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一般问题

Power Integrations是否提供数字门极驱动器?

Power Integrations门极驱动器同时采用了数字和模拟技术。每一个Power Integrations驱动器中高度集成的SCALE和SCALE-2芯片组都采用了混合信号架构。我们策略性地利用了数字模块和模拟单元的各自优势,以便发挥最大的性能。

例如,在考虑到所有操作条件、电压波动和器件老化等因素时,数字启动控制要比模拟控制精确很多。此外,通过采用数字过滤器和数字时序管理可以带来大量的芯片面积及相应的成本节省。

如果我们来看看IGBT短路保护,情况就会截然不同。模拟信号处理的固有速度远快于任何低成本的数字仿真,因为后者需要等待接下来的几个时钟周期后才能响应请求。

另一个能有力支持模拟电路的例子是,通过有源钳位、di/dt控制和dv/dt反馈对IGBT的开关特性进行的管理。对这些功能进行数字编程可以自然降低驱动器的生产成本。不过,这种对IGBT模块的粗放式“数字”调适,与为达到最佳开关性能(需要采用这些高成本的功率模块)而进行的过多微调相比要逊色很多。

通常存在这样的问题:您愿意为全数字IGBT驱动器付出多大的性能折中代价和数字开销 – 并且这样做是否有好处。
IGBT或MOSFET功率开关必须始终被看作一个模拟器件才能充分发挥其性能优势。因此,最佳的驱动器将会是数字领域和模拟“现实”的实际接合。
Power Integrations认为,模拟与数字功能的集成组合可以最优的性价比充分发挥两个领域的各自优势。

为什么Power Integrations驱动器不在短路情况下慢慢关断呢

以不同方式命名的驱动器电路(如“两级关断”、“软关断”、“慢速关断”)都在正常操作模式下使用低阻值门极电阻来关断IGBT,以达到降低开关损耗的目的,并在检测到短路或过电流情况时使用高阻值电阻(或较低的门极电流)进行操作。不过,问题在于必须可靠检测到下列情况:Vce监测始终存在延迟现象(在本例中称为响应时间),该延迟必须在检测到故障之前消失。该时间值通常最高达10us。如果短路情况实际存在,并且IGBT以小于响应时间的脉冲获得驱动,则不会检测到故障,电路将非常快地关断。IGBT随后会因为过压而毁坏。此外,极限情况的覆盖范围(过电流/无过电流之间)也会构成问题。

通常,此类电路必须被视为危险电路,因而不能用于Power Integrations产品。

Power Integrations建议应安装具有最小电感值的元件和设定功率元件的最差情况,也即,应选取门极电阻值,以便在每次关断和处于最大中间直流母线电压下时对过流和短路进行安全控制。
对于大功率应用,Power Integrations已经开发出了具备(高级)有源钳位功能的SCALE和SCALE-2即插即用驱动器系列。此类产品代表着比已经介绍的“慢速关断”方法更复杂,但更好和更可靠的解决方案。

驱动器的使用和尺寸设定

功率半导体数据手册中规定的门极电荷可以用来设定驱动器的尺寸吗

驱动器性能通常根据以下公式计算得出:
P = fsw * Qc * dVge
fsw:开关频率
Qc:门极电荷
dVge:门极电压摆幅

门极电荷很大程度上取决于门极电压摆幅。因此,必须检查确认它适用哪种门极电压摆幅。通常,SCALE驱动器的门极电压摆幅为30V(–15V至+15V),SCALE-2驱动器的门极电压摆幅为25V(–10V至+15V)或23V(-8V至+15V)。

如果数据手册中规定的门极电荷适用于不同的门极电压摆幅(如0V...+15V Mitsubishi、-15V/+15V Infineon、-5V/+15V Semikron),实际门极电荷可以通过门极电荷曲线(如果数据手册中提供)来确定,或者可以结合实际门极电流使用数字示波器进行测量。
另请参阅应用指南AN-1001。

CONCEPT驱动器是否为IGBT/MOSFET模块提供短路保护CONCEPT驱动器是否提供Vce/退饱和检测

所有CONCEPT驱动器都包含一个Vce检测器,可用来测量功率元件导通后IGBT或MOSFET上的电压。如果功率元件遭受过大电流(明显高于功率开关额定电流的两倍)或短路问题,集电极-发射极(漏极-源极)电压将会相应升高。这种与电流成函数关系的电压升高会被Vce检测器检测到,从而可以有效保护功率元件。

然而,Vce检测无法对负载提供可靠的短路和过流保护。这是因为仍为IGBT所容许的过流水平可能已接近所连接电机或类似负载的极限值。此外,只有退饱和效应才能导致IGBT集电极-发射极电压大幅升高。如果电流仍低于退饱和阈值,就不会出现真正的短路情况。

通常,应将Vce检测视为对功率元件的保护,在实际应用中,应通过专用的负载电流测量和调整或其他合适的措施来提供有效的负载保护。另请参阅应用指南AN-1101。

CONCEPT驱动器具备防过载功能吗

大多数CONCEPT驱动器不限制输入电流,因此也不限制驱动器模块的输出功率。这意味着,它们不会在输出端永久地对提供短路保护。这种设计的优势是,驱动器可以经历短暂的过载。它们相应的数据手册显示了这种模式的相关限制。

典型的应用实例是高频开关相位与适当停顿交替出现时的突发脉冲操作模式。另一个实例以脉冲功率拓扑为代表,这种拓扑也要求非常高的峰值负载,但平均功耗却明显较低。

这种特殊操作模式的优势早已体现在CONCEPT的产品中,不仅省去了对驱动器的一般硬短路保护,还可以灵活的方式配置输入负载限值。

热管理显示某些驱动器元件的温度超过了85°C例如达到95°C。这种情况是否是允许的?或者驱动器是否存在热过载?

通常,CONCEPT驱动器的设计最大环境温度为+85°C(请参见相应的数据手册)。驱动器元件会在吸收能量后使自身温度升至环境温度以上。因此,当某些元件的温度超过环境温度时,这是相对正常的事情。此时,驱动器未必会出现过载。

是否允许短暂高频突发脉冲超过即插即用驱动器数据手册中规定的最大开关频率

门极驱动核和即插即用驱动器的最大连续或平均开关频率首先是由元件平均负载所导致的元件温度来决定。鉴于元件存在瞬态热阻抗,短暂出现较高的开关频率是允许的。
由于热时间常数较大,可以假设在不到1毫秒的突发脉冲持续时间内和最高0.1的占空比内重复利用平均功率损耗,也即突发脉冲约为平均开关频率的10倍是允许的。
如果这意味着超过了数据手册中规定的绝对最大额定值,请与CONCEPT支持团队联系以获得进一步说明。

电路拓扑

CONCEPT驱动器是否能用于IGBT直接串联应用?

一般而言,支持多电平应用的CONCEPT驱动器可以用于IGBT串联电路。但是应注意以下几点:即使能够同步驱动串联的IGBT,但由于IGBT本身存在参数差异,对称的分压和限压只能通过其他措施(如dv/dt限制、有源钳位或缓冲电路)来实现。另一个问题是,驱动器电源必须具备较高的绝缘强度。

CONCEPT驱动器可以用于多电平变换器吗?

通常,当前的CONCEPT即插即用驱动器支持多电平拓扑;请参见相关的驱动器文档。
在多电平模式下,驱动器可以确认所发生的任何故障,但不会自动关断。各个IGBT的最优关断时序由用户的控制电路来确定。

CONCEPT驱动器可以在短路情况下对多电平变换器提供安全保护吗?

在多电平变换器中,必须使功率器件维持特定的开关顺序。例如,对于三电平拓扑,在短路情况下,必须先关外管再关内管。否则,内管可能因严重过压而受损/毁坏。对正确开关时序的控制由微控制器来完成。为实现此控制时序,不允许驱动器在检测到短路后自行关断功率开关。驱动器只能“通知”微控制器。CONCEPT的驱动器可以满足这一要求。CONCEPT驱动器有一种称为“高级有源钳位”的功能,它允许驱动器能够在检测到短路后直接关断功率器件。

我在矩阵变换器(准谐振变换器)中使用了CONCEPT驱动核。为什么退饱和检测电路(短路保护)会在非短路情况下有规律地触发呢?

由于在此种变换器拓扑中,已经导通的功率半导体最初没有电流流过,随后会流过较高di/dt的电流,因此在这些半导体中存在短时的动态正向过压。如果该过压超过了驱动器的退饱和阈值,则退饱和检测器就可能会触发。

这个问题可以通过调节电阻Rth来提高该阈值加以解决。应检查并确保响应时间不会超过所使用的功率半导体允许的最大短路持续时间。 而且,还建议在这些应用中,使用一个电阻串来取代Vce检测电路中的高压二极管,以避免误动作。 另请参阅应用指南AN-1101。

连接门极驱动器

对于电气接口的即插即用驱动器建议使用哪种电缆

CONCEPT建议使用双绞线带状电缆(例如3M™的1700/20或2100/20电缆)将门极驱动器连接至控制器级。

CONCEPT门极驱动器的输入和输出信号是否有要求

根据具体的应用条件,建议在门极驱动器的输入(INA、INB输入)和/或输出(SO1、SO2输出)环路中添加特定的元件 - 特别是必须在驱动器和控制器级之间进行长距离桥接时。有关详细信息,请参阅应用指南AN-1101。

建议CONCEPT驱动器采用多大的PWM信号电压电平

CONCEPT驱动器适合采用3.3V至15V逻辑电平的PWM信号进行操作。根据具体的应用条件,建议采用不同的电压电平。例如,如果门极驱动器和控制器位于同一个PCB,而且只相隔数厘米,那么3.3V或5V逻辑电平是可行的。在具有高噪声水平和/或使用电缆连接驱动器和控制器级的应用中,建议采用15V逻辑电平。
如果为CONCEPT驱动核选取的电压电平高于5V,则应当在尽可能接近驱动器输入端的位置放置一个分压器。
另请参阅应用指南AN-1101。