性能优良的混合双路驱动器集成电路

      1 引言

　　SKHI21/SKHI22混合双路IGBT、MOSFET驱动器是德国西门康（SEMIKRON）公司生产的专用新型IGBT和MOSFET混合驱动器。它有2路驱动电路，可以直接驱动IGBT半桥模块，典型工作频率为17kHz。输入为CMOS兼容器，内部有VCE监控和自动关断电路，可提供有效的短路保护。采用变压器隔离技术，驱动多路信号只需一路电源，是UPS、电焊机及逆变器中理想的IGBT和MOSFET驱动用集成电路。在驱动半桥模块时，驱动器自动双路互锁，防止发生直通，并向用户提供"错误（Error）"锁存信号。SKHI21和SKHI22的内部电路结构基本相同，两者的区别在于电路应用对象不同，SKHI21用于驱动西门康公司自己生产的IGBT，而SKHI22可用于驱动各种IGBT模块，但这两者都只能驱动200A以下的IGBT模块。

　　2 各引脚的排列、名称、功能和用法

　　SKHI21/SKHI22采用模块式封装，它的封装形式如图1所示，对外引出16个引脚。

图1 SKHI21/SKHI22的引脚排列（引脚向上）

　　2.1 输入引脚

　　引脚P7（GND），P14（GND） 控制脉冲输入部分参考地端。使用中与用户脉冲形成部分的地相连。

　　引脚P8（VIN2），P12（VIN1） 两路互补驱动脉冲输入端。使用中接用户脉冲形成电路的输出，两路输入脉冲间应有一定的互锁时间，以防止同桥臂的IGBT或MOSFET直通。

　　引脚P9（RTD2）、引脚P11（RTD1） 封锁延迟时间设置电阻的连接端1和2。使用中分别通过一个电阻接工作电源端（引脚P13），设置输出两路驱动信号的封锁延迟时间，以防止在驱动同桥臂上、下两个IGBT或MOSFET时发生直通。

　　引脚P13（VS） 输入级电源端。接用户驱动脉冲形成级电源端。

　　引脚P10（ERROR）脉冲封锁信号输入端。低电平有效，该端低电平可封锁输出驱动脉冲，使用中接用户保护电路的输出。

图2 SKHI21/SKHI22的内部结构及工作原理框图

　　2.2 输出引脚

　　引脚S1（VCE2）和引脚S20（VCE1） 被驱动IGBT集-射极间压降或被驱动MOSFET漏苍醇间压降监视电压输入端。使用中分别接被驱动半桥IGBT的集电极或MOSFET漏极。由于SKHI21/22内部已有高压快恢复二极管，所以使用中不需再串高压快恢复二极管。

　　引脚S6（CCE2）和引脚S15（CCE1） 2个被驱动功率开关器件欠饱和保护门槛设置端。使用中分别通过一个电阻与电容的并联网络接被驱动IGBT的发射极或功率MOSFET的源极。

　　引脚S9（E2）和引脚S12（E1） 输出驱动信号参考地端。使用中分别接被驱动的2个IGBT的发射极或功率MOSFET的源极。

　　引脚S7（GON2）和引脚S14（GON1） 2驱动脉冲信号输出端。使用中分别通过一个适当的电阻接被驱动的IGBT或功率MOSFET的栅极。

　　引脚S8（GOFF2）和引脚S13（GOFF1） 被驱动功率开关器件关断速度设置端。使用中，分别通过一个电阻接被驱动的IGBT或MOSFET的栅极。

　　2.3 空引脚

　　输入引脚中的P1，P2，P3，P4，P5，P6与输出引脚中的S2，S3，S4，S5及S16，S17，S18，S19均为空脚，使用中悬空。

　　3 内部结构和工作原理

　　SKHI21/SKHI22的内部结构和工作原理框图如图2所示。它们的内部集成有2个施密特触发器、2个与门、2个隔离环节、2个电平匹配器、2个功率驱动级、2个过电流检测比较器、1个输入电源电压监视及1个误差监视网络，共有8个单元电路。

　　1）脉冲隔离驱动功能 作为驱动器，隔离驱动是它的基本功能。当信号经VIN1、VIN2进入驱动器后，先经过输入施密特触发器对脉冲进行整形，此触发器有较大的阈值电压回差（VIN＋=12.9V，VIN－=2.1V），因此具有较强的抗干扰能力。整形后的脉冲经一与门后进入隔离变压器一次侧，在其二次侧得到与输入脉冲同相的驱动信号，具体传输特性如图3所示。由于采用了隔离变压器技术，整个驱动器用一路电源即可将两路脉冲信号进行隔离驱动。同样，多路信号也可以只用一路电源，选用多个SKHI21/SKHI22驱动器即可完成隔离驱动功能。

      整个驱动器采用了模块封装形式，可以同时驱动两路信号。只用一路时，如使用输出1，将输出2的VCE2（S1）端和E2（S9）端短接。

　　2）内锁电路 内部具有双IGBT互锁电路，以防止两路信号同时为开态，1路IGBT的关信号与另1路IGBT的开信号互锁的典型时间tTD=2.7μs，可避免IGBT半桥直通，如图3所示。

图3 脉冲传输特性

　　3）窄脉冲抑制 如果开关脉冲过窄，脉冲变压器不能被充分励磁，且其输出端的耦合电容也不能被充分充电，这样，驱动器输出端触发器将保持原状态。窄脉冲抑制功能可以确保仅传送有效触发脉冲。

　　4）错误监控与存储 SKHI21/SKHI22的电路监控器主要有VS监控和VCE监控。当VS低于某一门限值或VCE高于某一门限值时，则SKHI21/SKHI22封锁输出驱动脉冲，防止被驱动功率开关器件损坏。

　　（1）电源监控 驱动器电源电压VS最小值为13V，如果低于该值，即产生错误信号，从而封锁驱动脉冲，电源达到其正常值（15V）且延时4μs以后，才允许输出脉冲。

　　（2）VCE监控 VCE监控主要用于监视IGBT开态时集电极和发射极间的电压VCE，VCE的门限为10V。如果IGBT的C、E间电压超出参考电压VCEREF，输出信号会立即为零，VCEREF是可变的。IGBT开启的瞬间高电压是允许的。VCEREF则用外接电阻RCE（连接在引脚CCE和E之间）设置，但不能超过10V。并联在RCE两端的电容CCE可用来增加VCEREF的延迟时间常数，此时间即为控制IGBT开通到VCE监控激活的最小时间。当IGBT的C、E间电压超过VCEREF的tmin时间后，VCE监控才起作用。

　　（3）Error存储错误存储单元可对错误监控电路提供的信号进行存储，一旦有"错误存储"将同时阻止对两个IGBT的开脉冲，当错误监控电路无脉冲输出且双路输出均为零时，错误存储才能被清除。错误存储信号送至"ERROR"端子，并可连接至控制电路。

　　4 典型应用

　　SKHI21/SKHI22的上述优良性能和特点，决定了它的单块可以用于单相半桥IGBT或MOSFET逆变器中，多块可用于单相全桥或三相全桥逆变器中。

　　SKHI21/SKHI22用于单相半桥逆变器中，典型应用电路如图4所示。信号经过驱动模块功率放大后，分别送到2个IGBT的C、E端。

图4 典型应用电路图

　　主要参数选择如下。

　　1）RTD的选择 在一些特定电路中，需要更长的内部互锁时间，可通过在脚RTD外接电阻来实现。由两个外接电阻RTD设置信号延迟时间，电阻接在引脚RTD和VS之间，其典型时间tTD=2.7＋0.13RTD，RTD<100kΩ。式中，RTD单位为kΩ。

　　2）RCE、CCE的选择

　　VCEstat的选择如图5所示。

图5 VCEstat与RCE的关系曲线

　　计算RCE（RCE>10kΩ）的公式为

VCEstat=[9RCE(kΩ)－25]/[10＋RCE(kΩ)]

　　式中：VCEstat的单位为V。

　　tmin(tmin<10μs)的选择

　　根据公式计算CCE(CCEmax=2.7nF)

tmin=CCE(nF)[10RCE(kΩ)/(10＋RCE)]×ln[(15－VCEstat(V))/(10－VCEstat)]

　　典型参数：RTD=0，RCE=24kΩ，CCE=330pF，VCEstat=5.6V，tmin=1.75μs。

　　3）RON、ROFF的选择 外接电阻RON用于设置IGBT开启速度，RON越大，开启速度越低，且续流二极管反向恢复峰值电流减小；外接电阻ROFF用于设置IGBT关断速度，ROFF越大，关断越慢，且寄生电感两端电压也下降。典型值：RONmin=3.3Ω，ROFFmin=3.3Ω。

　　4）IGBT模块过温保护电路的连接模块温度监控可由ERROR端与GND端连接双金属热保护器来实现。超过标定温度时，保护器触点打开，使ERROR端有错误信号输出。

　　5 结语

　　实践证明，SKHI21/SKHI22确实是一款性能优良的混合双路IGBT或MOSFET驱动器集成电路。