1ED020112-FA在驱动中大功率IGBT中的应用

第２９卷第５期　企业技术开发　２０１０年３月　Ｖｏ１．２９　Ｎ０．５　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＣＡＬ　ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ　ＯＦ　ＥＮＴＥＲＰＲＩＳＥ　Ｍａｒ．２０１０　１ＥＤ０２０１１２－ＦＡ在驱动中大功率ＩＧＢＴ中的应用　施贤能，吴庚泽，朱元　（同济大学，上海２０００９２）　摘要：文章介绍了基于无芯变压器隔离技术的ＩＧＢＴ驱动芯１ＥＤ０２０Ｉ１２一ＦＡ的主要功能及技术参数，设计分析了该　款芯片在中大功率ＩＧＢＴ驱动中的典型应用电路，并详尽阐述了该芯片出色的保护功能。　关键词：１ＥＤ０２０Ｉ１２一ＦＡ；无芯变压器；退饱和检测；短路箝位　中图分类号：ＴＭ３５９．９　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—８９３７（２０１０）０５—０ＯＯ４—０３　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　１ＥＤ０２０１１２－ＦＡ　ｉｎ　ｍｅｄｉｕｍ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ＩＧＢＴｓ　ＳＨＩ　Ｘｉａｎ—ｎｅｎｇ。ＷＵ　Ｇｅｎｇ－ｚｅ。ＺＨＵ　Ｙｕａｎ　（Ｔｏｎｇｊｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００９２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｓｐｅｃｉｉｆｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ＩＧＢＴ　ｄｒｉｖｅｒ　ＩＣ　１　ＥＤ０２０Ｉ　１　２一ＦＡ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｃｏｒｅｌｅｓｓ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｉｔ　ａｌｓｏ　ｓｈｏｗｓ　ｈｏｗ　ｄｏｅｓ　ｔｈｉｓ　ｄｒｉｖｅｒ　ＩＣ　ｗｏｒｋ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｗｈｅｎ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｍｅｄｉｕｍ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ＩＧＢＴｓ．Ｔｈｅ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　１ＥＤ０２０Ｉ１２－ＦＡ　ａｒｅ　ａｌｓｏ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：１　ＥＤ０２０Ｉ　１　２一ＦＡ；ｅｏｒｅｌｅｓｓ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ：ｄｅｓａｔｕｒａｔｉｏｎ　ｄｅｃｔｅｃｔｉｏｎ：ｓｈｏｒｔ　ｃｌａｍｐｉｎｇ　ＩＧＢＴ作为一种常用的功率器件，被』　泛应用在电力　在老化问题，可靠性高，便于系统集成。１ＥＤ０２０１１２一ＦＡ芯　电子装置中。随着ＩＧＢＴ功率的不断提高，与其对应的驱　片的结构框图如图ｌ所示。　动芯片也取得了较大的发展。在大功率应用中，强弱电的　从图１中可以看出．１ＥＤ０２０Ｉ１２－ＦＡ通过无磁芯变压　隔离、故障检测及保护等功能都是ＩＧＢＴ驱动设计时必　器将芯片分成两部分。…部分是弱电控制及逻辑．一部分　须要考虑的问题。针对以上考虑，Ｉｎｆｉｎｅｏｎ公司推出了单　是强电驱动及保护。弱电控制及逻辑部分通过引脚ＶＣＣ１　片式ＩＧＢＴ隔离驱动芯片ｌＥＤ０２０１１２一ＦＡ。该芯片采用了　由单片机５Ｖ电源供电；引脚ＩＮ＋、ＩＮ一为ＣＭＯＳ电平输　特有的无芯变压器隔离技术．能够驱动耐压６００Ｖ／１　２００Ｖ　入，可直接接入单片机输出的ＰＷＭ控制信号。／ＦＩＪｒｒ，ＲＤＹ　的ＩＧＢＴ或ＩＧＢＴ模块，片上集成了如欠压锁定、米勒主　是芯片故障状态输出．当ＩＧＢＴ集电极发生退饱和时．／ＦＬＴ　动箝位以及过流保护等功能，使得外围保护电路设计得　输出低电平；根据芯片内部故障逻辑，当芯片非正常工作　以简化，同时提高了驱动电路的可靠性。该驱动芯片可用　时，ＲＤＹ输山低电平。／ＲＳＴ有两种功用：其一是ＩＮ＋、ＩＮ一　于大功率交流或无刷直流电机的驱动、ＤＣ／ＤＣ变换器、不　的使能控制，当／ＲＳＴ为低时，单片机输入ＩＮ＋，ＩＮ一的控制　问断电源系统（ＵＰＳ）中，同时该款芯片也是一款汽车级　信号无效；其　为复位芯片的故障信号。　的芯片．适于电动汽车以及混合动力汽车驱动应用。　强电驱动及保护部分的供电通过引脚ＶＣＣ２提供．　１芯片性能分析　ＯＵＴ引脚可直接接ＩＧＢＴ的栅极，能够提供２Ａ的栅极驱　动电流以及轨对轨的电压输出。ＤＥＳＡＴ引脚主要是用于　无芯变压器隔离技术是该芯片的一大特色。以往常　ＩＧＢＴ发生短路时的退饱和检测；而ＣＬＡＭＰ引脚配合简单　用的驱动隔离方法有电平转换、光电耦合器隔离、脉冲变　外围电路可提供米勒箝位保护和过流箝位保护。　压器隔离等。而电平转化法隔离能力较差，光电耦合隔离　方法响应速度较慢，脉冲变压器隔离则无法解决价格和　２典型应用电路与保护功能　尺寸等问题。无磁芯变压器隔离技术的提出突破了以上几　２．１典型应用电路介绍　种方法的局限性。其实质上是将变压器微小化并集成到　邕＝　１ＥＤ０２０１１２一ＦＡ驱动单个ＩＧＢＴ的典型应用电路如图　片中，由于在芯片内部变压器的两个微线圈可以放的很紧　２所示。在常用的小功率应用中，可以为驱动芯片设计简　密，这样就省去了磁芯．而且在两个线圈问采用氧化硅作　单的自举悬浮驱动电源．但是对于中大功率应用场合，为　为隔离材料．使得芯片的隔离能力及信号传输能力有了很　了保证ＩＧＢＴ器件可靠关断，减小关断时间，栅极需要采　大提高　１ＥＤ０２０１１２一ＦＡ信号最小延时仅为３０ａｓ，隔离性　用负电压关断。在本例中，ＶＣＣ２引入＋１５Ｖ电源作为栅极　能通过ＤＩＮ　ＥＮ　６０７４７—５—２和ＵＬ１５７７认证，同时它不存　的正向偏置电压：ＶＥＥ２引入一８Ｖ电源作为栅极关断电　收稿日期：２０１０一Ｏｌ一０２　压　１ＥＤ０２０Ｉ１２一ＦＡ本身能够提供最大２．４Ａ的栅极驱动　作者简介：施贤能（１９８５一），男，浙江慈溪人，硕士研究生，研究方　向：控制理论与控制工程。　电流，为了近一步提高驱动能力，通过三极管Ｑ１，Ｑ２构建　第２９卷第５期　施贤能，等：１ＥＤ０２０Ｉ１２一ＦＡ在驱动中大功率ＩＧＢＴ中的应用　５　一　壮　麟　脚　嘲　一　一　强　啮　一　嘲　愆　鲫　一　憾　吼　了推挽驱动电路，三极管可以由式（１）计算出的栅极驱动　当芯片ＶＣＣ１端的供电低于ＶｕｖＬｎｌ或者ＶＣＣ２端的供　峰值电流来选型。ＤＥＳＡＴ引脚与Ｃ　、Ｒ　、Ｄ。用于实现芯　电低于Ｖ　时，芯片内部将自动产生ＩＧＢＴ的关断信号　片的退饱和检测功能；ＣＬＡＭＰ引脚与Ｒ　、Ｄ　则用于实现　来关闭ＩＧＢＴ，此时驱动输出不受ＩＮ＋、ＩＮ一的输入状态影　短路箝位功能。　响。欠压锁定保护功能可防止高边或低边用低电压驱动　Ｉ　ＡＵＲｇ　ｅ　ＩＧＢＴ，进而防止功率半导体运行在高耗散工作模式。　２－２．１．２准备状态输出　２．２保护功能　准备状态输出功能通过ＲＤＹ引脚反映了驱动芯片是　作为一款出色的驱动芯片，１ＥＤ０２０１１２一ＦＡ不但提供　否处于正常工作状态。只有在芯片未处于欠压状态且芯片　了基于无芯变压器的隔离功能，而且提供了全面的保护功　内部信号传送无错时，ＲＤＹ才为高电平。所以在给定　能。其保护功能分为芯片内部自身的保护功能以及通过外　ＰＷＭ信号前有必要通过ＲＤＹ来判断芯片是否处于正常　部电路构建的外部保护功能。　的工作状态。　２．２．１　内部保护功能　２．２．１－３主动关闭　２．２．１．１欠压锁定保护　主动关闭功能用于当ＶＣＣ２未供电或者供电异常时．　６　企业技术开发　２０１０年３月　芯片主动产生ＩＧＢＴ的关断信号，确保ＩＧＢＴ可靠关断　２．２．２外部保护功能　２－２．２．１短路保护　短路故障对于ＩＧＢＴ器件来说是致命的。短路发生时　强大的电流流过ＩＧＢＴ，若不及时采取保护，将会直接导致　器件损毁，因此对于驱动电路就必须要求短路保护功能　１ＥＤ０２０１１２－ＦＡ的短路保护包括两部分：一部分是对ＩＧＢＴ　集电极端进行退饱和检测以判断是否有短路故障：另一部　分是在关断ＩＧＢＴ过程中对栅极进行短路箝位。　主动米勒箝位同样是由ＣＬＡＭＰ引脚实现的．但是工　作原理与短路箝位不同。主动米勒箝位防止ＩＧＢＴ器件的　误触发，通常用在栅极不采用负电压的应用中。原理是在　ＩＧＢＴ关断过程中，ＣＬＡＭＰ检测门极电压，当门极电压低　于箝位门限２Ｖ时，主动米勒箝位功能使能，此时由集电　极高ｄｖ／ｄｔ产生的米勒电流会通过驱动芯片内部通路流　走，而不会流过　啪　造成ＩＧＢＴ误导通，确保ＩＧＢＴ可靠　关断　短路故障识别，主要是通过检测ＩＧＢＴ集电极端的饱　３实验　和电压来实现的。ＩＧＢＴ正常工作时，集电极饱和压降很　低；但当短路故障产生时，Ｕ　会明显增至高于正常导通时　的饱和压降水平，一般为７Ｖ以上，产生退饱和现象。短路　故障的检测及保护原理如图３　１Ｅ［３０２０１１２－卜Ａ　图３芯片退饱和检测及短路箝位逻辑示意图　电路中，芯片ＤＥＳＡＴ引脚与Ｃ　、Ｒｌ和Ｄ。构成了退饱　和检测电路。ＤＥＳＡＴ引脚端电压变化可用式（２）表示。在　退饱和检测时，当Ｕ　。高于门限值９Ｖ时，即表明ＩＧＢＴ　出现了短路或者过流，此时芯片　ＬＴ输出故障信号同时ＯＵＴ　输出低电平来及时关闭ＩＧＢＴ。电路中Ｄ　为快恢复二极　管，反向耐压要高于ＩＧＢＴ耐压，用以阻断ＩＧＢＴ关断瞬问　集电极端的高压。Ｒ。为限流电阻，在Ｄ。导通时对ＤＥＳＡＴ　引脚起保护作用。还需要注意的是，因为ＩＧＢＴ导通时　ＶＣＥ电压下降有一定的延迟．通常退饱和检测要设定一　定的保护盲区，以防止退饱和误判断。（见图３）这个保护　盲区时间的设定就是通过Ｃ　实现的，见式（３）。一般Ｔ　为２￣４ｕＳ，本例中Ｉｃ｝　２５０　Ａ，Ｃｓ￣＝１０ＯｐＦ，则ＴＢ　为３．６ｕＳ。　Ｕｄｅ　＝２５Ｏ　Ａ＋ＲＩ＋ＵＤＩ＋Ｕ　（２）　ＴＢｌ　＝　些　（３）　ｌｃｎ￣　由于短路发生时，Ｕ　上升所形成的高ｄｖ／ｄｔ会从集电　极和栅极之间的米勒电容耦合到栅极，从而提高Ｕ　，加剧　短路过程。为抑制短路过程中Ｕ　的过冲现象，１ＥＤ０２０１１２一　ＦＡ通过ＣＬＡＭＰ引脚来实现对门极驱动电压的箝位。其　箝位电压Ｕ￣，ｏ＝ＶＣＣ２＋Ｉ．３　Ｖ（ＶＣＣ２为１５　Ｖ），即短路时栅　极电压不会超过１６－３Ｖ。　２．２．２．２主动米勒箝位　Ｉｎｆｉｎｅｏｎ公司提供的Ｈｙｂｒｉｄｋｉｔ开发套件中，驱动板所　用的驱动芯片就是１ＥＤ０２０Ｉ１２一ＦＡ，所做实验基于此开发　套件完成。１ＥＤ０２０Ｉ１２－ＦＡ的输入端为１０　ｋＨｚ幅值为０￣５　Ｖ　的ＰＷＭ信号，波形如图４所示；输出信号为幅值一８～１５Ｖ　的ＰＷＭ信号，波形如图５所示。　４结论　采用了无芯变压器隔离技术的１ＥＤ０２０Ｉ１２一ＦＡ．隔离特　性出色．同时芯片集成了中大功率ＩＧＢＴ驱动时会遇到的　各种保护功能，不但可靠性更高，也使得驱动电路大为简　化．在ＩＧＢＴ驱动领域一定会有更广泛的应用。同时作为　一款汽车级芯片．该芯片也为电动汽车、混合动力汽车的　驱动，提供了可行的解决方案。　参考文献：　【１】闰晓金，宁武．基于无磁芯变压器的ＩＧＢＴ／ＭＯＳＦＥＴ隔离驱　动技术【Ｊ】．电气技术，２００７，（９）：２５－２７．　［２】闫晓金，宁武，陈永真．基于无磁心变压器的ＩＧＢＴ／ＭＯＳＦＥＴ　驱动器２ＥＤ０２０１１２一Ｆ的应用【ＪＪ．电气时代，２００７，（９）：１２６－　１２８．