23-SCALE-2芯片组的功能介绍-魏炜-20120602-Rev04

Technicaltraining2012-06-02Rev04SCALE-2芯片组的功能介绍WinsonWei（魏炜）[e-mail]：186-8878-5868©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage1SCALE-2芯片组的特征[全定制专用集成电路(ASIC),高电压数模信号混合,C-MOS技术[CompatibleSCALECoresandSCALE-Plug-and-Playdrivers[延迟时间80ns±4ns抖动量±1ns[延迟时间80ns±4ns,抖动量±1ns[比传统驱动器减少90%的元件[副方芯片内集成了8A的N沟道mosfet输出推动级,外部可以并联N沟道双mosfet将最大输出电流提升至60Amosfet将最大输出电流提升至60A[副方芯片集成了先进的有源钳位(advancedactiveclamping--AAC)[IGBT短路保护门极电压为+15V/715V[门极电压为+15V/-7...-15V[副边的+15V为稳压输出[原方ASIC集成了DC/DC控制器SC中所有的输入及输出管脚都有静电保护(不需要外部元件)[ASIC中所有的输入及输出管脚都有静电保护(不需要外部元件)[副方ASIC有变压器接口及光纤接口两种版本[产品中装备了普通变压器或平板变压器©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage2磁隔离的IGBT驱动器的原理框图(2SC0108T)VDD1VEE1+DC-LinkGHiVcevgxxVddINPTRPAVddINAChannnel1GNDrefGLVeeVssirefINNTRNAINAINBSOAOndelay-HBmodeVDD1VSS1iVceVddDCDC1DCDC2SOASOBtbfVEE1VSS1VDD1VDD2VSS1VSS2VDD2VEE2LoadrefGHGLvgxxirefINPINNTRPBTRNBVssfirefrefVeeVssirefChannnel2GNDVEE2VSS2-DC-Link©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage3SCALE-2原方芯片的照片(LDI)DC/DC电源控制电压基准电源监控及短路保护管理DC/DC电源控制电压基准5V电源电源监控及短路保护管理BlockingTime控制DC/DC电源推挽管1变压器接口的双向信号及逻辑的控制DC/DC电源推挽管2半桥模式控制©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage4B通道的信号变压器接口的推动级A通道的信号变压器接口的推动级SCALE-2原方芯片介绍1.SCALE-2原方芯片集成了DC/DC电源所需要的控制电路以及1对用在推挽逆变电路上的Mosfet，如上图右电路以及1对用在推挽逆变电路上的Mosfet，如上图右侧所示。2.A,B通道的隔离信号变压器的推动级3.其他逻辑电路©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage5副方芯片的原理框图AddPowerSupplyMonitoringVceMonitoringVCEVISOCOTDiAdvancedActiveClampingINACLCOMVISOPredriverTransformerInterfaceGLTurn-onDriverRg(on)Rg(off)GHAUXBootstrapChargePumpGLTurn-offDriverAUXCOMPredriverVeeControlVeeSCALE-2IGD©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage6SCALE-2副方芯片的照片(IGD)推动级关断推动级开通电源监控及短路保护管理客户定制保留区自举电路Bootstrap推动级关断mosfet,8Amosfet,8A电源监控及短路保护管理客户定制保留区BootstrapSupply光纤接口开通驱动变压器接口电荷泵ChargePVee控制电压基准PumpVee控制©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage7关断驱动5V电源有源钳位电路温度及过程补偿配备SCALE-2芯片组的驱动器型号驱动核（di）驱动核（drivercore）:2SC0108T2SC0435T2SC0435T2SC0650P1SC2060P2SD300C17即插即用驱动器（Plug&playdriver）:即插即用驱动器（Plug&playdriver）:2SP0115T(forEconodual3)2SP0320T/V(forPrimepack)(p)1SP0635(for3.3kV,140*130,140*190)1SP0335(for4.5kV,6.5kV,140*190)副边稳压电路的介绍驱动器原方的供电为+15V，经过DC/DC处理后得到+25V，这个电压是开环的，这意味着，如果原方+15V波动，这个+25V也会波动。SCALE-2副边的ASIC将+25V分割成+15V及-10V，其中+15V是被稳压的，这是一个闭环电路，如果Viso与VE之间的电压不是+15V，则内部电流会调整使得输出电压稳定在+15V；而-10V则是开环的，是不稳压的。VE管脚是芯片“造”出来的，内部是靠电流源来控制输出的电压源。Viso是是是+15V，VE是0V，COM是-10V。这种稳压的方法与常见的用稳压二极管或者三端稳压电压电路是完全不同的©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage9同的。副边电源欠压保护原理的介绍在控制电掉电的过程中系统是非在控制电掉电的过程中，系统是非常危险的，驱动器的掉电保护逻辑是极其重要的。在驱动器原方电压下降的过程中，由于DC/DC电源是开环的，所以副边的+25V会跟着下降VE和COM边的+25V会跟着下降，VE和COM之间的-10V会跟随着下降，而Viso与VE间的电压则被稳定在+15V；如果与之间的电继续降至与之间的电有时芯片如果Viso与COM之间的电压继续下降至COM与VE之间的电压只有-5.5V时，芯片会将这个-5.5V稳住，使之不再下降；同时，Viso与VE之间的+15V开始下降，这个电压掉到+12V时，芯片报欠压保护。IGBT被关掉，且门极关断电压被维持在55V-5.5V。在驱动器掉电过程中，IGBT的关断电压要保持在至少-5.5V，这样做的原因是因为大功率的IGBT都有较强的米勒效应，必须要有负压来保证其可靠关断零压关断是不够安全的©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage10断，零压关断是不够安全的。副边电源支撑电容的介绍(1)驱动器电源的副边需要有驱动器DC/DC电源的副边需要有支撑电容，其目的是为了稳定副边的电压，以及为IGBT提供门极电荷电荷。IGBT的门极电荷量的数值是选择支撑电容的最重要的依据。下面将陈述单次开通IGBT时电下面将陈述单次开通IGBT时，电路中发生的变化。在IGBT的门极被开通的过程中，门极电压从负压(-10V或-15V)提升到正压在IGBT的门极被开通的过程中，门极电压从负压(10V或15V)提升到正压(+15V)，驱动器需要向IGBT门极注入数值为Qg的电荷量，如下图示，IGBT的datasheet通常会给出-15V至+15V的Qg。通常的IGBT模块根据容量大小，门极电荷量从几uC到几十uC不等。©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage11副边电源支撑电容的介绍(2)门极电荷的意义：如右图示，C1，C2是副边电源的支撑电容，当T1导通时，C1的电荷通过T1流向IGBT的门极，当门极的电压达到时流进门极极的电压达到+15V时，流进门极的电荷量大约为Qg。这意味着，在单次IGBT开通的过程中，IGBT的门极得到的电荷全部来IGBT的门极得到的电荷，全部来自C1。UCQ∆⋅=∆根据电荷守恒，门极得到的电荷，等于支撑电容贡献出来的电荷。我们知道如下公式：根据这个式子，我们可以知道，支撑电容在向门极提供电荷时，电压会出现一定的下跌。©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage12副边电源支撑电容的介绍(3)如果使用SCALE-2的驱动器，门极电压的摆幅可能是23V(-8~+15V，2SC0108T)，或者是25V(-10~+15V,2SC0435T)，根据具体型号不同有别。这里还存在一个折算，因为IGBT的datasheet定义Qg时使用的门极电压摆幅为30V(-15~+15V)，如果不折算则计算结果裕量更大。当电容C1向门极充电时，C1要电荷意味着的电会有跌落跌落的值贡献电荷量，这意味着C1的电压会有跌落，而跌落的幅值为：1CQgU=∆1C通常在驱动IGBT时，C1的电压会有些波动，是正常的。我们推荐，每1uC的门极电荷对应3uF的电容量。如果在设计时按照这个推荐选电容，则电容电压的跌落值为1uC/3uF033V值为：1uC/3uF=0.33V电容最好是选贴片陶瓷电容，例如：1206/25V/X7R电解电容由于有温度和寿命的问题，可靠性略差。C1和C2的值不宜过大，否则在DC/DC电源启动时，原方的mosfet应力过大。©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage13用三极管构成的推动级电路的介绍(1)右图是最常见的推动电路上管用NPN下管用右图是最常见的推动电路，上管用NPN，下管用PNP，组成推挽放大电路。优点：正逻辑，简单，非常容易用。缺点：1.饱和导通时有0.7V的饱和压降；在做驱动器的推动级时，损耗较大，在开关频率较高时，发热尤其明显；2在峰值驱动电流较大时，三极管的CE电压降变得2.在峰值驱动电流较大时，三极管的CE电压降变得较高，因此为了保证门极电压为15V，电源电压需要设计为17V~18V；3三极管响应速度较慢基极到发射极的反应时间3.三极管响应速度较慢，基极到发射极的反应时间稍长，在做有源钳位电路的反馈端通道时，显得有点慢。©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage14用三极管构成的推动级电路的介绍(2)右图的两个电路，在实际的分立元件的电路中比较少见分立元件的电路中比较少见，但在集成电路中，这种电路也比较常见。在此仅供参考。在的老代产在CONCEPT的老一代产品2SD106AI及2SD315AI中有这种电路双PNP双NPN2SD315AI中有这种电路的应用。©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage15用MOSFEF构成的推动级电路的介绍(1)右图是一种比较常见的用MOSFET构成的推动级电路，上管用P沟道，下管用N沟道，且两个MOSFET的门极连在一起的门极连在一起。这个驱动器是反逻辑的，即输入为1，输出则为0。优点：损耗比三极管小速度快损耗比三极管小，速度快；缺点：1.P沟道的MOSFET导通电阻较大，不容易购买；2.如果使用0V-15V逻辑时，MOSFET的门极会承担超过30V的电压，需要选用比较特殊的MOSFET才行。行©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage16用MOSFEF构成的推动级电路的介绍(2)右图的电路中上下管都使用了N沟道的MOSFET，这种电路的特点：1.是N沟道的导通电阻比较小，容易购买；是沟道的导通电阻较小容易购买；2.N沟道的mosfet比P沟道的mosfet在同等导通电阻的情况下，芯片面积要小，若集成在IC中，成本优势很明显；，成本优势很明显；3.整体损耗比较低，驱动器容易输出较大的峰值电流；这种电路的难点在于：如何驱动上管MOSFET？右侧所示电路正是CONCEPT推出的SCALE-