2SP0115T描述和应用手册翻译

初稿

2SP0115T描述和应用手册

带电气接口的17mm双IGBT模块的驱动解决方案，可用于具有并联能力的2电平，3电平和多电平逆变器拓扑。

摘要

2SP0115T是带电气接口的双通道驱动器。该驱动器是基于CONCEPT的SCALE-2芯片，高度集成技术，适用于IGBTs的可靠驱动和安全工作。

所有17mm双通道IGBT模块，都可获得完美匹配的驱动器类型。驱动器的即插即用能力可以安装后立即工作。用户不需要在设计或调节到特定应用方面投入任何的努力。

图1 焊接在17mm双通道IGBT模块上的2SP0115T

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2SP0115T

CONCEPT

描述和应用手册

目录

系统概述………………………………………………………………………………………….4 成功的六步……………………………………………………………………………………….5 1.选择合适的驱动器…………………………………………………………………………..5 2.驱动器安装到IGBT模块上………………………………………………………...………5 3.连接驱动器到控制电路……………………………………………………………………..5 4.选择工作模式………………………………………………………………………………..5 5.检查驱动器功能……………………………………………………………………………..5 6设置和测试功率叠加………………………………………………………………………..5 机械尺寸………………………………………………………………………………………….7 连接器X1的管脚定义………………………………………………………………….……….8 连接器X1的推荐接口电路……………………………………………………………………..8 接口X1的描述…………………………………………………………………………………..9 概述…………………………………………………………………………………………….9 VCC端子………………………………………………………………………………………9 MOD（模式选择）…………………………………………………………………………..10 INA，INB（通道驱动输入，例如PWM）…………………………………………………10 SO1，SO2（状态输出）……………………………………………………………………..11 TB（调节闭锁时间的输入）…………………………………………………………………11 接口X2的描述…………………………………………………………………………………..11 NTC端…………………………………………………………………………………………11 2SP0115T SCALE-2驱动器具体怎样工作？………………………………………………….12 概述…………………………………………………………………………………………….12 电源和电气隔离……………………………………………………………………………….13 电源监测……………………………………………………………………………………......13 Vce监测/短路保护…………………………………………………………………………….14 IGBT的动态性能………………………………………………………………………………14 IGBT的导通/二极管整流……………………………………………………………………...14 IGBT关断……………………………………………………………………………………....15 先进有效钳位…………………………………………………………………………………..15 2SP0115的并联连接…………………………………………………………………………..16 3电平和多电平拓扑…………………………………………………………………………..18 低电感分布……………………………………………………………………………………..18 参考目录………………………………………………………………………………………..…18 信息来源：SCALE-2驱动器参数表……………………………………………………………19

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CONCEPT 2SP0115T

初稿 特殊：定制的SCALE-2驱动器…………………………………………………………………19 技术支持…………………………………………………………………………………………..19 质量………………………………………………………………………………………………..19 免责声明………………………………………………………………………………..…………19 订购信息…………………………………………………………………………………………..20 其他产品的信息……………………………………………………………………..……………20 制造商……………………………………………………………………………………………..20

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系统概述

2SP0115T是由CONCEPT研发的，基于高度集成的SCALE-2芯片的，即插即用驱动器/1/。是一组专用集成电路（ASICs），包含了设计智能门极驱动器需要的主要功能。SCALE-2驱动芯片是被证明的SCALE技术的进一步发展。

2SP0115T驱动器的基本拓扑如图2所示。门极电阻和其他关键器件的值，可以在给定的IGBT模块的特定参数表中可以找到。

图2 2SP0115T驱动器的基本原理图

驱动器包含，最佳并安全驱动相关IGBT模块，需要的所有元件：为了使开关损耗最小化的最小的门极电阻，门极钳位，有效钳位二极管（关断时的过压保护），Vce监控（短路保护），以及输入电气连接器X1。甚至，还包含了半桥模式下，设置关断跳闸电位，响应时间和两个通道之间死区时间的元件。它的即插即用能力意味着安装后，它就立即可以工作。在设计和调节驱动器到特定应用方面，用户不需要投入任何的精力。

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成功的六步

以下步骤指出了在功率逆变器中使用2SP0115T的简单方式：

1.选择合适的驱动器

当使用2SP0115T驱动器时，你需要注意它们是专门适用于特定类型的IGBT模块的。

驱动器型号的定义，也包含了对应特定IGBT模块的号码（见“订货信息”）。

对于其他非指定的IGBT模块，驱动器是无效的。不正确的使用可能会造成故障。

2.将驱动器连接到IGBT模块上

IGBT模块和驱动器的任何操作，需符合静电敏感设备保护的通用要求，参考国际标准IEC60747-1，第IX章或欧洲标准EN 100015（即工作场所，工具等，必须符合这些标准）。

如果忽略了这些要求，IGBT和驱动器都会损坏。

通过焊接相应的端子，驱动器可以很容易的安装到IGBT模块上。

3.将驱动器连接到控制电路

将驱动器插头X1连接到你的控制器件上，并给驱动器提供+15V的电压。

4.选择工作模式

用输入端MOD（接口X1的管脚17），可以设置工作模式。具体内容，见第10页。

5.检查驱动器功能

检查门极电压：断开状态，正常的门极电压在相关参数表/3/中指定有。导通状态，是+15V。并检查，在要求的开关频率下，没有时钟信号的驱动器的输入电流消耗。

除非不能连接到门极端，否则在安装前，就应该进行这些测试。

6.设置并测试功率叠加

启动系统前，建议在功率循环条件下，对每个IGBT模块进行单独的检查。通常必须使用到单或双脉冲技术。CONCEPT特别推荐用户，在最坏条件下，检查SOA内部，IGBT模块的开关，因为这很强的依赖于特定的逆变器结构。

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即使只测试单个的IGBT，也必须给系统的所有门极驱动器供电。通过施加负的门极电压，使其他所有的IGBTs保持在断开状态。这是非常重要的，在测试状态下，开关IGBTs。

在此处，也可以验证短路特性。

然后，系统准备在实际负载情况下启动。这需要由整个布置的热特性决定。

必须在指定的温度范围和负载条件下，再次确认系统是否合格。

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小心：对于高压的所有手动操作可能会危及生命。

必须遵守相关的安全规程！

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机械尺寸

电气连接器X1：FCI公司的71918-120LF 电气连接器X2：未装配

推荐的电缆连接器：FCI公司的71600-020LF

推荐的成对绞合扁平电缆：3MTM公司的1700/20或2100/20

图3 2SP0115T机械尺寸

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连接器X1的管脚定义

管脚 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

定义 N.C. N.C. VCC VCC SO2 INB SO1 INA MOD TB

功能

未连接 未连接 +15V电源 +15V电源

状态输出通道2 信号输入B 状态输出通道1 信号输入A

模式选择（直接/半桥） 闭锁时间

管脚 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

定义

GND GND GND GND GND GND GND GND GND GND

功能 接地 接地 接地 接地 接地 接地 接地 接地 接地 接地

连接器X1的推荐接口电路

图4 2SP0115T的推荐用户接口

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图5 包括SCALE-2驱动器2SP0115T和IGBT模块的方框图

接口X1的描述

通用

2SP0115T的接口X1非产简单，易于使用。 驱动器具有以下端子

· 2个电源端（但是只需要1个15V电源） · 2个驱动信号输入

· 2个状态输出（故障返回）

· 1个模式选择（半桥模式/直接模式） · 1个输入，设置闭锁时间

驱动器配备了1个20针的接口连接器。所有偶数号的管脚用作GND连接。奇数号的管脚用作输入或状态输出。建议使用1个20芯的绞合扁平电缆。每个输入、输出信号和它自己的GND线绞合在一起。所有的GND管脚在2SP0115T驱动器上连接在一起，也应该和控制板连接到一起。这种安排产生的电感非常低，具有高抗干扰性。

所有的输入是静电保护的。而且，所有的数字量输入具有施密特触发特性。

VCC端

驱动器的接口连接器上具有2个VCC端，用于给一次侧电子器件和二次侧DC-DC逆变器供电。

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驱动器可以发出的总功率为2*1W，从+15V电源流出的最大输入电流约为0.2A。驱动器启动时的浪涌电流。

MOD（模式选择）

MOD输入，可以选择工作模式

直接模式

如果MOD输入没有连接（悬空），或连接到VCC，选择直接模式。该模式下，两个通道之间没有相互依赖关系。输入INA直接影响通道1，输入INB直接影响通道2。在输入（INA或INB）的高电位，总是导致相应IGBT的导通。只有在控制电路产生死区时间的情况下，才能选择该模式，每个IGBT接收各自的驱动信号。

小心：半桥上的2个开关同步或重叠时候，会短路DC link。

半桥模式

如果MOD输入是低电位（连接到GND），就选择了半桥模式。该模式下，输入INA和INB具有以下功能：当INB作为使能输入时，INA是驱动信号输入（见图6）。

当输入INB是低电位，两个通道都闭锁。如果INB电位变高，两个通道都使能，而且跟随输入INA的信号。在INA由低变高时，通道2立即关断，1个死区时间后，通道1导通。死区时间由2SP0115T上的电阻设定。

图6 半桥模式下的信号

INA，INB（通道驱动输入，例如PWM）

INA和INB是基本的驱动输入，但是它们的功能依赖于MOD输入（见上文）。它们安全的识别整个逻辑电位3.3V-15V范围内的信号。它们具有内置的4.7k下拉电阻，及施密特触发特性（见给定IGBT的专用参数表/3/）。INA或INB的输入信号任意处于临界值时，可以触发1个输入跃变。

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SO1，SO2（状态输出）

输出SOx是集电极开路三极管。没有检测到故障条件，输出是高阻。开路时，内部500uA电流源提升SOx输出到大约4V的电压。在通道“x”检测到故障条件时，相应的状态输出SOx变低电位（连接到GND）。

二极管D1和D2（见图4）必须是肖特基二极管，而且只能在使用3.3V逻辑电位的时候使用。对于5V。。。15V逻辑电位，他们可以被忽略。

2个SOx输出可以连接到一起，提供1个公共故障信号（e.g.对1相）。但是，建议单独评估状态信号，以达到快速准确的故障诊断。

故障条件下，最大的SOx电流不应超过驱动器参数表/3/中的设定值。

状态信号是怎样处理的

a） 二次侧的故障（IGBT模块短路或电源欠压检测）立即传输到相应的SOx输出。在闭锁

时间TB（参阅定时信息的相关参数表。）过去后，SOx输出自动复位（返回到高阻状态）。 b） 一次侧电源欠压同时指示到2个SOx输出。当一次侧电源欠压消失时（参阅定时信息的

相关参数表/3/），2个SOx输出自动复位（返回到高阻状态）。

TB（调整闭锁时间TB的输入）

该端子TB，允许通过连接1个外部电阻到GND（见图4），来减少工厂设定的闭锁时间。下文的等式计算管脚TB和GND之间的必须连接的电阻Rb的值，以设定要求的闭锁时间Tb（典型值）：

Rb[kΩ]=(7650+150*Tb[ms])/(99-Tb[ms])-6.8 20ms接口X2的描述 NTC端

在连接器X2上，有1个非隔离的IGBT模块NTC输出。它直接连接到IGBT模块的NTC热敏电阻上。

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2SP0115T SCALE-2驱动器具体如何工作？

概述

2SP0115T系列即插即用型双通道驱动器是为17mm双IGBT模块而设计的。带电气接口的SCALE-2驱动器家族的所有驱动器， 配备有常规的保护功能，例如短路保护的Vce监控，故障后的操作禁止，电源欠压切断和状态反馈。

2SP0115T驱动器的杰出特性是：尺寸紧凑，安装简单-直接在IGBT模块上，先进的有效钳位功能和非常低的传播延时。有效钳位描述了1个有效设计，以保护关断状态时的IGBT免受过压。在DC-link 电压高，集电极电流大或短路情况下，关断1个IGBT模块时，具有特别重大的意义。2SP0115T系列也允许IGBT模块并联工作，从而增加系统功率（见第16页“2SP0115T的并联连接”）。

图7 2SP0115T SCALE-2驱动器的框图

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电源和电气隔离

驱动器配备有1个DC/DC逆变器，给门极驱动电路提供1个电气绝缘的电源。信号通过变压器实现隔离。所有的变压器（DC/DC和信号变压器）满足EN5017 8安全绝缘要求，一次侧和任一个二次侧的保护等级为Ⅱ级。 注意，驱动器需要1个稳定的电源。

电源监控

驱动器的一次侧，2个二次侧驱动通道，配备有本地欠压监控电路。

如果出现一次侧电源欠压故障，2个IGBT被1个负的门极电压驱动，从而保持在断开状态（2个通道都闭锁），故障传送到2个输出SO1和SO2，直到故障消失。

如果一个二次侧电源欠压，相应的IGBT被1个负的门极电压驱动，从而保持在断开状态（通道闭锁），故障传送到相应的SOx输出，闭锁时间之后，SOx输出自动复位（返回为高阻状态）。

即使较低的电源电压，驱动器从IGBT的门极到发射极之间提供一个低阻。

在1个半桥内，如果电源电压低，建议不要用1个IGBT驱动器操作IGBTs组。否则，高比率增加的Vce可能会造成这些IGBTs的部分开通。

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Vce监控/短路保护

2SP0115T SCALE-2驱动器内置的基本Vce监控电路，在图7中有阐明。2个IGBT的集电极-发射极电压可以通过电阻网络进行测量。导通时，响应时间之后检测Vce，检测短路。如果该电压高于设定的门槛电压Vth，驱动器检测到IGBT短路，并立即给相应的SOx输出发送信号。在1个额外的延时后，相应的IGBT关断。只要闭锁时间有效，IGBT就一直保持断开（非导通），故障一直显示在管脚SOx。

闭锁时间应用于每个通道。只要Vce超过了Vce监控电路的门槛电压，闭锁时间开始。

在DC-link电压低于550V（1200V 和1700V版本）或400V（600V版本），需注意响应时间会增加。请阅读相关驱动器参数表中的定时信息/3/。

注意：不饱和功能仅用于短路检测，不能提供过流保护，然而，过流检测有1个较低的时间优先

级，可以由应用很容易的提供。

IGBTs的动态特性

由于包括IGBT、二极管，特定的模块结构和内部门极电阻和电感的分布等在内的特殊特性，IGBT模块的动态特性取决于产品型号及制造商。注意来自同一制造商的不同模块型号也可能需要一个特定的门极驱动器匹配。

因此，CONCEPT为特定的IGBT模块，提供了特定版本的SCALE-2即插即用驱动器。驱动器决不能用于指定型号以外的IGBT模块。

IGBT导通/二极管整流

当驱动器输入变高，门极驱动器导通相应的IGBT。驱动器已经包括，和相关的IGBT模块相匹配的门极电阻。

功率叠加时，相对低的电感的情况下，优化驱动器，达到最小的开关损耗。建议在最终系统组装时检查整流特性。

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IGBT关断

相应的输入变低后，IGBT关断。门极电阻由CONCEPT决定，而且不能改变。

IGBT的快速关断可能造成过压，过压会随着DC-link电压或负载电流而增加。关断电压大约为：

Vtr=-Ls*di/dt

Vtr是关断过压，Ls是偏离电感。

大部分竞争的驱动器在过流或短路时是不能过压的。但是对高功率或高压IGBTs，这却是必要的。为了解决这个问题，SCALE-2即插即用驱动器提供了先进有效钳位功能。

先进有效钳位

有效钳位是，如果集电极-发射极电压超过预定的门槛电压时，部分开通IGBT的一种技术。IGBT保持线性工作。有效钳位的基本电路见/4/。

基本的有效钳位拓扑，建立1个单反馈通道，从IGBT的集电极通过暂态电压抑制器（TVS）到IGBT的门极。2SP0115T SCALE-2驱动器支持基于以下原则的CONCEPT先进有效钳位：当有效钳位有效时，驱动器的关断MOSFET断开，从而改善有效钳位的有效性，减少TVS上的损耗。该特性主要集成在二次侧的专用电路。使用的电路如图7所示。

图9 测试电路（左），典型的开关特性（右）

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描述和应用手册 图9的说明

t0=关断过程初始时 t1=关断开始时间

t2=集电极电流下降开始时间 t3=最大集电极电压

t4=IGBT闭锁，尾电流开始 t5=尾电流结束

和其他的驱动方法相比，正常工作模式下，通过增加开关速度，减少开关损耗，有效钳位可以加强IGBT模块的利用率。有效钳位也负责故障电流关断时的过压。DC-link的最大允许电压，参见门极驱动参数表/3/。

图10显示了由2SP0115T驱动器控制的450A/1200V IGBT模块的典型的关断转变。

图10 在DC-link电压800V，集电极电流900A（正常集电极电流的2倍）时，450A/1200V IGBT模块关断特性

2SP0115T的并联连接

连接有相应IGBT模块的2SP0115T SCALE-2驱动器，可以并联，从而增加系统功率。该杰出特性起因于驱动器的低传输延时，以及低抖动（更多关于并联的信息，参见定时信息的相关参数表/3/以及/5/）

CONCEPT建议用户按以下步骤来使用并联工作的2SP0115T驱动器的：

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 所有并联连接的驱动器的电源电压VCC必须来自相同的电压源，从而确保驱动器的对

称工作

 所有并联连接的驱动器的输入信号INA和INB，必须来自相同的逻辑缓冲（驱动器），

以确保非常小的延时差异。

 INA和INB的转换速率必须足够高（>0.25V/ns），以确保最小的延时抖动。特别是，如

果输入信号INA和INB用1个RC网络滤波（例如短脉冲抑制），必须使用施密特触发缓冲器在INA和INB上产生1个高转换比率。

 对于所有的并联连接的驱动器，从主板到驱动连接器X1的接口电缆的长度差异应小于

40cm，以确保额外的延时误差小于2ns。

 所有的驱动器必须工作在直接模式。半桥模式不适合2SP0115T的并联工作。  在故障关断情况下，必须等到所有并联驱动器的故障反馈复位，以确保所有并联驱动器

的闭锁时间已经过去。

 并联连接的驱动器的状态输出SO1和SO2可以单独评估，从而精确故障诊断，否则SO1

和SO2也可以连接到一起。

正常工作

在正常开关工作状态（无故障反馈），并联驱动器可以像没有并联连接一样使用。所有并联的IGBT模块同步开通和关断。实验室测量已经表明很小的信号延时差异（5ns），以及很小的负门极电压差异（<0.4V），在关断或导通时，会导致1个非常小的集电极电流重新分配，以及1个非常小的开关损耗。然而，这是1个次要效果，多数情况下，由于逆变器机械结构的不对称是主要原因。

短路

短路情况下，第1个检测到短路电流的驱动器将发送1个故障反馈给相应的SOx输出。在大约1.4us的额外延时后，相应的IGBT将被关断。在该延时期间，IGBT不能被关断。

在最坏的情况下，只要第一个驱动器检测到短路电流，用户会（意外的）的试着断开1个IGBT模块。这种情况下，检测到短路电流的驱动器会忽略关断命令。那些还没有检测到短路电流的驱动器将关断相应的IGBTs。这会导致短路的不同步关断。然而，实验室测量已经表明，这种不同步关断（延时差异达到2us）不会显现任何问题。低电感（~70nH）和高电感（>1.5uH）短路都已经考虑到了。但是，CONCEPT还是建议用户在特定应用时检查这一点。

电源欠压

如果电源欠压，相应的驱动器将发送1个故障反馈给相应的SOx输出，并立即关断相应的IGBT（s）。然后建议立即给所有并联的驱动器发送关断信号。然后，经过1个短暂的延时后，相应的IGBTs将会被关断。

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3电平或多电平拓扑

如果2SP0115T驱动器被用于3电平或多电平拓扑，请参考应用手册AN-0901，在www.IGBT-Driver.com/go/app-note。

低电感分布

有效钳位功能不能导致任何人忘记功率叠加的电感。由于多种原因，对于2SP0115T即插即用驱动器，仍然必须减少DC-link杂散电感到大约40nH…100nH。

参考目录

/1/ “功率芯片智能调谐”Bodo’s Power System 2007年5月 /2/ “SCALE 驱动器的描述和应用手册” CONCEPT

/3/ 2SP0115Txxx-xxx SCALE-2即插即用驱动器参数表，CONCEPT /4/ “高压IGBT驱动器解决方案”，PCIM 欧洲杂志，2002年4月 /5/ “智能并联”，Bodo的功率系统，2009年3月

注意：这些资料可以在www.IGBT-Driver.com/go/papers上获得

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信息来源：SCALE-2驱动器参数表

CONCEPT为功率MOSFETs和IGBTs，提供最广泛选择的门极驱动器，可满足几乎任何应用。包含所有参数表，应用说明和手册，技术信息和技术支持的最大的门极驱动电路网址是：www.IGBT-Driver.com

特殊：定制的SCALE-2驱动器

如果你需要的IGBT驱动器不包含在供货范围内，请直接联系CONCEPT或您的CONCEPT供货商。

CONCEPT拥有超过20年的研发和生产功率MOSFET和IGBTs的智能门极驱动器的经验，并且已经提供了很多定制解决方案。

技术支持

CONCEPT提供专家帮助您解决难题。 www.IGBT-Driver.com/go/support

质量

CT-Concept技术公司以提供高品质为核心使命。质量管理系统覆盖了产品研发和生产直至出厂的所有阶段。SCALE-2系列驱动器按照ISO90001：2000质量标准生产。

免责声明

参数表对设备进行详细描述，但不保证实现所有的特定特性。关于交付，性能或匹配性不会提供明示的或者暗示的保证。

CT-Concept技术公司保留任何时间，不需提前通知，就可以修改技术数据和产品说明的权利。CT-Concept技术公司遵守常规的交货条款和条件。

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订购信息

见www.IGBT-Driver.com/go/2SP0115T上的当前列表

参考www.IGBT-Driver.com/go/nomenclature中的命名

CT-Concept技术公司使用通用的周期和发货条件。

其他产品的信息

对于适配其他高压或高功率IGBT模块的驱动器： 直接链接：www.IGBT-Driver.com/go/plug-and-play

对于其他的驱动器，产品文件，评估系统和应用支持 请链接：www.IGBT-Driver.com

制造商

CT-Concept技术公司 智能电力电子 Renferstrasse 15 CH2504 Biel-Bienne Switzerland

Tel. +41-32-344 47 47 Fax +41-32-344 47 40

E-mail ******************** Internet www.IGBT-Driver.com

@2009 CT-Concept技术公司-Switzerland。 我们保留不提前通知即修改技术更改的权利。

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