性能優良的混合雙路驅動器集成電路??

摘要：介紹了德國西門康公司生產的專用新型SKHI21/SKHI22混合雙路IGBT及MOSFET驅動器集成電路，并列舉了其主要設計特點、主要參數和典型應用電路。

關鍵詞：集成電路；驅動器；參數選擇

1??? 引言

??? SKHI21/SKHI22混合雙路IGBT、MOSFET驅動器是德國西門康（SEMIKRON）公司生產的專用新型IGBT和MOSFET混合驅動器。它有2路驅動電路，可以直接驅動IGBT半橋模塊，典型工作頻率為17kHz。輸入為CMOS兼容器，內部有VCE監控和自動關斷電路，可提供有效的短路保護。采用變壓器隔離技術，驅動多路信號只需一路電源，是UPS、電焊機及逆變器中理想的IGBT和MOSFET驅動用集成電路。在驅動半橋模塊時，驅動器自動雙路互鎖，防止發生直通，并向用戶提供“錯誤（Error）”鎖存信號。SKHI21和SKHI22的內部電路結構基本相同，兩者的區別在于電路應用對象不同，SKHI21用于驅動西門康公司自己生產的IGBT，而SKHI22可用于驅動各種IGBT模塊，但這兩者都只能驅動200A以下的IGBT模塊。

2??? 各引腳的排列、名稱、功能和用法

??? SKHI21/SKHI22采用模塊式封裝，它的封裝形式如圖1所示，對外引出16個引腳。

圖1??? SKHI21/SKHI22的引腳排列（引腳向上）

2.1??? 輸入引腳

??? 引腳P₇（GND），P₁₄（GND）??? 控制脈沖輸入部分參考地端。使用中與用戶脈沖形成部分的地相連。

??? 引腳P₈（VIN2），P₁₂（VIN1）??? 兩路互補驅動脈沖輸入端。使用中接用戶脈沖形成電路的輸出，兩路輸入脈沖間應有一定的互鎖時間，以防止同橋臂的IGBT或MOSFET直通。

??? 引腳P₉（R_TD2）、引腳P₁₁（R_TD1）??? 封鎖延遲時間設置電阻的連接端1和2。使用中分別通過一個電阻接工作電源端（引腳P₁₃），設置輸出兩路驅動信號的封鎖延遲時間，以防止在驅動同橋臂上、下兩個IGBT或MOSFET時發生直通。

??? 引腳P₁₃（V_S）??? 輸入級電源端。接用戶驅動脈沖形成級電源端。

??? 引腳P₁₀（ERROR）脈沖封鎖信號輸入端。低電平有效，該端低電平可封鎖輸出驅動脈沖，使用中接用戶保護電路的輸出。

圖2??? SKHI21/SKHI22的內部結構及工作原理框圖

2.2??? 輸出引腳

??? 引腳S₁（V_CE2）和引腳S₂₀（V_CE1）??? 被驅動IGBT集-射極間壓降或被驅動MOSFET漏?源極間壓降監視電壓輸入端。使用中分別接被驅動半橋IGBT的集電極或MOSFET漏極。由于SKHI21/22內部已有高壓快恢復二極管，所以使用中不需再串高壓快恢復二極管。

??? 引腳S₆（C_CE2）和引腳S15（C_CE1）??? 2個被驅動功率開關器件欠飽和保護門檻設置端。使用中分別通過一個電阻與電容的并聯網絡接被驅動IGBT的發射極或功率MOSFET的源極。

??? 引腳S₉（E₂）和引腳S₁₂（E₁）??? 輸出驅動信號參考地端。使用中分別接被驅動的2個IGBT的發射極或功率MOSFET的源極。

??? 引腳S₇（G_ON2）和引腳S₁₄（G_ON1）??? 2驅動脈沖信號輸出端。使用中分別通過一個適當的電阻接被驅動的IGBT或功率MOSFET的柵極。

??? 引腳S₈（G_OFF2）和引腳S₁₃（G_OFF1）??? 被驅動功率開關器件關斷速度設置端。使用中，分別通過一個電阻接被驅動的IGBT或MOSFET的柵極。

2.3??? 空引腳

??? 輸入引腳中的P₁，P₂，P₃，P₄，P₅，P₆與輸出引腳中的S₂，S₃，S₄，S₅及S₁₆，S₁₇，S₁₈，S₁₉均為空腳，使用中懸空。

3??? 內部結構和工作原理

??? SKHI21/SKHI22的內部結構和工作原理框圖如圖2所示。它們的內部集成有2個施密特觸發器、2個與門、2個隔離環節、2個電平匹配器、2個功率驅動級、2個過電流檢測比較器、1個輸入電源電壓監視及1個誤差監視網絡，共有8個單元電路。

??? 1）脈沖隔離驅動功能??? 作為驅動器，隔離驅動是它的基本功能。當信號經V_IN1、V_IN2進入驅動器后，先經過輸入施密特觸發器對脈沖進行整形，此觸發器有較大的閾值電壓回差（V_IN＋=12.9V，V_IN－=2.1V），因此具有較強的抗干擾能力。整形后的脈沖經一與門后進入隔離變壓器一次側，在其二次側得到與輸入脈沖同相的驅動信號，具體傳輸特性如圖3所示。由于采用了隔離變壓器技術，整個驅動器用一路電源即可將兩路脈沖信號進行隔離驅動。同樣，多路信號也可以只用一路電源，選用多個SKHI21/SKHI22驅動器即可完成隔離驅動功能。

??? 整個驅動器采用了模塊封裝形式，可以同時驅動兩路信號。只用一路時，如使用輸出1，將輸出2的V_CE2（S₁）端和E₂（S₉）端短接。

??? 2）內鎖電路??? 內部具有雙IGBT互鎖電路，以防止兩路信號同時為開態，1路IGBT的關信號與另1路IGBT的開信號互鎖的典型時間t_TD=2.7μs，可避免IGBT半橋直通，如圖3所示。

圖3??? 脈 沖 傳 輸 特 性

??? 3）窄脈沖抑制??? 如果開關脈沖過窄，脈沖變壓器不能被充分勵磁，且其輸出端的耦合電容也不能被充分充電，這樣，驅動器輸出端觸發器將保持原狀態。窄脈沖抑制功能可以確保僅傳送有效觸發脈沖。

??? 4）錯誤監控與存儲???? SKHI21/SKHI22的電路監控器主要有V_S監控和V_CE監控。當V_S低于某一門限值或V_CE高于某一門限值時，則SKHI21/SKHI22封鎖輸出驅動脈沖，防止被驅動功率開關器件損壞。

??? （1）電源監控??? 驅動器電源電壓V_S最小值為13V，如果低于該值，即產生錯誤信號，從而封鎖驅動脈沖，電源達到其正常值（15V）且延時4μs以后，才允許輸出脈沖。

??? （2）V_CE監控??? V_CE監控主要用于監視IGBT開態時集電極和發射極間的電壓V_CE，V_CE的門限為10V。如果IGBT的C、E間電壓超出參考電壓V_CEREF，輸出信號會立即為零，V_CEREF是可變的。IGBT開啟的瞬間高電壓是允許的。V_CEREF則用外接電阻R_CE（連接在引腳C_CE和E之間）設置，但不能超過10V。并聯在R_CE兩端的電容C_CE可用來增加V_CEREF的延遲時間常數，此時間即為控制IGBT開通到V_CE監控激活的最小時間。當IGBT的C、E間電壓超過V_CEREF的t_min時間后，V_CE監控才起作用。

??? （3）Error存儲錯誤存儲單元可對錯誤監控電路提供的信號進行存儲，一旦有“錯誤存儲”將同時阻止對兩個IGBT的開脈沖，當錯誤監控電路無脈沖輸出且雙路輸出均為零時，錯誤存儲才能被清除。錯誤存儲信號送至“ERROR”端子，并可連接至控制電路。

4??? 典型應用

??? SKHI21/SKHI22的上述優良性能和特點，決定了它的單塊可以用于單相半橋IGBT或MOSFET逆變器中，多塊可用于單相全橋或三相全橋逆變器中。

??? SKHI21/SKHI22用于單相半橋逆變器中，典型應用電路如圖4所示。信號經過驅動模塊功率放大后，分別送到2個IGBT的C、E端。

圖 4??? 典 型 應 用 電 路 圖

??? 主要參數選擇如下。

??? 1）RTD的選擇??? 在一些特定電路中，需要更長的內部互鎖時間，可通過在腳R_TD外接電阻來實現。由兩個外接電阻R_TD設置信號延遲時間，電阻接在引腳R_TD和V_S之間，其典型時間t_TD=2.7＋0.13R_TD，R_TD<100kΩ。式中，R_TD單位為kΩ。

??? 2）RCE、CCE的選擇

??? V_CEstat的選擇如圖5所示。

圖 5? V_CEstat與R_CE的 關 系 曲 線

??? 計算R_CE（R_CE>10kΩ）的公式為

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

式中：V_CEstat的單位為V。

????? t_min(t_min<10μs)的選擇

??? 根據公式計算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)]

??? 典型參數：R_TD=0，R_CE=24kΩ，C_CE=330pF，V_CEstat=5.6V，t_min=1.75μs。

??? 3）R_ON、R_OFF的選擇??? 外接電阻RON用于設置IGBT開啟速度，R_ON越大，開啟速度越低，且續流二極管反向恢復峰值電流減小；外接電阻R_OFF用于設置IGBT關斷速度，R_OFF越大，關斷越慢，且寄生電感兩端電壓也下降。典型值：R_ONmin=3.3Ω，R_OFFmin=3.3Ω。

??? 4）IGBT模塊過溫保護電路的連接模塊溫度監控可由ERROR端與GND端連接雙金屬熱保護器來實現。超過標定溫度時，保護器觸點打開，使ERROR端有錯誤信號輸出。

5??? 結語

??? 實踐證明，SKHI21/SKHI22確實是一款性能優良的混合雙路IGBT或MOSFET驅動器集成電路。