一种专为IGBT和MOSFET设计的驱动器
摘要：介绍了一种专为IGBT和功率MOSFET设计的电力电子驱动器件——SCALE集成驱动器的性能特点和内部结构 ，给出了SCALE集成驱动器在中频臭氧发生器电源中的应用电路。 关键词：驱动电路；IGBT；功率MOSFET；中频电源；臭氧发生器电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。采用性能良好的驱动电路可使电力电子器件工作在比较理想的开关状态，同时可缩短开关时间，减少开关损耗，这对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。驱动电路的常用形式是由分立元件构成的驱动电路，但目前的趋势是采用专用的集成驱动电路。ＳＣＡＬＥ集成驱动器就是由瑞士ＣＯＮＣＥＰＴ公司生产的、专为ＩＧＢＴ和电力ＭＯＳＦＥＴ提供驱动的电路。它具有多功能、低成本、易使用、可靠性好等特点。根据实际应用中对驱动性能、驱动输出通道数目、隔离等不同要求，ＳＣＡＬＥ集成驱动器具有相应的不同型号?因而可满足不同的需求。由于各种不同型号的ＳＣＡＬＥ集成驱动器在功能、结构和使用方法上大同小异，故本文不针对某种具体型号的ＳＣＡＬＥ器件作叙述，而是对整个系列的ＳＣＡＬＥ器件的共性进行论述，以便使读者对ＳＣＡＬＥ器件有一个整体的认识，在应用时再根据具体的需要选择具体型号的ＳＣＡＬＥ芯片。本文首先介绍ＳＣＡＬＥ集成驱动器的性能特点和内部结构；然后介绍它在中频ＤＢＤ型臭氧发生器电源中的应用，并给出了实验波形。
１ ＳＣＡＬＥ的性能特点及内部结构 １．１ ＳＣＡＬＥ驱动器的性能特点ＳＣＡＬＥ器件提供的驱动电流可达１８Ａ，输出驱动信号的导通电平为＋１５Ｖ，关断电平为－１５Ｖ；开关频率范围为０～１００ｋＨｚ；具有５００Ｖ～１０ｋＶ的电气隔离特性；占空比为０～１００％。同时 这种器件内部还带有短路和过流保护电路、隔离的状态识别电路、电源检测电路和ＤＣ／ＤＣ开关电源。
１．２ ＳＣＡＬＥ驱动器的内部结构ＳＣＡＬＥ器件的内部结构如图１所示（两通道）。由图可见?驱动器由三个功能单元组成。第一个功能单元是逻辑与驱动电路接口（ＬＤＩ），用于驱动两个通道。当加在输入端ＩｎＡ和ＩｎＢ的ＰＷＭ信号经过处理后，其驱动信息被分别送到每个驱动通道的脉冲变压器。由于变压器不易传输频率范围和占空比都比较宽的ＰＷＭ信号，因此，ＬＤＩ主要用来解决这个问题。ＬＤＩ的主要功能如下：（１） 为用户提供一个简单的接口。它的两个信号输入端都有施密特触发电路；（２） 提供简单的逻辑电源接口；（３） 在半桥方式中产生死区时间；（４） 对ＰＷＭ信号进行编码，以便通过脉冲变压器传输；（５） 评估脉码状态识别信号及随后的缓冲，以便为用户提供一个准静态的识别信号。ＳＣＡＬＥ驱动器可与任何逻辑接口和电平兼容，无须附加其它电路。脉冲变压器负责驱动信号的隔离，同时可将来自每个通道的信息反馈给ＬＤＩ。第二个功能单元是智能门极驱动器（ＩＧＤ）。对应于每个驱动通道都有一个ＩＧＤ。其主要功能如下：（１）接受来自脉冲变压器的脉码信号，并将其复原成ＰＷＭ信号；（２）对ＰＷＭ信号进行放大，并驱动功率管；（３）对功率器件进行短路及过流保护；（４）欠压监测；（５）产生响应和关断时间；（６）传输状态识别信号给ＬＤＩ。第三个功能单元是集成ＤＣ／ＤＣ电源。所有标准的ＳＣＡＬＥ驱动器都有一个ＤＣ／ＤＣ变换器，以便为各个驱动通道提供工作电源。因此，该驱动器只需一个稳定的１５Ｖ直流电源。
２ ＳＣＡＬＥ驱动器的应用 ＳＣＡＬＥ集成驱动器是专为ＩＧＢＴ和电力ＭＯＳＴＥＴ而设计的驱动器，可应用于多种电力电子装置或设备。在应用ＳＣＡＬＥ驱动器时，应首先考虑以下三个问题：第一是工作方式的选择；第二是驱动器工作电平和门限电阻Ｒｔｈ的确定；第三是故障状态信号与控制电路的接口。２．１ 工作方式的选择ＳＣＡＬＥ驱动器有两种工作方式：直接和半桥方式。直接方式的连线图如图２所示。该方式下，ＭＯＤ输入端接ＶＣＣ，ＲＣ１和ＲＣ２接地，ＰＷＭ信号同时接ＩＮＡ和ＩＮＢ， ＳＯ１和ＳＯ２引出两个状态反馈信号。当驱动器工作在直接方式时，驱动器的驱动通道之间没有联系，两个通道总是同时被驱动。死区时间由控制电路确定。半桥方式的连线图如图３所示。在该方式下，ＭＯＤ输入端接地，ＩＮＡ输入ＰＷＭ信号，ＩＮＢ输入使能信号。由于两个状态输出端ＳＯ１和ＳＯ２接在一起，所以两个驱动通道输出同一故障信号。死区时间由ＲＣ１和ＲＣ２的外接电路来确定。２．２ 逻辑电平的确定及Ｒｔｈ的计算该逻辑电平可由驱动器的ＶＬ／Ｒｅｓｅｔ输入端来确定。ＶＬ／Ｒｅｓｅｔ端的电压值决定了输入ＩｎＡ和ＩｎＢ施密特触发器的触发上限电平为２ＶＬ／３，下限触发电平为ＶＬ／３。由于输入端ＩｎＡ、ＩｎＢ具有施密特触发特性，所以ＳＣＡＬＥ驱动器能处理５～１５Ｖ之间的任何逻辑电平，也就是说：控制电路与ＳＣＡＬＥ驱动器之间可以不附加其它电路。图２和图３分别给出了ＴＴＬ电平和１５Ｖ电平时，ＶＬ／Ｒｅｓｅｔ端的连线图。
电阻Ｒｔｈ的作用是用来定义当功率管导通时的最大管压降，它和其它元件一起构成了Ｖｃｅ监测电路。当功率管导通时的管压降大于由Ｒｔｈ定义的最大管压降时，Ｖｃｅ监测电路便输出故障报警信号，并关断功率管。Ｒｔｈ的计算公式为：Ｒｔｈ＝Ｖｔｈ／１５０μＡ。式中，Ｖｔｈ为关断阈值电压，１５０μＡ为驱动器内置电流源。２．３ 故障状态输出状态输出采用的是集电极开路形式，以便与其它逻辑电平匹配。输出时须接上拉电阻。当电源电压低于１０Ｖ时?ＩＧＤ执行欠压保护功能?输出负门极电压可关断功率管并输出故障报告；当Ｖｃｅ监测电路检测到短路或过电流时，ＩＧＤ执行短路或过流保护功能，此时关断功率管的输出为故障报告信号。ＳＣＡＬＥ器件在检测到电路故障时，其封锁时间为１ｓ左右。驱动器一旦被检测到有故障，输出晶体管将被拉低，而在正常情况下，晶体管输出高电平。 ３ 在中频ＤＢＤ型臭氧发生器中的应用 图４所示是一个中频ＤＢＤ型臭氧发生器电源系统的原理框图。图中，整个电源系统可分为主电路、控制电路和驱动电路，主电路包括整流电路和逆变电路；控制电路主要包括ＰＷＭ控制电路、晶闸管智能模块触发控制电路、保护电路和软启动电路。其中整流电路采用三相全控整流电路，逆变电路则采用全桥结构。驱动电路采用ＳＣＡＬＥ集成驱动器，型号为２ＳＤ３１５Ａ，采用的工作方式为半桥工作方式，接线图如图５所示。图中只给出一块驱动器的接线图，另一块可用相同的方法连接。２ＳＤ３１５Ａ具有两个驱动通道，因而此系统需要两个２ＳＤ３１５Ａ集成驱动器，一个ＳＣＡＬＥ驱动器可驱动同一桥臂的上下两功率管，工作波形如图６所示。ＰＷＭ控制电路采用ＳＧ３５２５集成芯片。ＳＧ３５２５产生的ＰＷＭ波形经ＳＣＡＬＥ驱动器后可输出Ｇ１和Ｇ２门极驱动信号。图中Ｇ１和Ｇ２分别为同一桥臂上下管的门极驱动信号，它们之间有死区时间。另一桥臂上下两管的驱动信号在时序关系上与Ｇ１、Ｇ２相同。全桥逆变器的功率管采用ＩＧＢＴ，在工作时，全桥结构中的斜对管将同时导通或关断。另外，由于ＳＣＡＬＥ集成驱动器能处理５～１５Ｖ之间的任何逻辑电平，故可使驱动电路与控制电路的接口得到简化，同时ＳＧ３５２５芯片与２ＳＤ３１５Ａ间也无需电平转换电路。
４ 结束语 实践证明，在中频ＤＢＤ型臭氧发生器电源中，驱动电路采用ＳＣＡＬＥ集成驱动器后，驱动电路结构变得更为简单、功能更加强大、可靠性更高。与ＩＰＭ相比，ＳＣＡＬＥ驱动器只需极少的外围电路，但能提供更灵活的开关特性，而且还可以灵活的选择Ｖｃｅ检测电路。可以预见：ＳＣＡＬＥ驱动器将以其优良的性能在电力电子装置中得到广泛的应用。
１ ＳＣＡＬＥ的性能特点及内部结构 １．１ ＳＣＡＬＥ驱动器的性能特点ＳＣＡＬＥ器件提供的驱动电流可达１８Ａ，输出驱动信号的导通电平为＋１５Ｖ，关断电平为－１５Ｖ；开关频率范围为０～１００ｋＨｚ；具有５００Ｖ～１０ｋＶ的电气隔离特性；占空比为０～１００％。同时 这种器件内部还带有短路和过流保护电路、隔离的状态识别电路、电源检测电路和ＤＣ／ＤＣ开关电源。
１．２ ＳＣＡＬＥ驱动器的内部结构ＳＣＡＬＥ器件的内部结构如图１所示（两通道）。由图可见?驱动器由三个功能单元组成。第一个功能单元是逻辑与驱动电路接口（ＬＤＩ），用于驱动两个通道。当加在输入端ＩｎＡ和ＩｎＢ的ＰＷＭ信号经过处理后，其驱动信息被分别送到每个驱动通道的脉冲变压器。由于变压器不易传输频率范围和占空比都比较宽的ＰＷＭ信号，因此，ＬＤＩ主要用来解决这个问题。ＬＤＩ的主要功能如下：（１） 为用户提供一个简单的接口。它的两个信号输入端都有施密特触发电路；（２） 提供简单的逻辑电源接口；（３） 在半桥方式中产生死区时间；（４） 对ＰＷＭ信号进行编码，以便通过脉冲变压器传输；（５） 评估脉码状态识别信号及随后的缓冲，以便为用户提供一个准静态的识别信号。ＳＣＡＬＥ驱动器可与任何逻辑接口和电平兼容，无须附加其它电路。脉冲变压器负责驱动信号的隔离，同时可将来自每个通道的信息反馈给ＬＤＩ。第二个功能单元是智能门极驱动器（ＩＧＤ）。对应于每个驱动通道都有一个ＩＧＤ。其主要功能如下：（１）接受来自脉冲变压器的脉码信号，并将其复原成ＰＷＭ信号；（２）对ＰＷＭ信号进行放大，并驱动功率管；（３）对功率器件进行短路及过流保护；（４）欠压监测；（５）产生响应和关断时间；（６）传输状态识别信号给ＬＤＩ。第三个功能单元是集成ＤＣ／ＤＣ电源。所有标准的ＳＣＡＬＥ驱动器都有一个ＤＣ／ＤＣ变换器，以便为各个驱动通道提供工作电源。因此，该驱动器只需一个稳定的１５Ｖ直流电源。
２ ＳＣＡＬＥ驱动器的应用 ＳＣＡＬＥ集成驱动器是专为ＩＧＢＴ和电力ＭＯＳＴＥＴ而设计的驱动器，可应用于多种电力电子装置或设备。在应用ＳＣＡＬＥ驱动器时，应首先考虑以下三个问题：第一是工作方式的选择；第二是驱动器工作电平和门限电阻Ｒｔｈ的确定；第三是故障状态信号与控制电路的接口。２．１ 工作方式的选择ＳＣＡＬＥ驱动器有两种工作方式：直接和半桥方式。直接方式的连线图如图２所示。该方式下，ＭＯＤ输入端接ＶＣＣ，ＲＣ１和ＲＣ２接地，ＰＷＭ信号同时接ＩＮＡ和ＩＮＢ， ＳＯ１和ＳＯ２引出两个状态反馈信号。当驱动器工作在直接方式时，驱动器的驱动通道之间没有联系，两个通道总是同时被驱动。死区时间由控制电路确定。半桥方式的连线图如图３所示。在该方式下，ＭＯＤ输入端接地，ＩＮＡ输入ＰＷＭ信号，ＩＮＢ输入使能信号。由于两个状态输出端ＳＯ１和ＳＯ２接在一起，所以两个驱动通道输出同一故障信号。死区时间由ＲＣ１和ＲＣ２的外接电路来确定。２．２ 逻辑电平的确定及Ｒｔｈ的计算该逻辑电平可由驱动器的ＶＬ／Ｒｅｓｅｔ输入端来确定。ＶＬ／Ｒｅｓｅｔ端的电压值决定了输入ＩｎＡ和ＩｎＢ施密特触发器的触发上限电平为２ＶＬ／３，下限触发电平为ＶＬ／３。由于输入端ＩｎＡ、ＩｎＢ具有施密特触发特性，所以ＳＣＡＬＥ驱动器能处理５～１５Ｖ之间的任何逻辑电平，也就是说：控制电路与ＳＣＡＬＥ驱动器之间可以不附加其它电路。图２和图３分别给出了ＴＴＬ电平和１５Ｖ电平时，ＶＬ／Ｒｅｓｅｔ端的连线图。
电阻Ｒｔｈ的作用是用来定义当功率管导通时的最大管压降，它和其它元件一起构成了Ｖｃｅ监测电路。当功率管导通时的管压降大于由Ｒｔｈ定义的最大管压降时，Ｖｃｅ监测电路便输出故障报警信号，并关断功率管。Ｒｔｈ的计算公式为：Ｒｔｈ＝Ｖｔｈ／１５０μＡ。式中，Ｖｔｈ为关断阈值电压，１５０μＡ为驱动器内置电流源。２．３ 故障状态输出状态输出采用的是集电极开路形式，以便与其它逻辑电平匹配。输出时须接上拉电阻。当电源电压低于１０Ｖ时?ＩＧＤ执行欠压保护功能?输出负门极电压可关断功率管并输出故障报告；当Ｖｃｅ监测电路检测到短路或过电流时，ＩＧＤ执行短路或过流保护功能，此时关断功率管的输出为故障报告信号。ＳＣＡＬＥ器件在检测到电路故障时，其封锁时间为１ｓ左右。驱动器一旦被检测到有故障，输出晶体管将被拉低，而在正常情况下，晶体管输出高电平。 ３ 在中频ＤＢＤ型臭氧发生器中的应用 图４所示是一个中频ＤＢＤ型臭氧发生器电源系统的原理框图。图中，整个电源系统可分为主电路、控制电路和驱动电路，主电路包括整流电路和逆变电路；控制电路主要包括ＰＷＭ控制电路、晶闸管智能模块触发控制电路、保护电路和软启动电路。其中整流电路采用三相全控整流电路，逆变电路则采用全桥结构。驱动电路采用ＳＣＡＬＥ集成驱动器，型号为２ＳＤ３１５Ａ，采用的工作方式为半桥工作方式，接线图如图５所示。图中只给出一块驱动器的接线图，另一块可用相同的方法连接。２ＳＤ３１５Ａ具有两个驱动通道，因而此系统需要两个２ＳＤ３１５Ａ集成驱动器，一个ＳＣＡＬＥ驱动器可驱动同一桥臂的上下两功率管，工作波形如图６所示。ＰＷＭ控制电路采用ＳＧ３５２５集成芯片。ＳＧ３５２５产生的ＰＷＭ波形经ＳＣＡＬＥ驱动器后可输出Ｇ１和Ｇ２门极驱动信号。图中Ｇ１和Ｇ２分别为同一桥臂上下管的门极驱动信号，它们之间有死区时间。另一桥臂上下两管的驱动信号在时序关系上与Ｇ１、Ｇ２相同。全桥逆变器的功率管采用ＩＧＢＴ，在工作时，全桥结构中的斜对管将同时导通或关断。另外，由于ＳＣＡＬＥ集成驱动器能处理５～１５Ｖ之间的任何逻辑电平，故可使驱动电路与控制电路的接口得到简化，同时ＳＧ３５２５芯片与２ＳＤ３１５Ａ间也无需电平转换电路。
４ 结束语 实践证明，在中频ＤＢＤ型臭氧发生器电源中，驱动电路采用ＳＣＡＬＥ集成驱动器后，驱动电路结构变得更为简单、功能更加强大、可靠性更高。与ＩＰＭ相比，ＳＣＡＬＥ驱动器只需极少的外围电路，但能提供更灵活的开关特性，而且还可以灵活的选择Ｖｃｅ检测电路。可以预见：ＳＣＡＬＥ驱动器将以其优良的性能在电力电子装置中得到广泛的应用。