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一種專為IGBT和MOSFET設計的驅動器
摘要：介紹了一種專為IGBT和功率MOSFET設計的電力電子驅動器件——SCALE集成驅動器的性能特點和內部結構，給出了SCALE集成驅動器在中頻臭氧發生器電源中的應用電路。關鍵詞：驅動電路；IGBT；功率MOSFET；中頻電源；臭氧發生器
電力電子器件的驅動電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子裝置的重要環節，對整個裝置的性能有很大的影響。采用性能良好的驅動電路可使電力電子器件工作在比較理想的開關狀態，同時可縮短開關時間，減少開關損耗，這對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。
驅動電路的常用形式是由分立元件構成的驅動電路，但目前的趨勢是采用專用的集成驅動電路。ＳＣＡＬＥ集成驅動器就是由瑞士ＣＯＮＣＥＰＴ公司生產的、專為ＩＧＢＴ和電力ＭＯＳＦＥＴ提供驅動的電路。它具有多功能、低成本、易使用、可靠性好等特點。根據實際應用中對驅動性能、驅動輸出通道數目、隔離等不同要求，ＳＣＡＬＥ集成驅動器具有相應的不同型號?因而可滿足不同的需求。
由于各種不同型號的ＳＣＡＬＥ集成驅動器在功能、結構和使用方法上大同小異，故本文不針對某種具體型號的ＳＣＡＬＥ器件作敘述，而是對整個系列的ＳＣＡＬＥ器件的共性進行論述，以便使讀者對ＳＣＡＬＥ器件有一個整體的認識，在應用時再根據具體的需要選擇具體型號的ＳＣＡＬＥ芯片。本文首先介紹ＳＣＡＬＥ集成驅動器的性能特點和內部結構；然后介紹它在中頻ＤＢＤ型臭氧發生器電源中的應用，并給出了實驗波形。
１ＳＣＡＬＥ的性能特點及內部結構
１．１ＳＣＡＬＥ驅動器的性能特點
ＳＣＡＬＥ器件提供的驅動電流可達１８Ａ，輸出驅動信號的導通電平為＋１５Ｖ，關斷電平為－１５Ｖ；開關頻率范圍為０～１００ｋＨｚ；具有５００Ｖ～１０ｋＶ的電氣隔離特性；占空比為０～１００％。同時,這種器件內部還帶有短路和過流保護電路、隔離的狀態識別電路、電源檢測電路和ＤＣ／ＤＣ開關電源。
１．２ＳＣＡＬＥ驅動器的內部結構
ＳＣＡＬＥ器件的內部結構如圖１所示（兩通道）。
由圖可見?驅動器由三個功能單元組成。
第一個功能單元是邏輯與驅動電路接口（ＬＤＩ），用于驅動兩個通道。當加在輸入端ＩｎＡ和ＩｎＢ的ＰＷＭ信號經過處理后，其驅動信息被分別送到每個驅動通道的脈沖變壓器。由于變壓器不易傳輸頻率范圍和占空比都比較寬的ＰＷＭ信號，因此，ＬＤＩ主要用來解決這個問題。ＬＤＩ的主要功能如下：
（１）為用戶提供一個簡單的接口。它的兩個信號輸入端都有施密特觸發電路；
（２）提供簡單的邏輯電源接口；
（３）在半橋方式中產生死區時間；
（４）對ＰＷＭ信號進行編碼，以便通過脈沖變壓器傳輸；
（５）評估脈碼狀態識別信號及隨后的緩沖，以便為用戶提供一個準靜態的識別信號。
ＳＣＡＬＥ驅動器可與任何邏輯接口和電平兼容，無須附加其它電路。脈沖變壓器負責驅動信號的隔離，同時可將來自每個通道的信息反饋給ＬＤＩ。
第二個功能單元是智能門極驅動器（ＩＧＤ）。對應于每個驅動通道都有一個ＩＧＤ。其主要功能如下：
（１）接受來自脈沖變壓器的脈碼信號，并將其復原成ＰＷＭ信號；
（２）對ＰＷＭ信號進行放大，并驅動功率管；
（３）對功率器件進行短路及過流保護；
（４）欠壓監測；
（５）產生響應和關斷時間；
（６）傳輸狀態識別信號給ＬＤＩ。
第三個功能單元是集成ＤＣ／ＤＣ電源。所有標準的ＳＣＡＬＥ驅動器都有一個ＤＣ／ＤＣ變
換器，以便為各個驅動通道提供工作電源。因此，該驅動器只需一個穩定的１５Ｖ直流電源。
２ＳＣＡＬＥ驅動器的應用
ＳＣＡＬＥ集成驅動器是專為ＩＧＢＴ和電力ＭＯＳＴＥＴ而設計的驅動器，可應用于多種電力電子裝置或設備。在應用ＳＣＡＬＥ驅動器時，應首先考慮以下三個問題：第一是工作方式的選擇；第二是驅動器工作電平和門限電阻Ｒｔｈ的確定；第三是故障狀態信號與控制電路的接口。
２．１工作方式的選擇
ＳＣＡＬＥ驅動器有兩種工作方式：直接和半橋方式。直接方式的連線圖如圖２所示。該方式下，ＭＯＤ輸入端接ＶＣＣ，ＲＣ１和ＲＣ２接地，ＰＷＭ信號同時接ＩＮＡ和ＩＮＢ，ＳＯ１和ＳＯ２引出兩個狀態反饋信號。
當驅動器工作在直接方式時，驅動器的驅動通道之間沒有聯系，兩個通道總是同時被驅動。死區時間由控制電路確定。半橋方式的連線圖如圖３所示。在該方式下，ＭＯＤ輸入端接地，ＩＮＡ輸入ＰＷＭ信號，ＩＮＢ輸入使能信號。由于兩個狀態輸出端ＳＯ１和ＳＯ２接在一起，所以兩個驅動通道輸出同一故障信號。死區時間由ＲＣ１和ＲＣ２的外接電路來確定。
２．２邏輯電平的確定及Ｒｔｈ的計算
該邏輯電平可由驅動器的ＶＬ／Ｒｅｓｅｔ輸入端來確定。ＶＬ／Ｒｅｓｅｔ端的電壓值決定了輸入ＩｎＡ和ＩｎＢ施密特觸發器的觸發上限電平為２ＶＬ／３，下限觸發電平為ＶＬ／３。由于輸入端ＩｎＡ、ＩｎＢ具有施密特觸發特性，所以ＳＣＡＬＥ驅動器能處理５～１５Ｖ之間的任何邏輯電平，也就是說：控制電路與ＳＣＡＬＥ驅動器之間可以不附加其它電路。圖２和圖３分別給出了ＴＴＬ電平和１５Ｖ電平時，ＶＬ／Ｒｅｓｅｔ端的連線圖。
圖5SCALE驅動接線圖（半橋方式）
電阻Ｒｔｈ的作用是用來定義當功率管導通時的最大管壓降，它和其它元件一起構成了Ｖｃｅ監測電路。當功率管導通時的管壓降大于由Ｒｔｈ定義的最大管壓降時，Ｖｃｅ監測電路便輸出故障報警信號，并關斷功率管。Ｒｔｈ的計算公式為：
Ｒｔｈ＝Ｖｔｈ／１５０μＡ。
式中，Ｖｔｈ為關斷閾值電壓，１５０μＡ為驅動器內置電流源。
２．３故障狀態輸出
狀態輸出采用的是集電極開路形式，以便與其它邏輯電平匹配。輸出時須接上拉電阻。當電源電壓低于１０Ｖ時?ＩＧＤ執行欠壓保護功能?輸出負門極電壓可關斷功率管并輸出故障報告；當Ｖｃｅ監測電路檢測到短路或過電流時，ＩＧＤ執行短路或過流保護功能，此時關斷功率管的輸出為故障報告信號。ＳＣＡＬＥ器件在檢測到電路故障時，其封鎖時間為１ｓ左右。驅動器一旦被檢測到有故障，輸出晶體管將被拉低，而在正常情況下，晶體管輸出高電平。
３在中頻ＤＢＤ型臭氧發生器中的應用
圖４所示是一個中頻ＤＢＤ型臭氧發生器電源系統的原理框圖。圖中，整個電源系統可分為主電路、控制電路和驅動電路，主電路包括整流電路和逆變電路；控制電路主要包括ＰＷＭ控制電路、晶閘管智能模塊觸發控制電路、保護電路和軟啟動電路。其中整流電路采用三相全控整流電路，逆變電路則采用全橋結構。驅動電路采用ＳＣＡＬＥ集成驅動器，型號為２ＳＤ３１５Ａ，采用的工作方式為半橋工作方式，接線圖如圖５所示。圖中只給出一塊驅動器的接線圖，另一塊可用相同的方法連接。
２ＳＤ３１５Ａ具有兩個驅動通道，因而此系統需要兩個２ＳＤ３１５Ａ集成驅動器，一個ＳＣＡＬＥ驅動器可驅動同一橋臂的上下兩功率管，工作波形如圖６所示。ＰＷＭ控制電路采用ＳＧ３５２５集成芯片。ＳＧ３５２５產生的ＰＷＭ波形經ＳＣＡＬＥ驅動器后可輸出Ｇ１和Ｇ２門極驅動信號。圖中Ｇ１和Ｇ２分別為同一橋臂上下管的門極驅動信號，它們之間有死區時間。另一橋臂上下兩管的驅動信號在時序關系上與Ｇ１、Ｇ２相同。全橋逆變器的功率管采用ＩＧＢＴ，在工作時，全橋結構中的斜對管將同時導通或關斷。另外，由于ＳＣＡＬＥ集成驅動器能處理５～１５Ｖ之間的任何邏輯電平，故可使驅動電路與控制電路的接口得到簡化，同時ＳＧ３５２５芯片與２ＳＤ３１５Ａ間也無需電平轉換電路。
４結束語
實踐證明，在中頻ＤＢＤ型臭氧發生器電源中，驅動電路采用ＳＣＡＬＥ集成驅動器后，驅動電路結構變得更為簡單、功能更加強大、可靠性更高。與ＩＰＭ相比，ＳＣＡＬＥ驅動器只需極少的外圍電路，但能提供更靈活的開關特性，而且還可以靈活的選擇Ｖｃｅ檢測電路。可以預見：ＳＣＡＬＥ驅動器將以其優良的性能在電力電子裝置中得到廣泛的應用。
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