自举式2ED020I12-F芯片在IGBT驱动电路中的应用

自举式2ED020I12-F芯片在IGBT驱动电路中的应用驱动/自举/2ED020I12-F/IGBT1引言随着电力电子技术的发展，各种开关器件如powerMOSFET、IGBT（绝缘栅双极晶体管）等功率开关器件得到越来越广泛的应用，同时各种开关器件的驱动芯片也同样得到了高度的重视。目前大多数的驱动集成电路采用直接驱动或隔离驱动的方式。隔离驱动的集成驱动芯片，如EXB841系列、TLP250等，这种芯片的特点是只能驱动单个功率管，且每路驱动都要一组独立的电源，增加了电源电路和驱动电路设计的复杂性。德国英飞凌公司生产的2ED020I12-F驱动芯片是一种双通道高压、高速电压型功率开关器件栅极驱动器，具有自举浮动电源，驱动电路简单，单片2ED020I12-F驱动芯片可同时驱动逆变电路上下桥臂，三相桥式逆变电路仅用一组电源即可。使用2ED020I12-F驱动芯片可以减小装置体积，降低成本，提高系统的可靠性。22ED020I12-F驱动芯片的内部结构和特点2ED020I12-F芯片内部结构如图1所示，其中包括：逻辑逻入、电平转换、欠电压保护、无核心变压器（CLT），一个通用运算放大器和一个通用比较器。芯片采用上下桥臂分别独立供电，当VSH和VSL两端电压均在13V~18V之间时，驱动芯片正常工作，当两端电压低于11V时，芯片内部启动欠电压保护；逻辑输入端采用施密特触发电路，提高抗干扰能力，输入逻辑电路与3.3V和5V的TTL电平兼容；当/SD引脚为低电平时，InH和InL封锁脉冲，模块关闭信号输入；当InH和InL同时为高电平时，模块自动检测到逻辑错误，关闭驱动芯片输出。通用的运算放大器和比较器可以用于逆变桥下桥臂IGBT的电流检测。为了保证信号传输时上下桥臂各通道相对独立，在芯片内部上桥臂端引入一个微小无核心变压器（CLT）作为上桥臂和下桥臂之间的电气屏蔽层。信号在无核心变压器（CLT）一侧通过专门的编码发射器发送，在另一侧以相应的接收器恢复。通过这种方式，由GNDH（dVGNDH/dt或磁通量（dΦ/dT）的变化而产生的EMI可以得到很好抑制。为了补偿发射器传输、无核心变压器和接收器所产生的传输延迟，在下桥臂引入了一个专用的传播延迟（Delay）。这种无核心变压器的隔离方式不仅集中了光耦隔离和集成电平位移等方法的优点，而且避免了缺点。提供了可靠的电气隔离并且保证了输入输出信号的传输。图12ED020I12-F内部结构图2带外部保护的驱动电路32ED020I12-F驱动芯片典型电路工作原理2ED020I12-F驱动芯片的最大开关频率可以稳定的达到60kHz，所以它既可以驱动IGBT，又可以驱动场效应管MOSFET。所以2ED020I12-F驱动芯片的应用领域非常广泛，可以用于各种中小功率逆变电源，中小功率变频器以及电机马达的驱动电路中。3.1自举电路的设计自举电路也叫升压电路，通常由二极管和电容组成，利用自举升压电容存储电压，自举升压二极管防止电流倒灌，使电容放电电压和电源电压叠加，从而使电压升高。自举二极管主要用于阻断直流干线上的高压，二极管承受的电流是栅极电荷与开关频率之积。为了减少电荷损失，应选用反向漏电流小的快恢复二极管（高频二极管），例如IN4148、FR107等。自举电容的选择比较关键，下桥臂导通时给电容充电，当上桥臂导通时电容依靠自身存储的能量维持上桥臂栅极为高电平。如果电容选取的过大，可能使下桥臂关断时电容两端还没有达到要求的电压；而电容选择较小则会导致电容存储的能量不够维IGBT持栅源电压在上桥臂导通时间内为定值。有可能的话最好选择非电解电容，且电容应尽可能的靠近芯片。有公式（1）计算所得的自举电容的值具有足够的稳定性。（1）式中：QG—门级电荷；IQ—驱动器静态电流；IL—电解电容的漏电流；fs—开关频率；VDD—电源电压；VF—自举二极管正向导通电压；VCE—IGBT下桥臂集射级电压差。一般情况下为保证自举电容将栅源电压持续一段时间，选电容容值为其最小值的10倍左右。低端驱动器能够耦合中等功率变换器的接地波动。但是，这里要求电路板上驱动芯片的GND引脚和GNDL引脚必须以尽可能短的线连接，可以减小由于接点波动引起的压降。3.2电流检测电路在变频调速系统中，电流检测电路常用来在电动机系统短路或者过电流是进行保护，可见在一个变频调速系统中电流检测是尤为重要的。2ED020I12-F驱动芯片本身具有一个通用运算放大器和一个通用电压比较器，可以很容易得到一个过电流检测的电路。首先通过采样电阻Rsh将电流信号转换成电压信号，通过R3、C7组成的RC滤波电路将电流检测信号Vin送入运算放大器的正向输入端(OP+)，运放输出：VOP=（1+R6/R5）Vin（2）这里要求运放的放大倍数至少为10，运放才能取得比较好的放大效果。一般取R6=10R5。电流检测信号经运放放大后输入通用比较器的正向输入端，通用比较器的负向输入端外接一个参考电压，当比较器的正向输入电压小于负向输入电压时，比较器输出为低电平，比较器输出与芯片的/SD引脚相连，/SD为低电平有效，此时为非过流状态，2ED020I12-F正常工作；当比较器的正向输入电压大于负向输入电压时，比较器输出为高电平，/SD无效，2ED020I12-F芯片启动内部保护功能，封锁输出脉冲，OUTH和OUTL端口均无驱动信号输出，上下桥臂IGBT均关断，变频调速系统停机不工作，从而起到保护的效果。3.3负压电路在大功率IGBT的驱动场合，驱动芯片各路电源相互独立，集成驱动芯片一般都有产生负压的功能，即在IGBT关断时在IGBT的栅极加负电压，一般为-5V或-8V。作用是为了增强IGBT关断的可靠性，防止由于密勒效应而造成的IGBT误导通。2ED020I12-F驱动芯片本身并不具备产生负压的功能，但是可以通过几个简单的无源器件构成一个产生负压的电路。如图2所示，在上下桥臂的驱动电路中加上一个由电容和5V稳压管并联组成的负压电路。工作原理为，电源电压为18V，电源通过电阻R7给电容C6充电，电容C6两端电压为+5V。当InL输入为高电平时，OUTL输出为高电压18V，这时加在下桥臂Q2栅极上的电压为18V-5V=13V，IGBT正常道通。当InL输入为低电平时，OUTL输出为0V，此时栅极上的电压为－5V，实现了关断时产生负压。同理对于上桥臂，当InH为高电平时，OUTH输出为18V，加在Q1栅极上的电压为13V；当InH为低电平时，OUTH输出为0V，Q1栅极电压为-5V。由于IGBT为电压型驱动器件，所以电容C5、C6上的电压波动较小，基本维持在5V不变，自举电容上的电压也维持在18V，只有在下桥臂Q2导通的瞬间有一个很短暂的充电过程，电容C5的冲充电过程也在此时完成。这里电容C5、C6一般要大于IGBT栅极的栅极输入的寄生电容。此负压电路与一般带负压的驱动芯片产生负压的原理相同，直流母线上会叠加5V的直流电压。3.4其它抗干扰措施在InH、InL、/SD引脚信号输入端分别各接一个680pF的旁路电容，电容里驱动芯片要尽量近，这样可以有效的去处输入信号中的干扰。通过合理布线、降低器件安装高度等减小寄生参数，采用增加自举电容、给自举二极管串接一个电阻等方式改善局部退耦，可以减小GNDH脚瞬间负偏压。图32ED020I12-F驱动芯片输出PWM信号图4带负载时变频电源输出波形图4应用示例在小功率逆变电源的设计中，用2ED020I12-F驱动芯片组成逆变桥IGBT的驱动电路。当逆变电源开始工作时，如图3所示为驱动芯片输出的PWM信号，图4为变频电源输出波形（为测量方便，这里取变频电源输出电压实际值的1/4）。实验结果表明，当输入电压幅值在330V~480V变化时，负载由0~8A变化的各种情况下，输出电压为Vo=220V，误差保持在5%内。由以上波形可以看出，在带负载的情况下，变频电源交流输出波形稳定，说明由2ED020I12-F驱动芯片组成的驱动电路工作正常。5结束语集成功率驱动芯片2ED020I12-F具有优良的驱动性能，扩展性好，可同时驱动同一桥臂的上下两个开关器件，极大的简化了IGBT等开关器件的驱动电路的设计，提高系统的可靠性。李玉锋王钦若更多请访问：中国自动化网()