性能优良的混合双路驱动器集成电路

性能优良的混合双路驱动器集成电路  

摘要：介绍了德国西门康公司生产的专用新型SKHI21/SKHI22混合双路IGBT及MOSFET驱动器集成电路，并列举了其主要设计特点、主要参数和典型应用电路。

关键词：集成电路；驱动器；参数选择

1    引言

    SKHI21/SKHI22混合双路IGBT、MOSFET驱动器是德国西门康（SEMIKRON）公司生产的专用新型IGBT和MOSFET混合驱动器。它有2路驱动电路，可以直接驱动IGBT半桥模块，典型工作频率为17kHz。输入为CMOS兼容器，内部有VCE监控和自动关断电路，可提供有效的短路保护。采用变压器隔离技术，驱动多路信号只需一路电源，是UPS、电焊机及逆变器中理想的IGBT和MOSFET驱动用集成电路。在驱动半桥模块时，驱动器自动双路互锁，防止发生直通，并向用户提供“错误（Error）”锁存信号。SKHI21和SKHI22的内部电路结构基本相同，两者的区别在于电路应用对象不同，SKHI21用于驱动西门康公司自己生产的IGBT，而SKHI22可用于驱动各种IGBT模块，但这两者都只能驱动200A以下的IGBT模块。

2    各引脚的排列、名称、功能和用法

    SKHI21/SKHI22采用模块式封装，它的封装形式如图1所示，对外引出16个引脚。

图1    SKHI21/SKHI22的引脚排列（引脚向上）

2.1    输入引脚

    引脚P₇（GND），P₁₄（GND）    控制脉冲输入部分参考地端。使用中与用户脉冲形成部分的地相连。

    引脚P₈（VIN2），P₁₂（VIN1）    两路互补驱动脉冲输入端。使用中接用户脉冲形成电路的输出，两路输入脉冲间应有一定的互锁时间，以防止同桥臂的IGBT或MOSFET直通。

    引脚P₉（R_TD2）、引脚P₁₁（R_TD1）    封锁延迟时间设置电阻的连接端1和2。使用中分别通过一个电阻接工作电源端（引脚P₁₃），设置输出两路驱动信号的封锁延迟时间，以防止在驱动同桥臂上、下两个IGBT或MOSFET时发生直通。

    引脚P₁₃（V_S）    输入级电源端。接用户驱动脉冲形成级电源端。

    引脚P₁₀（ERROR）脉冲封锁信号输入端。低电平有效，该端低电平可封锁输出驱动脉冲，使用中接用户保护电路的输出。

图2    SKHI21/SKHI22的内部结构及工作原理框图

2.2    输出引脚

    引脚S₁（V_CE2）和引脚S₂₀（V_CE1）    被驱动IGBT集-射极间压降或被驱动MOSFET漏?源极间压降监视电压输入端。使用中分别接被驱动半桥IGBT的集电极或MOSFET漏极。由于SKHI21/22内部已有高压快恢复二极管，所以使用中不需再串高压快恢复二极管。

    引脚S₆（C_CE2）和引脚S15（C_CE1）    2个被驱动功率开关器件欠饱和保护门槛设置端。使用中分别通过一个电阻与电容的并联网络接被驱动IGBT的发射极或功率MOSFET的源极。

    引脚S₉（E₂）和引脚S₁₂（E₁）    输出驱动信号参考地端。使用中分别接被驱动的2个IGBT的发射极或功率MOSFET的源极。

    引脚S₇（G_ON2）和引脚S₁₄（G_ON1）    2驱动脉冲信号输出端。使用中分别通过一个适当的电阻接被驱动的IGBT或功率MOSFET的栅极。

    引脚S₈（G_OFF2）和引脚S₁₃（G_OFF1）    被驱动功率开关器件关断速度设置端。使用中，分别通过一个电阻接被驱动的IGBT或MOSFET的栅极。

2.3    空引脚

    输入引脚中的P₁，P₂，P₃，P₄，P₅，P₆与输出引脚中的S₂，S₃，S₄，S₅及S₁₆，S₁₇，S₁₈，S₁₉均为空脚，使用中悬空。

3    内部结构和工作原理

    SKHI21/SKHI22的内部结构和工作原理框图如图2所示。它们的内部集成有2个施密特触发器、2个与门、2个隔离环节、2个电平匹配器、2个功率驱动级、2个过电流检测比较器、1个输入电源电压监视及1个误差监视网络，共有8个单元电路。

    1）脉冲隔离驱动功能    作为驱动器，隔离驱动是它的基本功能。当信号经V_IN1、V_IN2进入驱动器后，先经过输入施密特触发器对脉冲进行整形，此触发器有较大的阈值电压回差（V_IN＋=12.9V，V_IN－=2.1V），因此具有较强的抗干扰能力。整形后的脉冲经一与门后进入隔离变压器一次侧，在其二次侧得到与输入脉冲同相的驱动信号，具体传输特性如图3所示。由于采用了隔离变压器技术，整个驱动器用一路电源即可将两路脉冲信号进行隔离驱动。同样，多路信号也可以只用一路电源，选用多个SKHI21/SKHI22驱动器即可完成隔离驱动功能。

    整个驱动器采用了模块封装形式，可以同时驱动两路信号。只用一路时，如使用输出1，将输出2的V_CE2（S₁）端和E₂（S₉）端短接。

    2）内锁电路    内部具有双IGBT互锁电路，以防止两路信号同时为开态，1路IGBT的关信号与另1路IGBT的开信号互锁的典型时间t_TD=2.7μs，可避免IGBT半桥直通，如图3所示。

图3    脉 冲 传 输 特 性

    3）窄脉冲抑制    如果开关脉冲过窄，脉冲变压器不能被充分励磁，且其输出端的耦合电容也不能被充分充电，这样，驱动器输出端触发器将保持原状态。窄脉冲抑制功能可以确保仅传送有效触发脉冲。

    4）错误监控与存储     SKHI21/SKHI22的电路监控器主要有V_S监控和V_CE监控。当V_S低于某一门限值或V_CE高于某一门限值时，则SKHI21/SKHI22封锁输出驱动脉冲，防止被驱动功率开关器件损坏。

    （1）电源监控    驱动器电源电压V_S最小值为13V，如果低于该值，即产生错误信号，从而封锁驱动脉冲，电源达到其正常值（15V）且延时4μs以后，才允许输出脉冲。

    （2）V_CE监控    V_CE监控主要用于监视IGBT开态时集电极和发射极间的电压V_CE，V_CE的门限为10V。如果IGBT的C、E间电压超出参考电压V_CEREF，输出信号会立即为零，V_CEREF是可变的。IGBT开启的瞬间高电压是允许的。V_CEREF则用外接电阻R_CE（连接在引脚C_CE和E之间）设置，但不能超过10V。并联在R_CE两端的电容C_CE可用来增加V_CEREF的延迟时间常数，此时间即为控制IGBT开通到V_CE监控激活的最小时间。当IGBT的C、E间电压超过V_CEREF的t_min时间后，V_CE监控才起作用。

    （3）Error存储错误存储单元可对错误监控电路提供的信号进行存储，一旦有“错误存储”将同时阻止对两个IGBT的开脉冲，当错误监控电路无脉冲输出且双路输出均为零时，错误存储才能被清除。错误存储信号送至“ERROR”端子，并可连接至控制电路。

4    典型应用

    SKHI21/SKHI22的上述优良性能和特点，决定了它的单块可以用于单相半桥IGBT或MOSFET逆变器中，多块可用于单相全桥或三相全桥逆变器中。

    SKHI21/SKHI22用于单相半桥逆变器中，典型应用电路如图4所示。信号经过驱动模块功率放大后，分别送到2个IGBT的C、E端。

图 4    典 型 应 用 电 路 图

    主要参数选择如下。

    1）RTD的选择    在一些特定电路中，需要更长的内部互锁时间，可通过在脚R_TD外接电阻来实现。由两个外接电阻R_TD设置信号延迟时间，电阻接在引脚R_TD和V_S之间，其典型时间t_TD=2.7＋0.13R_TD，R_TD<100kΩ。式中，R_TD单位为kΩ。

    2）RCE、CCE的选择

    V_CEstat的选择如图5所示。

图 5  V_CEstat与R_CE的 关 系 曲 线

    计算R_CE（R_CE>10kΩ）的公式为

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

式中：V_CEstat的单位为V。

      t_min(t_min<10μs)的选择

    根据公式计算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)]

    典型参数：R_TD=0，R_CE=24kΩ，C_CE=330pF，V_CEstat=5.6V，t_min=1.75μs。

    3）R_ON、R_OFF的选择    外接电阻RON用于设置IGBT开启速度，R_ON越大，开启速度越低，且续流二极管反向恢复峰值电流减小；外接电阻R_OFF用于设置IGBT关断速度，R_OFF越大，关断越慢，且寄生电感两端电压也下降。典型值：R_ONmin=3.3Ω，R_OFFmin=3.3Ω。

    4）IGBT模块过温保护电路的连接模块温度监控可由ERROR端与GND端连接双金属热保护器来实现。超过标定温度时，保护器触点打开，使ERROR端有错误信号输出。

5    结语

    实践证明，SKHI21/SKHI22确实是一款性能优良的混合双路IGBT或MOSFET驱动器集成电路。