POWER-SEM ELECTRONIC

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1 一, 极限参数 (Ta=2 ) 符号 含义 数值 单位 S 原边电压 16 ih 输入信号高电平 S+.3 Iou PEK 输出峰值电流 ±1 Iou 输出平均电流 ± m CE IGBT CE 极电压 17 dv/d 电压变化率 7 k/μs isol IO 输入输出隔离电压 (1 分钟, 交流 ) 4 R Gon min 最小门极开通电阻 1. Ω R Goff min 最小门极关断电阻 1. Ω Q ou/pulse 充电电荷 6.3 μc T op 工作温度 -4~+8 T sg 储存温度 -4~+8 二, 电气参数 (Ta=2 ) 数值符号含义单位最小典型最大 S 原边电源电压 I S 原边电源电流最大值.32 1) I SO 2) IT+ IT- 原边电源电流最小值 96 m 输入高电平门槛输入电平为 1 输入电平为 输入低电平门槛输入电平为 1 输入电平为 R in 输入阻抗 1 kω G(on) 门极开通电压 1 G(off) 门极关断电压 -8 f 最大开关频率见图 1 d(on)io 开通信号输入 - 输出延时 6 ns d(off)io 关断信号输入 - 输出延时 6 ns d(err) 故障信号返回延时 6 ns CEsa CE 监测基准电压.6 3) dead 保护盲区时间 ) 3 4) μs C PS 一二次之间的分布电容 1 Pf 1) 该电流值是输出负载状态的参数 2) 工作 fsw=hz 3) CEsa 出厂默认为.6, 更小的 CEsa 可通过 R CE 电阻调整 4) 保护盲区出厂默认为 3μ s, 更大的盲区可通过 C CE 电容精确调整 Dual CEE IGBT Driver PSHI 332 双路智能中功率 IGBT 驱动器 特点 可以驱动全系列 17 以下 IGBT 工作模式可选择半桥模式或两个单路模式 输入可兼容 CMOS/TTL(HCMOS) 电平 通过检测 CE 提供短路保护 发生短路时, 具有软关断功能 通过变压器 ( 而非光耦 ) 进行电气隔离 电源欠压保护 ( 电源电压 <13 时保护 ) 故障记忆 ; 故障输出电平高低有效可选 故障复位可选输入信号双低或 1s 自动复位 半桥工作模式下, 具有上下管互锁功能 内置驱动用隔离开关电源 短脉冲抑制功能 典型应用 单路或桥式电路 变频器 电焊机 感应加热 大功率 UPS 大功率高频开关电源 CEE ll purpose Compac Economical Easy o use 全功能 紧凑型 低成本 易使用 -8-8

2 三, 产品简介 PSHI332 是专门为通用 IGBT 开发的智能双路 IGBT 驱动器, 可以直接驱动 17 以及 12 的全系列 IGBT 驱动器基于专门为驱动 IGBT 以及 MOS-FET 而开发的专用大规模集成电路 (SIC), 集成了电平选择 逻辑信号处理 故障锁存及处理 短路保护 欠压保护 互锁电路 DC/DC 隔离电源等, 具有功能强 抗干扰 小体积 低成本 易使用等优点 电路板表面刷有三防保护剂, 可以做到防水 防尘 防盐雾 驱动器有很强的适应能力, 通过改变引脚的数个参数或功能来适应不同的应用, 只要简单调整 R G 的值即可驱动不同型号 IGBT 驱动器可 以以半桥或者独立的模式驱动两只 IGBT, 驱动器具有很强的驱动能力, 可以以 2kHz 的开关频率驱动 4 的 IGBT 驱动器具有软关断功能以用来保护电路短路, 故障时自动增加关断电阻延长关断时间, 降低电压过冲, 提高 IGBT 的可靠性, 使得 IGBT 可以应用在直流电压更高的场合 这也意味着增加了最终的输出功率 驱动器内集成的 DC/DC 电源原付边之间可以承受交流 4/1 分钟的高耐压, 使得控制侧免受来自付边侧的高电压的损害, 保证了控制侧的安全 DC/DC 电源的原边 1 电源可以直接来自控制系统, 多块驱动器也可以共用一个 1 电源, 无需隔离 开关信号经过编码后通过铁氧体变压器来传输,dv/d 高达 7k/ μ s, 小于 ns 的短脉冲被抑制, 具有很高的抗干扰能力 驱动器的输入级集成了一个输入电平选择器 ( 可以选择 1 或 电平输入 ), 用于适应不同控制板的输出电平 四, 系统构成 系统框图见图 2 1 khz 8 6 fmax 4 2 No allowed area 6.3μC Q 6 G μc 图 1, 最大开关频率与充电电荷之间的关系 上管信号输入 s C S J4 K4 /1 电平选择 J1 K1 ERROR / ERROR ERROR R C for high-logic J3 K3 故障复位模式 RTD1 RTD2 J2 K2 互锁 / 独立模式 下管信号输入 J1;K1 J2;K2 J3;K3 J4;K4 S, RC >c/6m 上管死区时间设置 下管死区时间设置 故障输出低电平有效 故障输出高电平有效 互锁模式 ( 半桥模式 ) 独立工作模式 输入同时置低 >µs 复位 1 秒自动复位 电平 (CMOS) + 电平 (TTL-HCMOS) X1. 7 X1. 6 选择 X1. 13 X1. 12 X1. 9 X1. 11 X1. X1. 1 X1. 1,2,3,4 空脚 X1. 8 X1. 14,18,19 X1. 1,16,17 in TOP RTD1 RTD2 LOCK in BOT ERROR 输入电平选择器 互锁 输入电平选择器 振荡器 输入缓冲器 故障记忆 S 欠压检测 3 1 故障复位模式选择器 4 2 输入缓冲器 12 6 DC/DC 隔离电源 PDI 1 变压器隔离 控制侧 ( 原边 ) 功率输出侧 ( 副边 ) 6 DC DC -8 PDI 2 功率输出缓冲器 8 软关断 7 9 CE 监测 ( 过流保护 ) T dead Seup CEsa Seup PSHI 332 系统构成图 PDI DC -8 功率输出缓冲器 DC 8 软关断 9 CE 监测 ( 过流保护 ) Tdead Seup CEsa Seup X3. 8 X3. 7 X3. 6 X3. 2 X3. 1 X3. X3. 4 X3. 3 X2. 8 X2. 7 X2. 6 X2. 2 X2. 1 X2. X2. 4 X2. 3 DH BY23-2 CCE RCE RGoff-SC RGON RGOFF DH BY23-2 CCE RCE RGoff-SC RGON RGOFF TOP BOTTOM LOD 图 2, PSHI 332 驱动器系统构成图 -8-9

3 系统的构成与性能特点 : 输入电平选择 电路可以选择输入信号为 (TTL,HCMOS) 或 1(CMOS) 信号, 并且通过将输 入信号与一个电平进行比较可以对输入信号进行整形, 提高了驱动电路的抗干扰能力 出厂默认 (X1.6 悬空 ) 为 CMOS(1), 但是可以由用户短接 J4,K4( 即 X1.6 接 电源 ) 来改变到 HCMOS() 针 对干扰环境设定的标准电平是 1( 出厂设定 ), 或者当外部控制电路和 PSHI332 之间 ( 需要考虑抗干扰能 力 ) 的连接使用较长连接线路 (L>cm) 时也必须使用 电平 要使用低电平且控制板和驱动器之间为 短连接线路时,TTL-HCMOS 电平 () 可以通过短接 J4,K4( 即 X1.6 接 + 1 电源 ) 来选择, 这对来 自于 μ P 控制器的信号特别有用 因为线路可能存在干扰, 对于长的输入线路, 我们不推荐使用 电平 如果连接 PSHI332 和控制板之间用的是短连接线路, 那么就没有什么需要特别注意的 但是, 当连接线路的 长度是 cm 或者更长 ( 我们建议限制电缆线路的长度小于 1 米 ) 的时候, 就要注意避免使用 TTL() 电 平, 必须要用 CMOS(1) 电平 ; 同时要使用形式的扁平电缆或屏蔽电缆, 可以通过电容 电阻来 连接, 管脚 X1.1,16,17 接外壳地 驱动器的信号输入端内置下拉电阻, 可保证输入端断开或悬空时 IGBT 处于关断状态 输入电平的阈值如下 : 电平 (CMOS) + 电平 (TTL-HCMOS) IT+ (High) min yp max IT- (Low) min yp max 1 9, 11, 12, 1 3,6 4,2 4,8 1,8 2, 2,4,,6,8 J4;K4 互锁 电路用于防止在半桥模式下 IGBT 上下两管同时导通, 上管和 下管之间要有一定的死区时间, 默认的死区时间为 1 μ s, 通过调节连 接到 X1.11 脚上的 R TD1 以及连接到 X1. 脚上的 R TD2 的电阻的阻值可以对 死区时间进行调节, 以适合于不同电流等级的 IGBT 以及不同的工作频 率 表 1 给出了 R TD 电阻与死区时间之间的对应关系 在独立模式下, J2;K2 互锁功能被取消, 此时 J2,K2 被短接 ( 即 X1.1 接地 ) ( 图 3 ) 输入缓冲 电路, 用以对输入信号进行转换, 使得其符合用于传递 信号的铁氧体变压器的要求, 同时确保其它假的信号不会被传输到输出 侧 互锁模式 ( 默认值 ) 独立工作模式 R TD 阻值 死区时间 1 KΩ.9 μs 22 kω 1.8 μs 33 kω 2. μs 47 kω 3.2 μs 68 kω 4 μs 1 kω μs 33 kω 7.7 μs 不接 1 μs 表 1 R TD 与死区时间的对应关系 故障记忆 电路, 一旦发生 IGBT 过流或者供电电源欠压, 故障记忆 电路将关断并锁住所有 IGBT 信号, 并通过一个集电极开路的晶体管输出故障信号 默认的故障信号输出为低电平有效 ( 即 X1.13 脚悬空 ), 如果需要高电平有效, 用户只需将跳线 J1,K1 短接即可 ( 即 X1. 13 脚接 + 1 电源 ) 欠压检测 电路确保驱动板不会在低于 13 的供电电压下工作, 一旦供电电压低于 13, 系统将关断所有 IGBT 的输入信号 铁氧体变压器 用于传递信号, 可以实现双向传输, 高 dv/d(7k/ μ s), 以及高的隔离电压 (4k,C/1 分钟 ), 同时还能消除 ns 以下的短脉冲信号 IN1 IN2 GE1 it+ it- 9% 驱动器内置高频 DC/DC 隔离电源, 为 功率输出 电路提供隔离电源, 电源输出为 /-8, 电源采用全桥整流 滤波及稳压电路, 使得驱动器不需要使用外部隔离电源就能获得必要的门极电压 驱动器可 GE2 6ns 与控制系统使用相同电源 (), 多路驱动器可以使用相同的电源 TDmin (+ 1), 无须隔离 图 3, 互锁作用时间图 %

4 软关断 电路, 在短路情况下, 软关断电路自动增加了 R GOFF 的串联电阻从 通过减少 di/d 值可以得到更小的电压尖峰 由于在短路情况下,IGBT 的同类型峰值电流将增加到正常电流的 6-8 倍, 且电源电路总是存在着寄生电感, 所以必须要比正常工作更长的时间把电流减小到零, 避免过高的电 压尖峰给 IGBT 带来损害 默认软关断用电阻为 22 Ω, 用户可以在 X2.1,X2.2 及 X3.1,X3.2 引脚之间并 联适当阻值的 R GOFF-CS 来减少软关断时间 CE 监控电路 负责短路监测, 它在 IGBT 处于导通状态时监 测 IGBT 的集电极 - 发射极电压 CE, 通过 IGBT 的集电极直接测 量 CEsa 来实现对短路故障的监测 当 IGBT 发生短路时, 它通 过软关断电路关断 IGBT 并封锁输出缓冲器, 同时发送一个信号 到控制端的故障记忆电路 参考电压 CEref 可以根据 IGBT 开关特性进行动态调整, 当 IGBT 关断时该值被复位 CEref 不是静态的, 而是在 IGBT 导通瞬间开 始大约从 1 依照时间常数 τ( 受 C CE 控制 ) 以指数形式下降到 CEsa ( 由 R CE 决定 )( 参见图 4) CE 监测的阈值 CEsa 是 CEref 的稳态值, 受电阻 R CE 控制, 可通 过电阻 R CE (X2.6,X3.6) 来调整到 IGBT 所需要的最大值, 正常状态 下它的取值应为 CEsa > CEsa, 最大不应超过 1 CEref 的延时 时间受电容 C CE (X2.7,X3.7) 及电阻 R CE 控制, 它控制 IGBT 导通后 到 CEsa 监测启动之间的盲区时间 dead 图 4, CE 电压监控曲线 ref 以及 IGBT 导通瞬间的 CE 电压波形示意图 为了避免误报故障, 在 IGBT 导通瞬间 ( 这时的 CE > CEref ) 必须要为 CEref 下降提供足够的盲区时间 dead, 因为 CE 信号监测的内部门槛值被限定在 1, 当 CEref 下降到 1 时 ( 即离开监测盲区 dead 后 ) 只要 CE > CEref, CE 监控电路 即被触发并通过 软关断电路 关断 IGBT 正常工作状态和可能的故障模式如图 1 1 CEsa CEsa CE urn-on insan dead ref CE CE CE 故障 CE 故障 故障 CEref CEref CEref CEref CEsa dead CEsa dead CEsa dead CEsa dead CEsa CEsa CEsa CEsa 导通瞬间 导通瞬间 导通瞬间 导通瞬间 图 a, 正常工作 图 b, 运行过程中短路 图 c, 导通过慢或盲区时间过短 图 d, 导通时短路 通过调整盲区时间 dead 可以调整 CE 监控电路 的监控灵敏度, 比如一些特殊应用场合需要上 下管瞬间直通的工作状况, 可以通过调整电容 C CE 的值延长监测盲区来实现, 但需要特别注意的是从 IGBT 导通 ( 短路开始 ) 至软关断电路彻底关断 IGBT 时止的总时间必须小于 IGBT 的安全短路时间 ( 一般为 1 μ s 或 6 μ s, 详细参数请咨询 IGBT 供应商 ) 总的时间应包括监测盲区时间 dead 故障返回时间 d(err) 软关断 IGBT 时间 off-sc IGBT 关断拖尾时间及安全量 PSHI 332 出厂默认 CEsa =.6, 如果用户需要更低的 CEsa, 可通过连接到 X2.3 及 X3.3 脚的 R CE 电阻来调整获得 保护盲区出厂默认为 3 μ s, 更大的盲区可通过连接到 X2.7 及 X3.7 脚的 C CE 电容来调整 如果需要更短的盲区时间可特别定制, 最短盲区时间为 1 μ s 注意 : 如果这个功能没有被使用, 比如在实验性阶段 ( 没有接 IGBT),CE 监控器 (X2.8;X3.8) 必须和发射极输出 (X2.3;X3.3) 连接在一起, 以避免可能的错误指示和必然的门极信号封锁 功率输出缓冲器 单元由 DC/DC 变换器供应 /-8 电平, 并增强从脉冲变压器接收到的控制信号 功率输出级采用一对 MOSFET 为门极提供 ± 1 的峰值电流, 从而提高了 IGBT 开通和关断的性能 如果这部分的功率不够,IGBT 将不能正常开关,IGBT 的功耗增加甚至会发生 IGBT 损坏 根据 IGBT 的不同的充电电荷以及开关频率, 需要选择不同的 R G 请务必注意 R G 不得小于 1. Ω, 否则可能导致驱动板损坏 -8-11

5 五, 输入接口规范 1, 输入信号电平 : 输入的 PWM 信号可以为 1(CMOS)/(TTL;HCMOS) 电平 正逻辑控制 ( 高电平为 IGBT 导通 ), 为上管 IGBT 控制信号, 为下管 IGBT 控制信号 2, 故障输出 : 当发生 IGBT 过流时, 驱动板会自动关断发生过流的 IGBT 故障信号的输出 X1.12 可以要求高电平有效 ( 高电平为故障,X1.13 接 + 1) 或低电平有效输出 (X1.13 接 或悬空 ) 当输出为高电平有效时,X1.12 要求接上拉电阻 当输出为低电平有效时,X1.12 无需接上拉电阻, 这时多块驱动器可共用一条故障输出线路 上拉电路电压应小于 24, 灌入电流应该小于 6m( 见图 6) 默认的故障信号输出为低电平有效 J1;K1 3, 故障复位 : X1.9 为故障复位模式选择端, 当 J3,K3 短接 ( 即 X1.6 脚接 电源 ) 时为 1 秒自动复 位, 这时当外部控制电路对 X1.12 脚输出的故障信号没有进行 PWM 输入信号的封锁处理时, 驱动器内部的故障封锁在 1 秒 后自动解除, 驱动器自动恢复到正常工作状态 J3;K3 故障输出低电平有效故障输出高电平有效 输入同时置低 >µs 复位 1 秒自动复位 Conrol Board c=+ +24 Rc for high-logic Rc > c / 6m PSHI 332 ERROR X1. 12 ERROR J1 K1 X1. 13 S () ERROR / ERROR RESET J3 K3 X1.9 故障复位模式选择 in TOP in BOT >μs X1.1,16,17 当 J3,K3 断开 ( 即 X1.9 脚悬空或者接地, 默认值 ) 时, 故障复位为输入信号双低复位, 这时将 与 同时置低超过 微秒, 故障自动复位 ( 见图 6) 4, 控制板与驱动板之间的连线 : 图 6, 故障输出及故障复位接口参考图 应该尽量缩短控制板与驱动板之间的连线长度, 当连线长度小于 cm 时, 采用普通的扁平电缆直接连接即可 ( 见图 7,a) 如果连线长度介于 cm~1cm 之间时, 只能采用 CMOS 电平进行信号传输, 信号线需要使用或者采用屏蔽电缆, 如果采用屏蔽电缆, 屏蔽层可以接到 X1.1 X1.16 或 X1.17 连接线长度不允许超过 1 米 ( 见图 7,b) (or +) in TOP PSHI 332 X1.16,17 X1.16,17 in TOP GND TOP PSHI 332 X1.16,17 in BOT GND cm<l<1cm X1.16,17 in BOT GND BOT 图,7a ( 控制板与驱动板之间的连线长度小于 cm) 图 7b, ( 控制板与驱动板之间的连线长度介于 cm~1cm 时 ) -8-12

6 , 驱动板与 IGBT 之间的连接 : 如果仅仅只是连接一只功率较小的 IGBT, 开通和关断的两个门极输出 可通过引脚 X2.7,X2.8 及 X3.7,X3.8 把 它们分别连接到一起, 用一根门极输 出导线通过一个门极电阻 R G 连接到 IGBT ( 如图 8 ) 但我们强烈建 议您把门极电阻 R G 放置到紧挨着 IGBT 门极安装的一小块 PCB 上面, 该小块 PCB 上面还必须要有门极电压 箝位二极管 ( 一般为二只反串接的 18 齐纳二极管或者瞬态电压抑制二 极管来实现 ) 及门极 - 发射极电阻 R GE ( 一般为 1k Ω) 以避免因线路 干扰和寄生效应所带来的电压尖峰及 静电给 IGBT 门极所带来的危害 驱动器与 IGBT 模块之间的连线应尽 可能的短, 而且必须采用 6, IGBT 并联的连接 : 如果需要获得更大的功率输出, 就需要用多只 IGBT 并联来实现 并联连接方式只推荐使用同类结构的正温度 系数的 IGBT, 这样可以在没有任何辅助条件下得到正向温度系数, 从而达到完善的电流分配 要想得到一 个优化的电路并使得 IGBT 功能的完整体现需要特别注意以下方面 : 每个 IGBT 必须要有独立的 R GON 和 R GOFF, 同时必须使用一个辅助的发射极电阻 R E 和一个辅助的集电极电阻 R C Conrol Board in TOP in BOT X1.1,16,17 GND X1.12 ERROR PSHI 332 另外, 电阻,,R EX (. Ω) 和 R CX (47 Ω) 必须安放到并联模块附近一个附加的电路板上 附加电路板到各模块之间的引线长度尽可能的一致 ( 如图 9) PSHI332 最大的门极充电电量为 6.3 μc CE 监测 CE 监测 X3.8 X3. X3.3 图 8, 单个 IGBT 接线图 RG X3.4 R GE TS X2.8 X2. X2.3 BY23-2 RG PCB BY23-2 X2.4 RGE TS PCB s shor as possible Conrol Board R CX + X1.1,16,17 in TOP in BOT GND PSHI 332 CE 监测 CE 监测 BY23-2 R CX R CX X3.8 X3. X3.4 X3.3 X2.8 BY23-2 R EX R EX R EX LOD R CX R CX R CX X2. X1.12 ERROR X2.4 X2.3 R EX R EX R EX 图 9, IGBT 并联接线示意图 -8-13

7 六, 注意事项 1, 驱动板的 CMOS 输入端对过电压及其敏感, 信号电压高于 ( S +.3) 或者低于 -.3 都有可能造成这些输入端损坏 因此要特别注意确认控制板的信号符合上述要求, 另外不用的管脚要与 GND 短接, 避免悬空管脚的出现, 还要注意防静电击穿 2, 驱动器与 IGBT 模块之间的连线应尽可能的短, 而且必须采用 3, 尽量减小杂散电感, 可以采取各种吸收电路降低关断过电压 4, 故障信号必须可靠返回到控制板, 确保一旦发生故障, 及时关断 IGBT 否则 IGBT 可能因为重复发生短路故障而损坏 七, 尺寸与管脚说明 表 2, 管脚 X1;X2;X3 引脚说明 : 引脚 功能 跳线 出厂设置 允许调整 X1,1 X1,2 X1,3 X1,4 X1, 空脚下管死区时间设置 空脚不接 :1μs 接 R TD2 自行调节 X1,6 输入电平选择 J4 K4 不接 :1, CMOS 电平 接 S 电源 :, TTL;HCMOS X1,7 in TOP X1,8 in BOT 1, CMOS 电平输入通过 X1.6 自行调节为 电平 X1,9 故障复位模式选择 J3 K3 不接 : 输入同时置低 >μs 复位 接 S 电源 :1s 自动复位 X1,1 互锁模式选择 J2 K2 不接 : 互锁模式 ( 半桥模式 ) 接地 : 独立工作模式 X1,11 上管死区时间设置 不接 :1μs 接 R TD1 自行调节 X1,12 故障信号输出 低电平有效 高电平有效 X1,13 故障返回电平选择 J1 K1 不接 : 低电平有效 接电源 S: 高电平有效 X1,14 电源 Power, X1,1 X1,16 X1,17 X1,18 X1,19 X2,1 X2,2 电源地 电源地 电源 Power, R Goff-SC BOT 软关断时间调整 ( 下管 ) 出厂默认 :22Ω 接 R GOFF-SC 自行调节 X2,3 BOT E 接 IGBT 发射极 ( 下管 ) X2,4 BOT R GOFF 接门极关断电阻 ( 下管 ) X2, BOT R GON 接门极开通电阻 ( 下管 ) X2,6 BOT CEsa 设定 不接 : CEsa =.6( 下管 ) 接 R CE 自行调节 X2,7 BOT 保护盲区设定 不接 :T dead = 3μs( 下管 ) 接 C CE 自行调节 X2,8 BOT CEsa 检测 通过 D H(BY23) 接 IGBT 集电极 ( 下管 ) X3,1 X3,2 R Goff-SC BOT 软关断时间调整 ( 上管 ) 出厂默认 :22Ω 接 R GOFF-SC 自行调节 X3,3 TOP E 接 IGBT 发射极 ( 上管 ) X3,4 TOP R GOFF 接门极关断电阻 ( 上管 ) X3, TOP R GON 接门极开通电阻 ( 上管 ) X3,6 TOP CEsa 设定 不接 : CEsa =.6( 上管 ) 接 R CE 自行调节 X3,7 TOP 保护盲区设定 不接 :T dead = 3μs( 上管 ) 接 C CE 自行调节 X3,8 TOP CEsa 检测 通过 D H(BY23) 接 IGBT 集电极 ( 上管 ) -8-14

8 X1,1 X3,8 隔离变压器 1.6 mm 13.6 mm 22mil (.8 mm) 18mil (4.72 mm) 隔离变压器 X3,1 X2,8 14mil (3.6 mm) 1mil (2.4 mm) 18mil (4.72 mm) 22mil (.8 mm) 26 mm 2 2mil.64.64mm PCB Φ1. X1,19 X2,1 28mil (72.39 mm) 29mil (74.93 mm) 1mil (2.4 mm) 图 1a, 安装尺寸示意图 -8-1

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