隔离的集电极开路故障反馈、有源米勒箝位、过流箝位等功能。本文从应用者的角度介绍了1ED020I12的基本原理和功能特性，并利用该芯片设计了用于IGBT驱动及保护电路。
1 1ED020I12的内部特性
1.1 磁隔离技术
    1ED020I12不仅可以驱动IGBT，而且可以驱动MOSFET。1ED020I12内部结构如图1所示。从该图可知，1ED020I12内部由无磁芯变压器隔离成两部分，保证高低压间完全隔离。
1.2低压锁定(UVLO)功能
    为了确保IGBT可靠的开通与关断，1ED020I12对供电电压进行监测，当VCC1的电压低于门限电压VULOL1的值或者VCC2低于VULOL2的值，芯片会自动停止输出，此时芯片处于锁定状态，不管输入的信号是高还是低都不会影响输出状态。这种锁定状态在VCC1和VCC2在电压升至VULOH1和VULOH2时才解除锁定。芯片供电电压是否正常，可以通过芯片READY引脚的状态来显示。
1.3看门狗功能
    1ED020I12芯片在正常工作的时候，会通过看门狗实时监测内部信号，判断信号传输是否正确。如果信号传输出现问题，芯片将封锁输出端口并且由READY引脚输出低电平以报告错误。
1.4输入与输出
    1ED020I12的输入模式可分两种，一种为正向输入即高电平有效，这时需要把11脚(IN-)接低
电平。另一种为反向输入即低电平有效，这时需要把第10脚(IN+)接高电平。在电平信号输入的时候，1ED020I12会有一最小脉冲宽度限制，这样会消除一些高频脉冲干扰，起到滤波的作用。输入部分可直接与DSP的IO引脚(CMOS结构)接口，方便用户进行接口设计。1ED020I12的输出采用推挽方式，内部采用的器件为MOSFET。MOSFET管压降很低，所以最大电流输出的时候器件功耗也会很低，这样提高了器件应用的可靠性。

 

图11ED020I12内部框图

2 1ED020I12的外部保护特性
2.1过流保护
    IGBT在CE间流过的电流的大小可以说与CE间的电压成正比，利用IGBT这一特性，在器件上设计了DESAT引脚，它可以检测CE间的电压，当它超过9V的时候，就关闭驱动输出，这样保证IGBT不至于过热而烧坏。为了不引起误保护，器件还设计了一消隐时间电路，它是利用器件内部高精度恒流源与外部电容来做的，根据手册介绍，外部电容可以选择1nF，如果DESAT引脚检测到电压超过9V，那么在150ns内会封锁驱动输出，在2.25us内会输出一报警信号。
2.2米勒箝位功能
    首先介绍一下米勒效应的原理如图2所示。IGBT的结构决定了在IGBT的CG间和GE间都存在一电容，虽然电容容量很小，但是如果在一个半桥结构中打开下端IGBT时会引起上端IGBT二极管duCE/dt的变化，因为IGBT的CG之间存在一电容CCG，那么此时会产生一电流
公式。

 

图2 miller效应

    电流iCG通过Miller电容CCG、电阻(RDriver，RGON、RGint)、CGE，当CGE上的电压超过IGBT的开通电压那么就会引起IGBT导通。这样就引起了上下管同时导通的极端恶劣情况，当IGBT结温超过额定温度时就会损坏IGBT。本器件为了消除米勒效应，特别设计了米勒箝位电路，它通过CLAMP引脚实时监测IGBT门极电压，当GE间的电压超过2V时，器件就会自动打开内部一MOSFET，以便使CGE电荷迅速释放。这种功能的应用可以在很多场合中省掉IGBT驱动传统设计中需用的负电源。在此说明，VCLAMP的内部吸收电流最大为1A
3 1ED020I12在IGBT驱动电路中的应用
3.1典型驱动电路
    图3为IGBT典型驱动电路。系统正常工作时，1ED020I12根据IN脚输入给定的电平信号，决定OUT输出的情况，同时监测IGBT的CE两端电压值。在正常情况下，FLTn脚输出高电平，如果有短路或者很大的电流流过IGBT，IGBT就会进入欠饱和模式，电压迅速上升。

 

图3 IGBT典型驱动电路

    当DESAT脚监测到电压值高于9V时，芯片迅速封锁驱动输出，开始软关断IGBT，以防止di/dt导致的高压；同时触发器件内部的反馈通道使FLTn输出变为低电平，通知控制器芯片封锁PWM输出。在IGBT关断期间，C4放电，故障监测电路置为无效，以避免产生错误的故障信号。一旦监测到故障状态，OUT输出禁用。在禁用期间，忽略所有输入的驱动信号，使驱动能彻底地软关断IGBT。禁用时间过了之后，原输入驱动信号再次变为高电平，使故障监测电路重新有效。
    在本电路中OUT输出通R6后连接到T1与T3两个三极管，这是因为本设计中IGBT额定电流达300A，其驱动电流最高可达7A，所以1ED020I12达不到要求，要另加一级驱动。如果驱动的IGBT比较小，那么可以直接可以将OUT接R6后接到IGBT门极。
3.2外围电路设计
    除了利用1ED020I12自身做的一些保护措施，另还需要考虑根据IGBT一些自身特性来设计外围的电路。
(1)关于驱动电路与IGBT间的配线
    图4为门极驱动电路配线示意图。在驱动电路和IGBT间的配线长的情况下，门极信号的振荡和感应杂波会导致IGBT误动作。作为对策，有如下方法：

 

图4 配线示意图

    ①驱动配线要尽量短，门极配线和发射极配线要紧密拧成一体(扭转状配线)。
    ②增大RG，但是注意开关损耗等情况。如果IG-BT应用于桥式电路中还应仔细观察IGBT的开通关断时间，以便设置合理的死区时间
    ③门极配线和IGBT的主电路配线要尽量远离，布局时两者要正交，使相互间不受感应。
    ④不要和其他相的门极配线绑扎在一起。
    ⑤G-E间加一电阻RGE。加REG能有效增加IGBT驱动的可靠性，RGE能使门极电位保持在设定状态，阻止门极充电。RGE推荐电阻10K
(2)驱动电压
    IGBT与其它的MOS型元器件一样，需要在实施了充分的静电对策的环境下使用。IGBT的G-E间最大额定电压为UGES=±20V，考虑到1ED020I12器件VCC2最大电压为20V，VEE2最小电压为-12V，电路中我们设计正电源为16V，负电源-5V，并且用示波器确定电源电压的变动范围在±10%以内。另在IGBT的G-E间安装16V的双向的瞬态电压抑制器以防止各种原因引起的GE间电压过高。