【应用】有效降低开发成本并面向大功率系统设计的IGBT驱动器模块IXIDM1403

IXYS（LITTELFUSE收购）全新推出的IXIDM1403驱动模块致力于为市场提供缩短设计周期，最低化设计成本，且具有极高紧凑性以及最高性能与可靠性的IGBT驱动模块。IXIDM1403可支持最大隔离电压4000 V且最大开关频率50 kHz的2单元大功率IGBT模块，同时具有短路保护和控制侧电源电压监控等功能。

IXIDM1403是基于IX6610/IX6611/IXDN630芯片组的高压隔离栅极驱动模块，可以构建在初级侧和次级侧间以及次级侧驱动器之间均具有高压隔离功能的IGBT驱动系统。这个灵活的系统架构可用于三相电机驱动器、半桥式开关电路、推挽式变换器、不间断电源（UPS）及可再生能源和运输系统等诸多应用中，而这些应用往往要求在初级侧与次级侧之间或次级侧驱动器之间具有高压隔离。

IXIDM1403内部电源为每个通道提供功率高达2 W的隔离电源以驱动上下桥IGBT，并有效将MCU与大功率电路隔离。采用单极性15 V电源供电，可提供+20 V/-5 V电压驱动IGBT栅极以及+3.3 V电压驱动MCU，同时在MCU和栅极驱动器之间以及每个栅极驱动器之间保持高达4 kV的电压隔离。

内置欠压和过压保护功能可防止IGBT在最佳栅极驱动电压范围以外工作，在不考虑问题根源的情况下向MCU告知这类情况，这些问题可能来自隔离层后端的低/高侧IGBT或隔离层前端的初级侧。

通过使用电流检测电阻或监测IGBT退饱和现象，可以实现保护电压阈值为300 mV的过流保护，该功能可在集电极电流超过用户设定值后立即关闭IGBT并通知MCU，由MCU做出适当的反应。

来自外部MCU的TTL电平兼容输入信号用于运行次级驱动器。IXIDM1403实现了双通道双向变压器接口，可将来自MCU的输入命令从初级侧传输到次级侧，同时也可将反馈信号从次级侧传输到MCU。为防止变压器磁芯饱和，异步数据采用窄脉冲方式进行传输。

内置的窄脉冲检测器用于防止将过窄的紊乱PWM输入信号传输到驱动器。脉宽小于100 ns的脉冲输入信号将被抑制，而脉宽大于350 ns的脉冲输入信号将会传输到驱动器。为了避免输入脉冲最大宽度的限制，只有表示输入信号上升/下降沿的短脉冲才从初级侧发出，并在次级侧还原为原始脉冲宽度。

次级侧栅极驱动器将输入的PWM逻辑信号转换为+20 V/-5 V（相对于COMMON）并具有典型的30 A峰值驱动电流能力的双极性栅极驱动信号。通过选择不同值的栅极电阻，独立的正/负栅极驱动器输出可以在没有外部二极管的情况下优化IGBT开通/关断时间。

通道A中的内置死区时间延迟电路具有优先级，可防止上下桥IGBT同时导通。如果通道B已使能而通道A被强制进入开通状态，则通道B立即被禁用，通道A对应的 IGBT以预设的延迟时间开通。通道A变为闲置状态后，通道B（如果处于使能状态）将以相同的延迟时间打开。如果通道A处于使能状态且通道B被强制进入开通状态，则只要通道A保持使能状态，通道B的指令就会被忽略。如果在指令使能通道B完成之前通道A转为闲置状态，此时通道B在通道A变为闲置状态后以预设延迟时间转为使能状态。通过将通道B设置为长期有效且仅运行通道A，此时输入单路信号即可构建半桥结构的IGBT互补开关对。

栅极A和栅极B输出脉冲之间的死区时间由硬件设定为~420 ns。如果运行特定IGBT所需的死区时间大于IXIDM1403中可实现的死区时间，则应由MCU编程或由工厂调整到所需值。

如果模块内部温度超过150 °C，则过温保护功能被触发并关断IGBT，直到温度下降至125 °C以下时才恢复正常工作。如果IGBT组件配备温度传感器，IXIDM1403可以将其信号进行转换并发送给MCU。双通道双向转换接口允许向MCU传输次级侧电源故障和IGBT过流情况等信息。

初级侧的所有故障因素都会导致两个驱动器均禁止执行PWM周期，而次级侧的全部故障因素仅禁止受影响的驱动器执行PWM周期。如果在PWM周期开始之前出现故障，则只要该故障条件存在，PWM周期将被忽略。

IXIDM1403的电源模块可提供高达2W的输出功率并具有启动与运行两种模式。在启动模式下，转换器通过内部振荡器工作，仅激活部分电源开关以降低动态电流消耗/功耗。启动后，转换器激活所有电源开关并进入运行模式，且运行模式会被延迟~1.28ms。在启动模式期间传输被禁用，以最小化次级侧的电流消耗。运行模式开始后，将持续运行直至重新启动，这会使电源模块回到启动模式。

在运行模式下，电源模块可以通过内部或外部时钟运行。在用于电机驱动器等多相式应用时，使用MCU的外部时钟可最大限度地减少IXIDM1403器件之间的噪声干扰。转换器的监视定时器可防止由于外部时钟缺失而造成的潜在损伤。只要外部时钟周期超过监视器40μs的超时设定，转换器就会自动切换到内部时钟。

每个IXIDM1403 IGBT驱动器均包含一个过流（OC）比较器，其相对于COMMON引脚具有300 mV的保护阈值。可以通过在次级具有电流检测输出功能的IGBT使用低值电流检测电阻或利用退饱和监测来实现过流保护。如果发生过流故障，则在PWM周期的剩余时段内将驱动器的输出强制为低电平，在下一个PWM栅极驱动周期开始时恢复正常运行。

由于低感应电压的存在，可能需要在电流检测输入处增加噪声滤波器。OC比较器内部有一个100 pF电容与输入端并联，因此只需要采用一个串联电阻来构建滤波器。为防止误触发，OC比较器输入端在IGBT关断期间接地，并在IGBT导通后立即保持接地3.5 μs。当发生过流故障时，故障输出脉冲发生器会产生一个200 ns的窄脉冲，故障控制逻辑使用该脉冲将故障状态传达给MCU。

IXIDM1403封装尺寸为55x50x28 mm3，其中带有12个引脚、间距1 mm 的FFC连接器可与MCU通信，2路5引脚、2.54 mm间距的接口用于与IGBT之间发/收信号，以及1路2引脚、2.54 mm间距的接口用于将外部温度传感器信号传输到MCU。

图1给出了IXIDM140用于驱动IXYS的2单元IGBT模块MIXA225PF1200TSF的应用示例。

图1：IXIDM1403用于驱动MIXA225PF1200TSF

IXIDM1403采用单极性15 V电源供电，并可驱动2路最大集电极电流高达360 A的1200 V IGBT。这种设计允许MCU告知用户了解初级和次级的欠压或过压情况，以及 IGBT进入退饱和模式时的过载情况。MCU可以通过该模块供电，而不需要另外设置单独的电源。如果用户更倾向于采用外部电源驱动MCU，也可以很容易地实现。此外，IXIDM1403内部逻辑可以使用相同的外部电源进行供电，从而最大限度地降低15 V电源的功耗。

采用IXIDM1403的典型应用设计如图2和图3所示。

图2：三相电动机驱动典型应用电路

图3：全桥逆变器典型应用电路

图4和图5给出了IXIDM1403驱动MIXA225PF1200TSF时的典型性能测试波形。

图4：MIXA225PF1200TSF在IXIDM1403通道A输入单路信号且通道B长期有效时工作在互补模式

输入-输出在上升沿的传输延迟如图4所示，其中各通道定义如下：

通道1（红）：IGBT模块3/4管脚间电压

通道2（绿）：IXIDM1403 通道A输入信号

通道3（紫）：IXIDM1403 通道B输入信号

注：图4中下方波形为上方波形放大10倍后所得。

图5：MIXA225PF1200TSF 在IXIDM1403通道A输入单路信号且通道B长期有效时工作于互补模式

输入-输出在下降沿的传输延迟如图5所示，其中各通道定义如下：

通道1（红）：IGBT模块3/4管脚间电压

通道2（绿）：IXIDM1403 通道A输入信号

通道3（紫）：IXIDM1403 通道B输入信号

注：图5中下方波形为上方波形放大10倍后所得。

作者：IXYS数字电源的Abdus Sattar 博士与Leonid Neyman 博士