翻译英飞凌IGBT应用笔记 EconoDUAL™3 and EconoPACK™评估板.浅析IGBT驱动和保护电路的设计

IGBT中文名叫绝缘栅双极性晶体管。其在电路作用实质就是当作一个可控的开关。不过要应用好这个开关是有点难度的，尤其是在高频率，高压大电流情况下。驱动是个问题，保护电路是个问题，而驱动电路的PCB的设计更是个问题。同样的电路因为PCB设计的问题，由于本人之前没有涉及到IGBT方面。而最近搞的一个项目是跟IGBT有关。所以翻了些IGBT的资料。最后决心翻译了一个英飞凌的 EconoDUAL™3与EconoPACK™+模块驱动评估板的资料。找了很多资料就挑中这篇文档资料，主要是看中文章里的驱动电路的图纸，和PCB的布局设置。
看下面这篇文章之前我们先来了解下IGBT驱动基本知识点。
这里说说IGBT驱动电路设计的两个重点，一个是驱动，另一个保护
驱动 也就是栅极（门极）电压。有于IGBT的控制输入端几乎就是跟MOS管一样。所以驱动基本上是跟MOS管一样。其实质就是根据管子不同你要计算一个合适的栅极门极（电阻）一般驱动都需要设置这一个合适的驱动电租。这个电阻基本上跟IGBT寄生的输入电容是相关的，具体计算这里不在重述。英飞凌和塞米控好像都很多详细资料。请注意栅极电租的计算还需要把IGBT管内的栅极电阻也算进去。
在英飞凌资料中，把IGBT内部的栅极电阻称作为，RgINT. 外部的栅极电阻叫作Rgext
保护。我这里想先说的就是，IGBT的关断保护就如踩杀车一样，你要慢慢踩。一下踩死，你会翻车的。另外个人觉得IGBT很怕电感，各种寄生电感都非常怕。因为当快速开关的时候就能产生di/dt&dv/dt.。当发生短路时，或者说过流时候，你不能马上把IGBT驱动电压或电流立即降为零，就是说不能直接关，这样的会引起dic/dt.产生尖峰电压，这样的尖峰电压对IGBT来说是很致命的。大多数时候IGBT直接OVER了。所以一般发生短路时候基本上先把电压降底一个值，然后在关掉。这个我到觉得踩杀车一样道理一样的，点杀，不能猛杀。不轮你是四个轮子，还是两个轮子。
总结保护主要采集了栅极控制电压，要在某一范围内，其次采集了IGBT管的VCE压降。当短路发生或过流时当检测到VCE值超过参考值而执行相应的保护动作。 下面贴上我翻译的一个英飞凌评估的文档有一定参考价值。翻译的不好,多多包涵.将就着看吧(:.
EconoDUAL™3与EconoPACK™+模块驱动评估板

绍兴大力 译

目录
1引言-----------------------------------------------------------------------------------------------3
2设计特点-----------------------------------------------------------------------------------------4
2.1主要功能. ---------------------------------------------------------------------------------------4
2.2主要数据------------------------------------------------------------------------------------------------------4
2.3引脚分配------------------------------------------------------------------------------------------------------5
2.4机械尺寸的EconoDUAL™驱动板--------------------------------------------------------------------- 6
2.5机械尺寸的EconoPACK™+驱动板--------------------------------------------------------------------6
3电气特性------------------------------------------------------------------------------------------------------7
3.1电源------------------------------------------------------------------------------------------------------------7
3.2输入逻辑 - PWM信号-------------------------------------------------------------------------------------7
3.3最大开关频率. -----------------------------------------------------------------------------------------------8
3.4推挽驱动输出-------------------------------------------------------------------------------------------------9
3.5短路保护，有源钳位--------------------------------------------------------------------------------------10
3.6故障输出.- --------------------------------------------------------------------------------------------------11
3.7温度测量-----------------------------------------------------------------------------------------------------12
4开关损耗--------------------------------------------------------------------------------------------------13
4.1导通损耗-----------------------------------------------------------------------------------------------------------14
4.2关断损耗-----------------------------------------------------------------------------------------------------------15
5原理图，布局和物料清单 - EconoDUAL™3板.-- -----------------------------------------16
5.1原理图--------------------------------------------------------------------------------------------------------16
5.2装配图--------------------------------------------------------------------------------------------------------19
5.3PCB布局-----------------------------------------------------------------------------------------------------------20
5.4物料清单-----------------------------------------------------------------------------------------------------21
5.5栅极电阻表--------------------------------------------------------------------------------------------------21
6原理图，布局和物料清单 - EconoPACK™+板----------------------------------------22
6.1原理图--------------------------------------------------------------------------------------------------------22
6.2装配图--------------------------------------------------------------------------------------------------------25
6.3 PCB布局-----------------------------------------------------------------------------------------------------------26
6.4物料清单-----------------------------------------------------------------------------------------------------28
6.5栅极电阻表--------------------------------------------------------------------------------------------------28
XED100E12F2
XED :2ED代表2通道驱动；6ED表示6通道驱动。
100：输出电流10到100A
E：EVALUATION BOARD评估板的意思
12：12 suitable for 1200v igbt 适用于1200V IGBT管子
F2: functional isolation 隔离功能

1引言为了深入了解IGBT驱动，所以决定翻译一个英飞凌官网的技术文档资料。
2ED100E12-F2 EconoDUAL™3模块评估驱动板如图1，和6ED100E12-F2 EconoPACK™+模块评估驱动板如图2所示，


图1 2ED100E12-F2的产品评价驱动板安装上顶部的EconoDUAL模块

图2 6ED100E12-F2产品评价驱动板安装在顶部的EconoPACK模块

2设计特点以下各节介绍主要功能，关键数据，引脚分配和板的机械尺寸。
2.1主要功能 2ED100E12-F2和6ED100E12-F2的评估驱动板提供以下功能：
• 双通道IGBT驱动器2ED100E12-F2版本，适用于使用IGBT4
• 六通道IGBT驱动器6ED100E12-F2版本适用于600 V和1200 V EconoDUAL 3或EconoPACK™+ IGBT模块
• 驱动板设有独立的DC / DC驱动电源和短路保护电路
• 隔离式温度测量•
• 短路电流保护 保护时间 toff < 6 μs
• IGBT驱动器IC 欠压保护，
• PWM和故障信号5VCOMS电平正逻辑
• 单路故障输出信号
PCB设计，满足IEC61800-5-1的要求，污染程度2，过电压类别II•
2.2主要数据
下表中的值是在Ta=25°C测量的典型值
表1的数据和特征值（典型值）

表1的数据表符注解释：
1） 最大开关频率为每EconoDUAL™3或EconoPACK™+模块类型，应分别计算。DC / DC输出功率，每通道最大为1.5 W。栅极电阻附近PCB电路板温度大约105°C，使用FR4材料。
有关详细信息，请参阅第2.3
2）最大工作温度严格依赖于负载和冷却条件。有关详细说明，请参见第2.3章
3）在数据表中定义的值：T60403-D4615-X054日期：21.03.2000
4）1ED020I12-F数据表，2.2版2009年12月
5）AD7400 1/11 - 修订版C
2.3引脚分配
除14脚的连接器X1和X2的EconoPACK™+驱动板，连接器都为EconoDUAL™3和EconoPACK™+板的配置
如表2所列。
表2描述了连接器X3的引脚分配如图3所示。
表2组输入和输出连接器X3的6ED100E12-F2

(1) Sigma Digital （或∑-∆）∑-∆是AD采样的一种结构，通常有积分器比较器，一位DA组成。
优点是高采样分辩率。

图3评估驱动板的F2 6ED100E12，X3连接器PCB接口
2.4 EconoDUAL™驱动板的机械尺寸图

图4 2ED100E12-F2驱动板的尺寸
2.5 EconoPACK™+驱动板的机械尺寸图

图5 6ED100E12-F2驱动板的尺寸
这两个驱动板用自攻螺丝和焊接被紧固到IGBT模块的辅助接插件的顶部。
EconoDUAL™3与EconoPACK™+驱动板电气间隙和爬电距离为：
主板/副板不小于8毫米，副板/副板之间不小于4毫米。

3电气特性
下面的章节将描述评估板的设计。请注意下面的段落，描述的2ED100E12-F2电路已被修改，最后修订版本为AN IGBT4驱动模块，Vcesat 的检测减少干扰性误触发。相同的修改也被用到6ED100E12-12-F2电路
但PCB和元器件列表，在第7章中，仍然是最初的设计。
3.1电源
2ED100E12-F2和6ED100E12-F2有各自的集成DC-DC供电转换电路，DC/DC转换器通过一个15V单极性的输入电压，隔离输出不对称的电源电压+16 V /-8V。分别为高侧和低侧驱动提供电源。.此外，该电源设置了保护，以防止IGBT栅极 - 发射极短路。在DC / DC转换器的过载的情况下，当输出电压下降，欠压锁定功能保证了栅极驱动IC电路的安全，使IGBT启动 IC只能在指定的电源电压范围内工作。如若超出范围，锁定驱动IC输出，并外输出故障信号。
3.2输入逻辑 - PWM信号
专业的可塑性的IGBT模块的评估驱动板。是必要的， EconoDUAL TM 3 IGBT模块用两个独立的PWM信号驱动和EconoPACK TM + IGBT模块用六个独立的PWM信号驱动。每路IGBT通道的单独单路驱动。单个驱动器原来图部分如图6描绘。IGBT模块桥的高侧和低侧需要有正确的死区时间。这两种评估驱动板不提供死区时间生成。有关的栅极电阻的建议值按照Econo DUAL™3驱动板物料清单的表5，推荐的最小死区时间tTD为1μs。如果使用较大的栅极电阻，请参考[1]

图6单个驱动输入电路的原理图
在图6的中为正逻辑驱动器电路的的一部分。IN +被用作信号输入，而IN-是用作使能信号。因此，+5 V信号的IN + IN-输入引脚的输入引脚和GND信号的IGBT将是必要的。要操作输入引脚上的负逻辑的电容器C1和C2与整个电路以进行交换。否则，这将导致额外的延迟。IN+将作为一个使能信号。



3.3最大开关频率
IGBT的开关频率是有限制的，由最大驱动电压时的输出功率，或由PCB由于外部栅极电阻的功率损失的最高温度决定。这些的栅极电阻中的功率损耗取决于在IGBT的栅极电荷，栅极电压的大小和对IGBT的开关频率。由于在外部的栅极电阻的功率损耗，将产生热，从而导致这些电阻在附近的PCB温度增加。该温度必须不高于一个标准的FR4材料的印刷电路板，即105℃的最高温度。
栅极电阻的功率损耗可以通过利用公式（1）计算：
PDIS=P（REXT）+ P（REXT）：=ΔVOUT * FS * Qĝ （1）
其中：
PDIS=消耗的功率
P（REXT）=功率消耗外部栅极电阻
P（RINT）=耗散功率的内部栅极电阻
Δ Vout =在驱动器输出的电压
Fs =开关频率
Qg = IGBT栅极电荷的栅极电压范围
完整的栅极电阻应由IGBT内部的栅极电阻器与外部的栅极电阻组成，由于IGBT的驱动功率损失的一部分将被直接消散在PCB上，而其他部分的损失将被消散到外部周围的空气。消散内部的损失的比率P（R INT ）和外部的P（R EXT ）直接对应的上述R的的比值。在栅极电压-8 / +16 V范围内，Qge的数据值减少了20％。
由于PCB的温度标准的功率消耗在外部栅极电阻P（REXT）的热设计。
基于实验确定的板温度以下的热电阻的评估板已在图7中所示的计算。
热电阻，栅极电阻，以PCB：R thRG-PCB = 45 K / W
热电阻，栅极电阻，以环境：R thRG-AMB = 39 K / W
使用这些值，它是可能的，以确定最大的电路板的温度，外部栅极电阻，最大的环境温度和最大PCB温度是已知的，如果功率损耗：

图7门极电阻的热模型
TAMB：环境温度
ŢPCB 板PCB温度
Ţg PCB温度附近的外部栅极电阻

3.4 推挽驱动输出
图8示出了两对互补三极管，用于推挽放大IGBT驱动，IC1的输出信号。这可使IGBT驱动，相比直接IC驱动获得更大的驱动电流。两个NPN晶体管用于开通IGBT，两个PNP晶体管用于关断IGBT。
三极管参数应提供足够的峰值电流来驱动所有的600 V和1200 V EconoDUAL™3与EconoPACK™+模块。
峰值电流可以根据 式（2）计算出。



图8推挽驱动器输出短路
栅极电阻被连接在驱动输出之间和IGBT模块的栅极。建议值列在Econo DUAL™3驱动板物料清单表5和表7。
对于某些模块它们电阻为0欧母，这种情况下，只是一个跳线连接。如果电阻必要的，应注意，这些电阻器应有一个合适的重复脉冲功率，以避免降级。

3.5短路保护和有源钳位
评估驱动板短路保护，基本上依赖于检测的电压电平是否高于9 V并动作 ，并把检测信号供给1ED020I12-F的驱动器IC（2）脚和实施的有源钳位功能。由于此操作模式下，集电极 - 发射极间的过压这一个结果，是有杂散电感和集电极电流有限斜率决定。过压支路在输出作为杂散电感，电流和直流电压的对应变化。图9示出了所需的饱和度降低功能和有源钳位电路的部分。EconoDUAL TM 3驱动板，以避免在转弯序列的旁路电流。

图9 饱和电压保护检测和有源钳位
有源钳位是一种技术，它使瞬态过压低于IGBT关键限制值IGBT被关断。有源钳位标准方法是：IGBT模块的集电极和栅极分别反向连接雪崩二极管。如图9，当集电极-发射极电压超过雪崩二极管，二极管反向击穿，两路检测经过二极管电流汇集后输出到D581。雪崩二极管钳位限制过压时的高峰值电流。并减慢dIc/dt形成的尖峰过冲电压。
在图10a中示出FF600R12ME4模块在室温下没有任何过压限制功能并在短路条件下一个典型的关断波形。
如图10b所示在短路条件下在室温环境下具有有源钳位功能的典型波形。

图10）短路而有源钳位b）有源钳位功能
3.6故障输出
当发生短路时，检测到IGBT VCE饱和电压上升，通过饱和保护1ED020I12-F输出和IGBT输入被关闭。故障发生后，输出一个低电平有效信号，报告给初级侧的驱动电路，并通过R12点亮红色LED，以表示发生故障情况。只要驱动输入没有被复位，FLT状态仍然有效。/ FLT信号是低电平有效，有原理图可以看出，在图11中。

图11单路驱动故障输出
3.7温度测量
这两个类型的模块嵌入了内置的NTC热敏电阻，IGBT驱动板提供的底板温度测量范围为-40°C〜150°C。这两个的评估驱动板适合马台驱动变频器。温度检测有外接AD采样。采用AD8512如图12所示。

图12示意图Σ/Δ转换成数字到模拟输出
表3 Σ/ΔAD转换的元器件物料清单

本设计的所有的电子部件采用无铅器件，260°C的焊接温度曲线。电阻器的公差应小于或等于±1％，C0G小于或等于±5％的电容器的类型和类型X7R小于或等于±10％的电容器。使用的基板温度和一个热模型，可估计的结温。为此目的所需的热模型的复杂性依赖于应用程序和散热器条件以及要求精度和动态响应。图13中所示的输出电压之间的关系，和基板温度为0。

图13所示特性的温度测量
注意：此温度测量是不适合于短路检测或短期过载，但也可用于从长期的过载条件下或冷却系统故障保护模块。

4开关损耗
用于编制本应用笔记设置不同的设置，用来描述设备在三个方面
1 DC链接电感：
用于这些测试的设置的DC链路电感有一个值，该值约35 nH的所有模块这里考察到第80 nH的用于器件特性不同的值之间的35 nH的相反;有关详细信息，请参阅的移动设备的数据手册。直流母线电感开关损耗的影响的详细讨论，请参考[2] 2 门极电压：
该评估板提供了一个栅极电压-8 V打开过，并转动而表征是一个驱动程序，可提供+ / - 15 V的栅极电压为16 V。
3。栅极驱动器输出阻抗：
根据IEC 60747-9特性的IGBT的驱动程序应该类似于一个理想的电压源，尽可能。对于评估板考虑电路板空间和成本的限制，驱动器的输出级已被选定。因此，它不能提供接近零的输出阻抗。
上面讨论的所有方面有一个模块的开关速度的影响，因此也上的开关损耗。栅极电阻值已被选用的di / dt使在开启媲美特征条件。不过小偏差的导通损耗依然存在。
4.1导通损耗
导通损耗，预计以对应于模块的数据表的值。作为一个例子在图14中所示测得的导通损耗为的一个EconoDUAL™3 FF450R12ME3。

图14开启采用的2ED100E12-F2的一个FF450R12ME3的损失

2ED100E12-F2在设计上也IGBT4模块。图15描述了一个FF450R12ME4模块作为一个导通损耗例子.

图15 FF450R12ME4模块采用的2ED100E12-F2导通损耗

4.2关断损耗
在一般情况下关断损耗的直流母线电压线性增加。下面的图16和图17确认这些特征，并显示与直流母线电压和电流测量的转折点损失的依赖关系。

图16 FF450R12ME3模块关断损耗

图17 FF450R12ME4模块关断损耗
5原理图，布局和物料清单 - EconoDUAL™3板
这两种驱动器板的保持铜的厚度和不同的层之间的空间，如在图18中所示的以下规则。

图18铜和隔离
5.1原理图
为了满足个别客户的需求， EconoDUAL™3评估驱动板模块做了简单的开发和修改，所有必要的技术数据，如原理图，PCB图和组合放在这一章

图19高侧IGBT驱动电路

图20低侧IGBT驱动电路

图21高低侧IGBT驱动器电路

图22温度测量

图23的DC / DC转换器

图24外部连接器
5.2装配图

图25 EconoDUAL的驱动板装配图

5.3 PCB布局

图26 EconoDUAL的™IGBT驱动器，a)为顶层b）是第二2层

图27 EconoDUAL的™IGBT驱动器 a）第3层和b）底层
5.4物料清单
该方案未组装的外部栅极电阻的电阻值，列表第6.5章节。
电阻器的误差应小于或等于±1％，C0G小于或等于±5％的电容器的类型和X7R类型小于或等于±10％的电容器。
表4的材料清单EconoDUAL™3驱动板
详细参考：Econo DUAL™3驱动板物料清单
5.5栅极电阻表
表5外部门的电阻R Gext，所有的包是2010年
详细参考：Econo DUAL驱动板物料清单
6电路图布局和物料清单 - EconoPACK™+板
为了满足个别客户的需求，并简化开发或修改使用评价EconoPACK™+模块驱动板，原理图，布局和组件的所有必要的技术数据，如包括在本章中。
电阻器误差应小于或等于±1％，C0G小于或等于±5％的电容器的类型和类型X7R小于或等于±10％的电容器。
6.1原理图
EconoDUAL TM 和EconoPACK TM +评估板，高侧和低侧驱动器的原理图，包括电源，。因此，它是足够只描绘的EconoDUAL 的示意图。

图28高侧IGBT驱动器

图29低侧IGBT驱动器

图30中的DC / DC转换器

图31高低侧IGBT驱动器输出

图32温度测量

图33连接器

6.2装配图

图34的EconoPACK™+驱动板的装配图
6.3PCB布局

图35 EconoPACK™+ IGBT驱动器 顶层

图36 EconoPACK™+ IGBT驱动器 第2层

图37 EconoPACK™+ IGBT驱动器 3层

图38 EconoPACK™+ IGBT驱动器 - 底部4层

6.4物料清单
未组装的外部栅极电阻的电阻值，列表如表7所示。
电阻器的公差应小于或等于±1％，C0G小于或等于±5％的电容器的类型和类型X7R小于或等于±10％的电容器。
表6 EconoPACK™+驱动板的材料清单
详细参考：Econo DUAL ™ 驱动板物料清单
6.5栅极电阻表
详细参考：Econo DUAL ™ 驱动板物料清单
7参考
[1] Infineon Technologies AG, AN2007-04, ‘How to calculate and to minimize the dead time requirement for IGBTs properly’, V1.0, May 2007, www.infineon.com
[2] B??ler, M., Ciliox A., Kanschat P., ‘On the loss – softness trade-off: Are different chip versions needed for softness improvement?’ PCIM Europe 2009, Nuremberg, May 2009