SCALE集成电路的应用与发展

1.SCALE的性能特点

SCALE系列集成驱动器是由瑞士CONCEPT公司生产的专为IGBT和功率MOSFET提供驱动的电路。SCALE系列集成驱动器采用ASIC设计，仅用15V电源驱动，开关频率大于100kHz，并具有多功能、低成本、易使用、高可靠性和长寿命等特点。根据实际应用中对驱动性能、驱动输出通道数目、隔离等不同要求，SCALE系列集成驱动器具有相应的不同型号可满足不同的需求。SCALE系列集成驱动器可驱动1700V、1200A的IGBT模块。其主要型号和驱动能力见表4-15。

表4-15 SCALE的主要型号和驱动能力

SCALE驱动器的性能特点

1）实用范围宽。可应用在数千瓦至数兆瓦的功率范围及耐压要求范围内，几乎可工作在所有的频率及调制模式，适用于任何厂商生产的功率模块。

2）体积小巧、结构紧凑、应用灵活，具有直接和半桥模式可供选择。在半桥模式下，可选用所要求的死区时间。

3）成本低。具有很高的性能价格比。除可提供栅极驱动外，还具有检测状况显示及电源隔离等功能，是一种可满足市场所有要求的、最经济实用的驱动板。

4）使用简便。该驱动板的接口电路非常简单，可处理5～15V电平的标准逻辑信号。具有施密特触发器输入特性，且对输入信号没有特殊要求。故障传送使用集电极开路输出，可与常用的逻辑电平相兼容。因为驱动板具有所有智能化驱动功能，且驱动信号、状态传送及电源与功率部分完全隔离，所以使用非常简单。在大多数情况下，用智能化SCALE驱动板来驱动标准IGBT模块，比使用IPM更加简便，也更加灵活。

SCALE系列集成驱动器内部由输入处理电路、驱动输出、短路和过流保护电路、隔离状态识别电路、电源检测电路和DC/DC开关电源构成。SCALE系列集成驱动器提供的驱动电流可达18A，输出驱动信号的导通电平为+15V，关断电平为-15V；开关工作频率范围为0～100kHz；具有500～10kV的电气隔离特性；占空比为0～100%。

DC/DC转换电路的功能是将输入部分与工作部分进行隔离。而其输入处理电路由LDI001及其外围电路组成。由于控制电路产生的PWM信号不能直接通过脉冲变压器，尤其是当脉冲信号的频率和占空比变化较大时，尤为困难。LDI001就是专门为此而设计的，此专用集成芯片的功能主要是对输入的PWM信号进行编码，以使其可通过脉冲变压器进行传输。由于该器件内部带有施密特触发器，因此对输入端信号无特殊的边沿陡度要求，并能提供准静态的状态信号反馈。将其设计为集电极开路方式，可以适应任何电平逻辑，并可直接产生死区时间。以上优点使得接口既易用又灵活，从而省去了其他专用电路所必需的许多外围器件。

驱动输出及逻辑保护电路的核心芯片是LDI001，它将变压器接口、过电流短路保护、阻断逻辑生成、反馈状态记录、供电监视和输出阶段识别等功能集成在一起。每个通道设有一个智能门驱动器IGD，其具体功能是对脉冲变压器传来的PWM信号进行解码，对PWM信号进行功率放大，对IGBT的短路、过电流及电源的欠电压检测保护，并向LDI反馈状态，以产生短路保护的响应时间和阻断时间等。

2.SCALE驱动器的内部结构

SCALE系列集成驱动器的内部结构如图4-33所示（两通道）。由图4-33可见驱动器由三个功能单元组成。第一个功能单元是逻辑与驱动电路接口（LDI），用于驱动两个通道。当加在输入端InA和InB的PWM信号经过处理后，其驱动信号被分别送到每个驱动通道的脉冲变压器。因为PWM信号的频率和占空比变化较大，所以不能简单地通过变压器传送。为此，SCALE系列集成驱动器配备了LDI001逻辑驱动接口。第二个功能单元是智能栅极驱动器（IGD），对应于每个驱动通道都有一个IGD。第三个功能单元是集成DC/DC电源。所有标准的SCALE驱动器都有一个DC/DC变换器，以便为各个驱动通道提供工作电源。因此，该驱动器只需一个稳定的15V直流电源。

图4-33 SCALE驱动内部结构框图

（1）电子接口LDI001

SCALE配备的LDI001逻辑驱动接口结构如图4-34所示，它具有以下功能：

图4-34 LDI001结构图

1）可为用户提供一个简单的接口，两个信号输入端都具有施密特触发器特性。

2）与5V、15V的逻辑电平相匹配。

3）产生半桥所需的死区时间。

4）对PWM信号进行编码，以使其可通过脉冲变压器传送。(www.xing528.com)

5）识别脉冲变压器传送的编码信号并予以放大，以为用户提供一个准静态的状态信号。

SCALE驱动器可不加任何元件而直接与逻辑电路相连，也可通过较长的电缆相连。脉冲变压器负责驱动信号的隔离，同时可将来自每个通道的信息反馈给LDI。在这种情况下，为了获得较高的信噪比，应使用15V电平。同时应通过外接的RC网络来获得所要求的死区时间。

（2）智能栅极驱动器IGD

SCALE的第二个功能单元IGD01具有所有必需的智能驱动功能，如变压器接口、过载和短路保护、锁定时间逻辑、状态识别、对电源电压和输出级的监测等。IGD驱动器的内部结构框图如图4-35所示，该驱动器主要用于完成如下功能：

图4-35 IGD驱动器的内部结构框图

1）接受来自脉冲变压器的脉冲信号，对从脉冲变压器接收的编码信号进行解码，并将其复原成PWM信号。

2）对PWM信号进行放大，用功放后的PWM信号驱动IGBT。

3）监测IGBT的过载和短路。

4）欠电压监测。

5）产生响应和锁定时间。

6）传输状态识别信号给LDI，接收LDI发出的状态信号。

智能驱动单元IGD01所有的保护、监测功能（如过电流、短路保护和欠电压保护）都置于次级。这样，在出现故障时，电路将立即被关闭并锁定。

SCALE的保护主要包括短路和过电流以及电源监测，对于短路和过电流保护来说，SCALE驱动中的每路都有一个V_CE监测电路。R_th为关断阈值的参考电阻。在IGBT开通后的一段响应时间内，V_CE监测电路不起作用。而当V_CE出现异常后，锁定时间功能开始启动，并在锁定时间内使驱动器锁定IGBT，而不再接受输入信号。模块中的各路都具有自己的锁定功能，并均由各路的LGD001实现。一旦V_CE超过由R_th设定的阈值，锁定将立即启动。

SCALE系列集成驱动器中的每路都具有一个欠电压监测电路，当电源电压降至10V或11V时，IGBT将执行负压关断并进行故障报警。

3.SCALE系列集成驱动器的主要工作模式

（1）直接模式

选择SCALE系列集成驱动器工作在直接模式下，将Mode Selector输入与VL/R相连，RC1和RC2接地，即为直接模式。各路IGBT将独立地工作。该模式可用于已产生死区时间的PWM信号的驱动，也可用于独立工作的各路IGBT在直接模式下，状态输出Status1和Status2分别返回，因此当出现故障时，可以方便地确定故障出现在那一路。

（2）半桥模式

选择SCALE系列集成驱动器工作在半桥模式下，将Mode Selector输入接地，即为半桥模式，InputA为PWM输入，InputB为使能输入。在VL/R输入端接上4.7V齐纳二极管可使输入端InputA和InputB设置在TTL电平。由于该模式下的状态输出Status1和Status2连接在一起，因此，两路故障为“或”的关系。在半桥模式中，将RC网络与各RC端相连接可确定对应各路的死区时间。死区时间随温度可能有很小的漂移。通过与RC1和RC2相连的RC网络可获得数百ns的死区时间。当输入端B为低电平时，两路IGBT都被关断。当RC网络为10kΩ/100pF时，死区时间为500ns。所接电阻不允许小于5kΩ。RC网络的电阻与VCC连接，电容接地。表4-16给出了RC网络与死区时间的对应关系。

表4-16 RC网络与死区时间