应用笔记 : 用于拓扑内的电平模块
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1 引言... 4 1.1 产品型号说明... 4 2 设计特点... 5 2.1 主要特点... 5 2.2 关键数据... 5 2.3 机械尺寸... 6 3 引脚分配... 7 4 适配板的功能... 8 4.1 电源... 8 4.2 功率放大器电路... 9 4.3 监测 V CE 用于短路检测 ; 有源箝位电路... 10 4.4 最大开关频率... 11 5 并联... 12 5.1 稳态电流不平衡... 12 5.2 动态电流不平衡... 12 5.3 与 MA3L080E07_EVAL 的并联... 12 6 通过内置 NTC 电阻监测基板温度... 14 7 电路原理图和布板... 14 7.1 电路原理图... 14 7.2 布板... 17 8 MA3L080E07_EVAL 的材料清单... 19 9 如何订购评估适配板... 20 10 参考文献... 20 上述电路板仅专用于实验室环境 其工作于高压条件下, 高压侧与板上的任何部分之间均没有电气隔离, 该电路板应由熟悉所有安规的的经过认证的 专业的人员操作
引言 图所示电平模块的是为了帮助用户在使用电平模块进行初步设计应用而开发的 这一评估板是模块驱动板的补充设计, 或者可以作为用户已有驱动方案的补充部分 关于三电平拓扑的更多细节, 请参考文献 小批量的评估板, 可以由提供 这篇文档的数据手册部分描述了这个评估板的性能指标, 而其余部分提供了一些信息, 旨在使用户可以根据他们的特殊需求进行复制, 修改和评估该产品的设计 的设计是按数据手册中设计目标提到的有关环境条件实施的 在选择器件时已考虑符合的规定 该设计已做了如本文档所提到的各种测试, 但未经有关制造业以及在整个工作环境温度范围或全寿命工作下的验证 由英飞凌提供的此电路板仅经受过功能性测试 由于其用途, 该评估板不像常规产品那样, 受到退货分析 流程变更通知 产品回收等流程的制约 详细内容请查看英飞凌的保证和责任限制的免责声明和警告 图用于电平模块 产品型号说明 评估板 适用于的模块 输出驱动电流 模块适配器板 电平模块 用于电平的评估驱动板
设计特点 特点 : 以下部分提供该电路板的概况, 包括主要特点 关键数据 引脚分配和机械尺寸 主要特点 该评估板主要设计用来与驱动板一起使用 评估驱动板主要有以下 电气特性和机械特性符合 电平 模块系列的要求 开通和关断过程可以设置不同的门极驱动电阻值 高端和低端 的有源箝位保护 用于短路监控的 欠饱和输出信号 利用内部 电阻监测基板温度 适用于 供电电源或最高 关键数据 以下表格所列的数据都是在环境温度为 的情况下测得的 表 : 常规关键数据和特征值 参数说明数值单位 最大电源供电电压连续输出电流 最大信号的频率工作温度设计目标存储温度设计目标 称, 该名称适用于整个文档 电平模块具有四个纵向排列的 图给出了这四个的排列位置以及它们的名 外高侧 IGBT 外高侧二极管 内高侧 IGBT 内高侧二极管 内低侧 IGBT 内低侧二极管 外低侧 IGBT 外低侧二极管 图模块中每个的名称 电平 评估驱动板 因为 短路电路的特性建议 取 最大值 GE
图给出了评估板的正面图, 并标出了板上的各个功能模块 : 外低侧 功率放大电路 : 外低侧 欠饱和有源箝位 : 外高侧 欠饱和有源箝位 : 温度监控 : 内高侧 功率放大电路 : 内低侧 功率放大电路 : 外高侧 功率放大电路 图评估板上的各个功能组 ( 正面 ) 机械尺寸 如图所示为适配器板的机械尺寸 图 的机械尺寸图
引脚分配 所有的信号 逻辑信号及电源电压引脚分配均列在下列表格中 : 表外高侧连接端子的引脚分配图引脚名称 引脚功能 表内高侧连接端子的引脚分配图引脚名称 引脚功能 未连接 表内低侧连接端子的引脚分配图引脚名称 引脚功能 未连接 表外低侧连接端子的引脚分配图引脚名称 引脚功能 表温度输出信号连接端子的引脚分配图引脚名称 引脚功能 表连接端子的引脚分配图引脚名称 引脚功能 中性点交流输出 可选的端子 可以用来测量交流输出和直流母线电容中点的电压
适配板的功能 如图所示, 适配器板是评估套件的一部分, 该评估套件用于驱动一个电平的模 块 该适配器板需能够插入 模块中 图 评估套件的安装顺序 模块不属于该评估套件的一部分 若有需求, 可单独购买 模块 电源 如图, 当用 驱动的时候, 需要额外的 个 隔离的电源 供电 假如 适配器板没有和 一起使用, 只需用一个能够提供最大值为 的 隔离电源供电 输入的 信号电平的电压需要根据电源电压等级来确定 如果使用了一个不对称的电源电 压, 则 信号不能高于, 也不能低于 使用连接端子 和 将电源连接到相应的驱 动通道 图 的原理框图
图给出了驱动功耗开关频率的关系示意图 所需的功耗在和时, 需能够用于 驱动电平模块中的一个, 该模块配有适配器板 该适配器板使用 的电源电压 图一个电平需要的驱动功耗 功率放大器电路 图 所示为功率放大器电路, 该电路使用两对互补配对的晶体管来放大输入的 信号 这使得能够提供给 的驱动电流比驱动 的大 其中, 两个 用于开通, 两个 用于关断 该晶体管可以提供足 够的峰值电流来驱动所有的 电平 模块 图单个驱动器输出级的电路原理图 门极电阻用于连接功率放大器和 免器件的损坏 的门极端 这些电阻需合理取值承受重复的脉冲电压, 以避
监测 用于短路检测 ; 有源箝位电路 如图 所示, 对于使用有源箝位的相应的, 利用对 的监测来实现对外高侧和外低侧 的短路保护 如果 流过的电流高于几倍额定值的电流, 晶体管会欠饱且器件两端的电压会升高 利用该现象可实现短路 检测来关断 英飞凌大功率 模块能承受 的短路电流, 在这段时间内, 需要检测到短路电流且在 不超过最大阻断电压情况下将 关断 当 连接到 驱动板上时, 外高侧和外低侧 的 无芯变 压器驱动 将分别检测和处理短路 图 欠饱和保护和有源箝位二极管 有源箝位是一种当关断时, 抑制关断瞬态过电压低于临界极限值的技术 有源箝位的标准用法是用一串雪崩击穿二极管连接于模块的辅助集电极与门极之间 当集电极与发射极之间的电压超过二极管击穿电压时, 二极管电流与驱动器输出的电流叠加在一起 此时由于门极发射极电压升高, 晶体管保持在有源工作区且关断过程延长 变化率减缓限制了电压过冲 在二极管箝位工作限制过压的这一段时间内雪崩击穿二极管流过高峰值的电流 如图为模块在室温下, 没有有源箝位功能时的典型关断波形图 图则为同图一样带有相同负载, 带有有源箝位功能的波形图 图无有源箝位的关断波形有有源箝位功能的关断波形 瞬态电压抑制二极管
最大开关频率驱动器的最大功率, 或者外部门极电阻上的功耗导致的 最高温度, 都限制了 的开关频率 门极电阻 上的功耗取决于 的门极电荷 门极电压和 的开关频率 由于外部门极电阻的功耗产生的热量, 将导 致这些电阻附近的 温度升高 温度升高不允许超过使用时 允许的工作温度, 例如, 标准的材料 为 利用式 ( ) 可以计算门极电阻的功率损耗 : 其中 : Δ 损耗功率 外部门极电阻损耗功率, 内部门极电阻损耗功率, 驱动器输出电压大小开关频率 在给定门极电压范围的 P dis P(R EXT ) P(R INT ) V out f s Q G 的门极电荷 完整的栅极电阻包括内部栅极电阻和外部栅极电阻, 因此在这种情况下, 一部分相关的功耗会通过直接散热到模块的基板上, 而另一部分功耗将散热到外部的周围空气中或者内, 内部损耗功率与外部损耗功率的比例与上述电阻和直接对应 在门极电压的工作范围内, 的数据手册值减少了 基于的温度标准, 外部门极电阻的功率损耗需考虑散热的设计 如图所示, 在如下条件时 :, 门极电阻周围的板温度取决于开关频率 图 局部区域温度趋势
并联 对于单个, 其工作点相对容易把握设置, 但要让并联的 模块工作在相同工作点不是一件简单的事情 这是因为, 并联的 之间在特性上有一些差别, 这导致了它们之间轻微的电流不均匀 在这种情况下, 最大 的挑战是如何把电流不均匀减小到最小, 以便提高系统效率和稳定性 造成电流分配不均的两个主要因素 : - 并联的每个支路的阻抗不同 - 并联的每个支路输出电压不同 稳态电流不平衡 稳态电流的不平衡可能由以下引起 : - 并联支路中每个 集电极发射极的电压不同 - 主电流回路电阻的不同 动态电流不平衡 动态电流的不平衡可能由以下引起 : - 由于每个 的 的不同导致传输特性的不同 - 主电流回路阻抗的不同 - 模块的内部和外部换向回路的杂散电感 - 在并联支路上 驱动器的输出电阻 - 转移特性 与 的并联 主要设计来和评估驱动板 一起使用的, 如图 所示, 最多可并联连接 个模块, 每个模块都配备有一个 适配器板 在并联的情况下, 驱动板 不需要插入到适配板中, 而是利用驱动板顶部的连接端子将驱动板与适配器板连接, 如图 图并联连接原理安装图片 图所示为三个电平模块的并联连接 驱动板和适配器板间的连接线长度需一致, 以避免三个支路 门极的信号传递时间不同 模块之间的电流 的星形连接减少了开关后流过并联模块辅助发射极之间的电流 板在辅助发射极电流通路和其它供电电源上串接一个电阻, 以减小流过并联 适配器板在供电电源上串接一个 去耦电阻 这避免了电流流过并联模块之间的发射极路
径 图所示为当串接去耦电阻时, 流经发射极路径的均衡电流 在开关切换之后所测得的平衡电流可达到 如图, 如果是采用标准配备的适配器板, 该平衡电流将会减少到几毫安 图辅助发射极电流通路中的电流分配去耦电阻去耦电阻 图所示为个并联的模型开通和关断时在交流端的电流分配 图个并联的模块在交流端的电流分配 开通 关断 如表, 和值是通过门极电阻及环境温度为时测量的 的和的数据表值为 : 表个并联的模块的和 被测试模块 和数据表值相比, 测得的 值比较小, 的变化比较大且一般都比数据表值大, 然而, 的影响是主要 的
通过内置 电阻监测基板温度 适配器板可以监测外壳的温度 假如适配器板与驱动板一起安装使用, 可以很容易获得的温度信号 对于与驱动器板不同的驱动器方案, 将需要一个外部电路获得信号 对温度信息的评估处理要求采用一个外部电路, 一些电路实例和特性的详细信息可参考应用笔记 : 注意 : 不能通过检测温度来检测短路或短时过载, 但是可以用于长期过载条件下以及冷却系统失效时保护模块 建议负温度系数电阻与任一低压控制电路之间的设计满足功能性绝缘隔离 电路原理图和布板 为了满足不同客户的要求, 把评估板作为进一步开发和修改应用的基础, 本章节给出所有必需的技术性资料, 包括电路原理图, 布板和器件清单等 电路原理图 图到图给出了的驱动电路 图外高侧的驱动电路
图内高侧的驱动电路 图内低侧的驱动电路
图外低侧的驱动电路 图 连接端子的引脚说明
布板 图 元器件布局, 顶层 图 元器件布局, 底层 图 电路板顶层
图电路板第层 图电路板第层 图 电路板底层
的材料清单 该材料清单包含器件列表和装配的清单 电阻值的精度应该小于等于, 贴片电容值精度应该小于等于, 贴片电容值精度应该小于等于 类型数值封装数量标号制造商 电阻 电阻 脉冲电阻, 可选 电阻 电阻 电阻 电阻 电容器 二极管 二极管 二极管 二极管 双极性晶体管 双极性晶体管 连接端子 连接端子 连接端子
如何订购评估适配板 每一套驱动电路评估板都有自己的 订购编号, 可通过您的英飞凌销售合作伙伴订购 在英飞凌网页 上可以找到有关信息 根据您的要求, 电路板的 数据也可为您提供 使用这些数据将受本应用手册中的免责声明保护 请您联系 订单号 订单号 参考文献