性能優(yōu)良的混合雙路驅(qū)動(dòng)器集成電路??

摘要：介紹了德國西門康公司生產(chǎn)的專用新型SKHI21/SKHI22混合雙路IGBT及MOSFET驅(qū)動(dòng)器集成電路，并列舉了其主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)、主要參數(shù)和典型應(yīng)用電路。

關(guān)鍵詞：集成電路；驅(qū)動(dòng)器；參數(shù)選擇

1??? 引言

??? SKHI21/SKHI22混合雙路IGBT、MOSFET驅(qū)動(dòng)器是德國西門康（SEMIKRON）公司生產(chǎn)的專用新型IGBT和MOSFET混合驅(qū)動(dòng)器。它有2路驅(qū)動(dòng)電路，可以直接驅(qū)動(dòng)IGBT半橋模塊，典型工作頻率為17kHz。輸入為CMOS兼容器，內(nèi)部有VCE監(jiān)控和自動(dòng)關(guān)斷電路，可提供有效的短路保護(hù)。采用變壓器隔離技術(shù)，驅(qū)動(dòng)多路信號(hào)只需一路電源，是UPS、電焊機(jī)及逆變器中理想的IGBT和MOSFET驅(qū)動(dòng)用集成電路。在驅(qū)動(dòng)半橋模塊時(shí)，驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)雙路互鎖，防止發(fā)生直通，并向用戶提供“錯(cuò)誤（Error）”鎖存信號(hào)。SKHI21和SKHI22的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)基本相同，兩者的區(qū)別在于電路應(yīng)用對象不同，SKHI21用于驅(qū)動(dòng)西門康公司自己生產(chǎn)的IGBT，而SKHI22可用于驅(qū)動(dòng)各種IGBT模塊，但這兩者都只能驅(qū)動(dòng)200A以下的IGBT模塊。

2??? 各引腳的排列、名稱、功能和用法

??? SKHI21/SKHI22采用模塊式封裝，它的封裝形式如圖1所示，對外引出16個(gè)引腳。

圖1??? SKHI21/SKHI22的引腳排列（引腳向上）

2.1??? 輸入引腳

??? 引腳P₇（GND），P₁₄（GND）??? 控制脈沖輸入部分參考地端。使用中與用戶脈沖形成部分的地相連。

??? 引腳P₈（VIN2），P₁₂（VIN1）??? 兩路互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)脈沖輸入端。使用中接用戶脈沖形成電路的輸出，兩路輸入脈沖間應(yīng)有一定的互鎖時(shí)間，以防止同橋臂的IGBT或MOSFET直通。

??? 引腳P₉（R_TD2）、引腳P₁₁（R_TD1）??? 封鎖延遲時(shí)間設(shè)置電阻的連接端1和2。使用中分別通過一個(gè)電阻接工作電源端（引腳P₁₃），設(shè)置輸出兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的封鎖延遲時(shí)間，以防止在驅(qū)動(dòng)同橋臂上、下兩個(gè)IGBT或MOSFET時(shí)發(fā)生直通。

??? 引腳P₁₃（V_S）??? 輸入級電源端。接用戶驅(qū)動(dòng)脈沖形成級電源端。

??? 引腳P₁₀（ERROR）脈沖封鎖信號(hào)輸入端。低電平有效，該端低電平可封鎖輸出驅(qū)動(dòng)脈沖，使用中接用戶保護(hù)電路的輸出。

圖2??? SKHI21/SKHI22的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理框圖

2.2??? 輸出引腳

??? 引腳S₁（V_CE2）和引腳S₂₀（V_CE1）??? 被驅(qū)動(dòng)IGBT集-射極間壓降或被驅(qū)動(dòng)MOSFET漏?源極間壓降監(jiān)視電壓輸入端。使用中分別接被驅(qū)動(dòng)半橋IGBT的集電極或MOSFET漏極。由于SKHI21/22內(nèi)部已有高壓快恢復(fù)二極管，所以使用中不需再串高壓快恢復(fù)二極管。

??? 引腳S₆（C_CE2）和引腳S15（C_CE1）??? 2個(gè)被驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)器件欠飽和保護(hù)門檻設(shè)置端。使用中分別通過一個(gè)電阻與電容的并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)接被驅(qū)動(dòng)IGBT的發(fā)射極或功率MOSFET的源極。

??? 引腳S₉（E₂）和引腳S₁₂（E₁）??? 輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)參考地端。使用中分別接被驅(qū)動(dòng)的2個(gè)IGBT的發(fā)射極或功率MOSFET的源極。

??? 引腳S₇（G_ON2）和引腳S₁₄（G_ON1）??? 2驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)輸出端。使用中分別通過一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娮杞颖或?qū)動(dòng)的IGBT或功率MOSFET的柵極。

??? 引腳S₈（G_OFF2）和引腳S₁₃（G_OFF1）??? 被驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)器件關(guān)斷速度設(shè)置端。使用中，分別通過一個(gè)電阻接被驅(qū)動(dòng)的IGBT或MOSFET的柵極。

2.3??? 空引腳

??? 輸入引腳中的P₁，P₂，P₃，P₄，P₅，P₆與輸出引腳中的S₂，S₃，S₄，S₅及S₁₆，S₁₇，S₁₈，S₁₉均為空腳，使用中懸空。

3??? 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理

??? SKHI21/SKHI22的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理框圖如圖2所示。它們的內(nèi)部集成有2個(gè)施密特觸發(fā)器、2個(gè)與門、2個(gè)隔離環(huán)節(jié)、2個(gè)電平匹配器、2個(gè)功率驅(qū)動(dòng)級、2個(gè)過電流檢測比較器、1個(gè)輸入電源電壓監(jiān)視及1個(gè)誤差監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)，共有8個(gè)單元電路。

??? 1）脈沖隔離驅(qū)動(dòng)功能??? 作為驅(qū)動(dòng)器，隔離驅(qū)動(dòng)是它的基本功能。當(dāng)信號(hào)經(jīng)V_IN1、V_IN2進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器后，先經(jīng)過輸入施密特觸發(fā)器對脈沖進(jìn)行整形，此觸發(fā)器有較大的閾值電壓回差（V_IN＋=12.9V，V_IN－=2.1V），因此具有較強(qiáng)的抗干擾能力。整形后的脈沖經(jīng)一與門后進(jìn)入隔離變壓器一次側(cè)，在其二次側(cè)得到與輸入脈沖同相的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，具體傳輸特性如圖3所示。由于采用了隔離變壓器技術(shù)，整個(gè)驅(qū)動(dòng)器用一路電源即可將兩路脈沖信號(hào)進(jìn)行隔離驅(qū)動(dòng)。同樣，多路信號(hào)也可以只用一路電源，選用多個(gè)SKHI21/SKHI22驅(qū)動(dòng)器即可完成隔離驅(qū)動(dòng)功能。

??? 整個(gè)驅(qū)動(dòng)器采用了模塊封裝形式，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩路信號(hào)。只用一路時(shí)，如使用輸出1，將輸出2的V_CE2（S₁）端和E₂（S₉）端短接。

??? 2）內(nèi)鎖電路??? 內(nèi)部具有雙IGBT互鎖電路，以防止兩路信號(hào)同時(shí)為開態(tài)，1路IGBT的關(guān)信號(hào)與另1路IGBT的開信號(hào)互鎖的典型時(shí)間t_TD=2.7μs，可避免IGBT半橋直通，如圖3所示。

圖3??? 脈 沖 傳 輸 特 性

??? 3）窄脈沖抑制??? 如果開關(guān)脈沖過窄，脈沖變壓器不能被充分勵(lì)磁，且其輸出端的耦合電容也不能被充分充電，這樣，驅(qū)動(dòng)器輸出端觸發(fā)器將保持原狀態(tài)。窄脈沖抑制功能可以確保僅傳送有效觸發(fā)脈沖。

??? 4）錯(cuò)誤監(jiān)控與存儲(chǔ)???? SKHI21/SKHI22的電路監(jiān)控器主要有V_S監(jiān)控和V_CE監(jiān)控。當(dāng)V_S低于某一門限值或V_CE高于某一門限值時(shí)，則SKHI21/SKHI22封鎖輸出驅(qū)動(dòng)脈沖，防止被驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)器件損壞。

??? （1）電源監(jiān)控??? 驅(qū)動(dòng)器電源電壓V_S最小值為13V，如果低于該值，即產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)，從而封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖，電源達(dá)到其正常值（15V）且延時(shí)4μs以后，才允許輸出脈沖。

??? （2）V_CE監(jiān)控??? V_CE監(jiān)控主要用于監(jiān)視IGBT開態(tài)時(shí)集電極和發(fā)射極間的電壓V_CE，V_CE的門限為10V。如果IGBT的C、E間電壓超出參考電壓V_CEREF，輸出信號(hào)會(huì)立即為零，V_CEREF是可變的。IGBT開啟的瞬間高電壓是允許的。V_CEREF則用外接電阻R_CE（連接在引腳C_CE和E之間）設(shè)置，但不能超過10V。并聯(lián)在R_CE兩端的電容C_CE可用來增加V_CEREF的延遲時(shí)間常數(shù)，此時(shí)間即為控制IGBT開通到V_CE監(jiān)控激活的最小時(shí)間。當(dāng)IGBT的C、E間電壓超過V_CEREF的t_min時(shí)間后，V_CE監(jiān)控才起作用。

??? （3）Error存儲(chǔ)錯(cuò)誤存儲(chǔ)單元可對錯(cuò)誤監(jiān)控電路提供的信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，一旦有“錯(cuò)誤存儲(chǔ)”將同時(shí)阻止對兩個(gè)IGBT的開脈沖，當(dāng)錯(cuò)誤監(jiān)控電路無脈沖輸出且雙路輸出均為零時(shí)，錯(cuò)誤存儲(chǔ)才能被清除。錯(cuò)誤存儲(chǔ)信號(hào)送至“ERROR”端子，并可連接至控制電路。

4??? 典型應(yīng)用

??? SKHI21/SKHI22的上述優(yōu)良性能和特點(diǎn)，決定了它的單塊可以用于單相半橋IGBT或MOSFET逆變器中，多塊可用于單相全橋或三相全橋逆變器中。

??? SKHI21/SKHI22用于單相半橋逆變器中，典型應(yīng)用電路如圖4所示。信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)模塊功率放大后，分別送到2個(gè)IGBT的C、E端。

圖 4??? 典 型 應(yīng) 用 電 路 圖

??? 主要參數(shù)選擇如下。

??? 1）RTD的選擇??? 在一些特定電路中，需要更長的內(nèi)部互鎖時(shí)間，可通過在腳R_TD外接電阻來實(shí)現(xiàn)。由兩個(gè)外接電阻R_TD設(shè)置信號(hào)延遲時(shí)間，電阻接在引腳R_TD和V_S之間，其典型時(shí)間t_TD=2.7＋0.13R_TD，R_TD<100kΩ。式中，R_TD單位為kΩ。

??? 2）RCE、CCE的選擇

??? V_CEstat的選擇如圖5所示。

圖 5? V_CEstat與R_CE的 關(guān) 系 曲 線

??? 計(jì)算R_CE（R_CE>10kΩ）的公式為

??? V_CEstat=[9R_CE(kΩ)－25]/[10＋R_CE(kΩ)]

式中：V_CEstat的單位為V。

????? t_min(t_min<10μs)的選擇

??? 根據(jù)公式計(jì)算C_CE(C_CEmax=2.7nF)

??? t_min=C_CE(nF)[10R_CE(kΩ)/(10＋R_CE)]×ln[(15－V_CEstat(V))/(10－V_CEstat)]

??? 典型參數(shù)：R_TD=0，R_CE=24kΩ，C_CE=330pF，V_CEstat=5.6V，t_min=1.75μs。

??? 3）R_ON、R_OFF的選擇??? 外接電阻RON用于設(shè)置IGBT開啟速度，R_ON越大，開啟速度越低，且續(xù)流二極管反向恢復(fù)峰值電流減小；外接電阻R_OFF用于設(shè)置IGBT關(guān)斷速度，R_OFF越大，關(guān)斷越慢，且寄生電感兩端電壓也下降。典型值：R_ONmin=3.3Ω，R_OFFmin=3.3Ω。

??? 4）IGBT模塊過溫保護(hù)電路的連接模塊溫度監(jiān)控可由ERROR端與GND端連接雙金屬熱保護(hù)器來實(shí)現(xiàn)。超過標(biāo)定溫度時(shí)，保護(hù)器觸點(diǎn)打開，使ERROR端有錯(cuò)誤信號(hào)輸出。

5??? 結(jié)語

??? 實(shí)踐證明，SKHI21/SKHI22確實(shí)是一款性能優(yōu)良的混合雙路IGBT或MOSFET驅(qū)動(dòng)器集成電路。