CN

应用笔记
在
拓扑内采用
电平模块评估驱动板
门极驱动芯片的
应用笔记
-电平模块
评估驱动板
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2
应用笔记
-电平模块
评估驱动板
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
引言........................................................................................................................................... 4
1.1
产品型号说明........................................................................................................... 5
设计特点................................................................................................................................... 5
2.1
关键数据................................................................................................................... 6
引脚分配................................................................................................................................... 7
3.1
机械尺寸................................................................................................................. 10
评估板功能............................................................................................................................. 10
4.1
电源......................................................................................................................... 10
4.2
输入级..................................................................................................................... 11
4.3
短路检测................................................................................................................. 12
4.4
输出级..................................................................................................................... 12
并联......................................................................................................................................... 13
温度测量................................................................................................................................. 14
电路原理图和布板................................................................................................................. 16
7.1
电路原理图............................................................................................................. 16
7.2
电路布板................................................................................................................. 18
F3L020E07-F-P_EVAL 的材料清单 ..................................................................................... 21
如何订购评估驱动板............................................................................................................. 22
参考文献......................................................................................................................... 22
上述电路板仅专用于实验室环境。其工作于高压条件下,高压侧与板上的
任何部分之间均没有电气隔离,该电路板应由熟悉所有安规的经过认证
的、专业的人员操作。
3
应用笔记
-电平模块
评估驱动板
引言
图 1 所示 3 电平 EconoPACKTM4 模块的评估适配器板 F3L020E07-F-P_EVAL 是为了帮助用
户在使用 EconoPACKTM4 3-电平模块进行初步设计应用而开发的。这一评估板是模块驱动
板 MA3L080E0_EVAL1 的补充设计,或者可以作为用户已有驱动方案的补充部分。关于三
电平拓扑的更多细节,请参考文献[1]。
小批量的评估板,可以由 Infineon 提供。这篇文档的数据手册部分描述了这个评估板的性能
指标,而其余部分提供了一些信息,旨在使用户可以根据他们的特殊需求进行复制,修改和
评估该产品的设计。
F3L020E07-F-P_EVAL 的设计是按数据手册中设计目标提到的有关环境条件实施的。在选择器
件时已考虑符合 RoHS 的规定。该设计已做了如本文档所提到的各种测试,但未经有关制造业
以及在整个工作环境温度范围或全寿命工作下的验证。
由英飞凌提供的此电路板仅经受过功能性测试。
由于其用途,该评估板不像常规产品那样,受到退货分析、流程变更通知、产品回收等流程的
制约。
详细内容请查看英飞凌的保证和责任限制的免责声明和警告。
图 1:评估驱动板 F3L020E07-F-P_EVAL, 适配器板和 EconoPACKTM 4 3-电平模块的评估套件
1
用于 EconoPACKTM 4 的评估适配器板 AN2011-04
4
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-电平模块
评估驱动板
产品型号说明
评估板
适用于 EconoPACKTM 4
功能性隔离
E07-适用于 650V 的 IGBT 模型
输出驱动电流 2A
3 -电平的 EconoPACKTM 4
设计特点
以下部分提供该电路板的概况,包括主要特点、关键数据、引脚分配和机械尺寸。
图 2: 用于 EconoPACKTM4 3-电平模块的评估驱动板 F3L020E07-F-P_EVAL
如图 2 所示的 F3L020E07-F-P_EVAL 驱动板提供了四个独立的通道用于驱动 IGBT。该板是
基于英飞凌的 1ED020I12-F 无磁芯变压器驱动 IC。
5
应用笔记
-电平模块
评估驱动板
该板可作为单一功率模块的驱动器或作为三个并联的 IGBT 模块主要驱动器。该评估板 开
发用于与安装在 3-电平 EconoPACKTM 4 模块上的 MA3L080E07_EVAL 评估适配器一起使
用。F3L020E07-F-P_EVAL 板提供了:
 采用无芯变压器技术实现了功率电路和逻辑控制电路之间的功能性电气隔离
 短路保护和欠压锁定(UVLO)
 两个 IGBT 的有源钳位保护是直接连接到直流母线上的
 驱动器副边的双极性电源为+15V/-8V
 隔离的 IGBT DCB 温度测量
 对于 PWM、RDY 和/FLT 信号为 5V CMOS 正或负输入逻辑电平。
关键数据
表 1 中给出的关键数据和特征值,这些典型值是在环境温度 Tamb= 25°C 时测得的。
表 1:电气参数
参数
说明
参数值
单位
VDD
各通道 IGBT 的正向电源电压
15
V
VEE
各通道 IGBT 的反向电源电压
-8
V
IDD+
各通道 IGBT 的正向电源电流
5
mA
IEE-
各通道 IGBT 的反向电源电流
4
mA
ULS
逻辑电源电压
+5
V
ILOGIC
逻辑电源电流
100
mA
IOUT
各通道的最大输出峰值电流
2
A
tPDELAY
传输延迟时间
200
ns
VDESAT
欠饱和参考电平
9
V
Top
工作温度
-40~+85
°C
该 EconoPACKTM 4 3-电平 IGBT 驱动模块有四个串联的 IGBT。如图 3 给出了这四个 IGBT
的位置及名称,且该名称适用于整篇文档。
3-电平 EconoPACKTM
外高侧 IGBT
外高侧二极管
内高侧 IGBT
内高侧二极管
内低侧 IGBT
内低侧二极管
外低侧 IGBT
外低侧二极管
图 3 :IGBT 模块中各个 IGBT 的名称
6
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-电平模块
评估驱动板
图 4 为评估板的正面图,指出了 F3L020E07-F-P_EVAL 评估板上的各个功能模块。
1:外高侧 IGBT 连接端子
2:内高侧 IGBT 连接端子
3:内低侧 IGBT 连接端子
4:外低侧 IGBT 连接端子
5:外高侧 IGBT 的电源
6:内高侧 IGBT 的电源
7:内低侧 IGBT 的电源
8:外低侧 IGBT 的电源
9:逻辑连接端子
10:供电电源端子
11:温度测量
图4
F3L020E07-F-P_EVAL 评估板上的各个功能模块的正面
图 5 为板的反面图,指出了 F3L020E07-F-P_EVAL 评估板上的各个功能模块。
1:外高侧 IGBT 连接端子
2:内高侧 IGBT 连接端子
3:内低侧 IGBT 连接端子
4:外低侧 IGBT 连接端子
图5
F3L020E07-F-P_EVAL 评估板上的各个功能模块的反面
引脚分配
所有的 PWM 信号、逻辑信号及电源电压引脚分配均列在表 2 到表 5 的表格中:
表 2: 外高侧的 IGBT 连接端子 X6 的引脚分配
引脚名
引脚功能
X6-1
DESTA1
X6-2
OUT_T1
X6-3
-8V_T1
X6-4
GND_ T1
X6-5
+15V _T1
对于并联模块,外高侧的 IGBT 的连接端子 X3,X4 和 X5 的引脚分配同 X6。
7
应用笔记
-电平模块
评估驱动板
表 3:内高侧 IGBT 连接端子 X10 的引脚分配
引脚名
引脚功能
X10-1
NC
X10-2
OUT_T2
X10-3
-8V_T2
X10-4
GND_ T2
X10-5
+15V _T2
对于并联模块,内高侧 IGBT 连接端子 X7、X8 和 X9 的引脚分配同 X10。
表 4:内低侧 IGBT 的连接端子 X14 的引脚分配
引脚名
引脚功能
X14-1
NC
X14-2
OUT_T3
X14-3
-8V_T3
X14-4
GND_ T3
X14-5
+15V _T3
对于并联模块,内低侧 IGBT 连接端子 X11、X12 和 X13 的引脚分配同 X14。
表 5:外低侧的 IGBT 连接端子 X19 的引脚分配
引脚名
引脚功能
X19-1
DESTA4
X19-2
OUT_T4
X19-3
-8V_T4
X19-4
GND_ T4
X19-5
+15V _T4
对于并联模块,外低侧的 IGBT 连接端子 X16、X17 和 X18 的引脚分配同 X19。
8
应用笔记
-电平模块
评估驱动板
表 6:逻辑连接端子 X15 的引脚分配
引脚名
引脚功能
X15-1
+5V
X15-2
S_GND
X15-3
/RST
X15-4
/FLT_T1
X15-5
IN+_T1
X15-6
IN-_T1
X15-7
IN+_T2
X15-8
IN-_T2
X15-9
IN+_T3
X15-10
IN-_T3
X15-11
/FLT_T4
X15-12
IN+_T4
X15-13
IN-_T4
X15-14
TEMP
表 6:供电电源连接端子 X2 的引脚分配
引脚名
引脚功能
X2-1
GND_T3
X2-2
NC
X2-3
-8V_T3
X2-4
+15V_T3
X2-5
NC
X2-6
NC
X2-7
GND_T4
X2-8
+15V_T4
X2-9
-8V_T4
X2-10
NC
X2-11
NC
X2-12
NC
X2-13
GND_T2
X2-14
+15V_T2
X2-15
-8V_T2
X2-16
NC
X2-17
NC
X2-18
NC
X2-19
+15V_T1
X2-20
-8V_T1
X2-21
GND_T1
X2-22
NC
9
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-电平模块
评估驱动板
机械尺寸
图 6 为评估板 F3L020E07-F-P_EVAL 的机械尺寸:
图 6:评估板 F3L020E07-F-P_EVAL 的机械尺寸
评估板功能
如图 7 所示,F3L020E07-F-P_EVAL 适配器板是评估套件的一部分,该评估套件用
于驱动一个 3-电平的 IGBT 模块。该适配器板需能够插入 EconoPACK TM 4 模块中。
图 7:驱动板,适配器板和 3-电平评估套件的 IGBT 模块
电源
对于 IGBT 驱动电路来说,需要有四个外部电源以及外部功率放大电路。这些 8V/+15V
电源通过连接端子 X2 连接到 F3L020E07-F-P_EVAL 板上。
2
EconoPACKTM4 的详细组装说明请参考 AN2010-06
10
应用笔记
-电平模块
评估驱动板
逻辑侧必须通过连接端子 X15 与+5V 的电源连接,进一步的引脚分配如第 9 页的表 6 和表 7。
图 8:F3L020E07-F-P_EVAL 原理框图
3
1ED020l12-F IGBT 驱动器 IC 芯片能够监测电源电压,一旦电源电压低于 UVLO(欠压锁定
电压)参考值就激活 UVLO 实现欠压保护。
一旦驱动芯片发生欠压,为确保所有IGBT的关断顺序正确,重点在于先关断外高侧和外低
侧IGBT。如图8所示,在IGBT驱动器的高端和低端的每个+15V电源线上串联了一个高压阻
断二极管。这将产生一个额外的电压降,以便当驱动电路监测到一个欠压时首先关闭外高侧
和外低侧IGBT。
输入级
该评估驱动板是为3电平IGBT模块的一相桥臂而设计的;因此要用四个单独的PWM信号来驱
动每个IGBT。单个IGBT驱动器的电路原理图如图9所示。
图 9:单个 IGBT 驱动器的输入级电路原理图
3
英飞凌 IGBT 门极驱动 IC1ED020I12-F
11
应用笔记
-电平模块
评估驱动板
可以根据各个客户设计要求选择正或负逻辑。若使用 IN+作为 PWM 的输入,则 IN-引脚需
要通过 RJ1-连接到 S_GND,或者可以作为使能信号引脚。
若使用 IN-作为 PWM 输入,则 IN+引脚需要通过 RJ1+连接到+5V 的电源,或者它可以作为
使能信号引脚。
如果逻辑控制侧的电源电压超过 VUVLOL14 和高压侧电源电压超过 UUVLOL25,如图 10 所示的
IGBT1 到 IGBT4 的绿色 RDY LED 灯亮。
短路检测
短路通过外高侧和外低侧驱动通道分别单独检测。每两个驱动通道都提供一个独立的故障信
号,但它们共用一个复位输入。故障处理必须成为特殊功能控制的一部分。
当发生短路时,1ED020I12-F 的欠饱和保护电路检测到 IGBT 的电压升高,关闭 IGBT。这
个故障被报告到驱动器的一次侧作为一个低驱动信号。如图 10 所示的 FLT_T1 或 FLT_T4
的红色 LED 灯用来显示故障状态。只要没有复位信号作用于驱动器,故障状态保持为有效。
其中/FLT 是低电平有效的。
图 10:F3L020E07-F-P_EVAL 上状态 LED 的位置
输出级
如 图 7 所 示 , F3L020E07-F-P_EVAL 直 接 插 到 3- 电 平 EconoPACKTM 4 模 块 上 与
MA3L080E07_EVAL 评估模块适配器相连接。MA3L080E07_EVAL 评估板由一个有源功率
放大电路构成,是用来给驱动 IGBT 模块提供所要求功率。
图 11:单个 IGBT 驱动器输出级的电路原理图
4
1ED020I12-F 的低侧欠压锁定
5
1ED020I12-F 的高侧欠压锁定
12
应用笔记
-电平模块
评估驱动板
并联
如图 7 所示的 F3L020E07-F-P_EVAL 可以与单个评估适配器板 MA3L080E07_EVAL 一起使
用或者如图 12 所示可以与多达三个以上的 MA3L080E07_EVAL 模块并联连接。对于并联,
驱动板不需要插入到适配器板上,只需利用驱动板顶部的连接端子就可以实现从驱动板到适
配器板的连接,如图 13。
图 12:3 个 EconoPACKTM 4 模块并联连接示意图
图13给出了三个IGBT模块的并联连接。在这种情况下,要保证驱动板和适配器板之间的门
极连接线长度相同,从而使得三个IGBT的门极信号传递时间相同。星形连接的IGBT减少了
IGBT开关切换后经过发射极线路中的交叉电流(cross flow)。F3L020E07-F-P_EVAL驱动板
允许驱动控制多达三个并联的IGBT。
图 13:由 1 个 F3L020E07-F-P_EVAL 驱动板带 3 个 MA3L080E07_EVAL 适配器板驱动的 3 个
EconoPACKTM4 IGBT 模块并联连接
13
应用笔记
-电平模块
评估驱动板
温度测量
TM
基于内置在 EconoPACK 4 中的 NTC,驱动板可以测量范围为-40°C-150°C 的 IGBT 的基板温
度。评估驱动板上的温度测量电路是采用 Sigma /Delta 转换器。因此,使用数字信号处理
温度是有优势的,不需要特殊硬件电路,而且后续的数字信号处理误差低。用如图 14 所示的
电路可以产生一个模拟信号。
图 14:将Σ/Δ数据流转换成模拟电压的电路原理图
表 8:Σ/Δ -模拟转换器器件清单
类型
数量
数值
封装
器件标号
电容
1
100n/50V/X7R
C0603
C1
电容
1
1n/50V/C0G
C0603
C2
电容
1
10n/50V/X7R
C0603
C3
电容
1
100p/50V/C0G
C0603
C4
放大器
1
SOIC08
IC1
AD8542ARZ
推荐产商
Analog
Devices
电阻
2
39k
R0603
R1, R5
电阻
2
100k
R0603
R2, R6
电阻
2
22k
R0603
R3, R4
电阻
1
10R
R0603
R7
设计中使用的所有电子器件都是无铅的且满足 260°C 温度的焊接。电阻值的精度应该小于
等于±1 %,COG 贴片电容值精度应该小于等于±5 %,X7R 贴片电容值精度应该小于等于±10 %。
使用基板温度和热模型,可以估计模块的结温。热模型的复杂性取决于应用和散热条件以及
有关精度和动态响应要求。在出现断路情况下,输出电压将低至 0 V。输出电压和基板温度
的之间关系如图 15 所示。
14
应用笔记
-电平模块
评估驱动板
温度测量
图 15:温度测量特性
注意:不能通过检测温度来检测短路或短时过载,但是可以用于长期过载条件下以及冷却系统失
效时保护模块。
15
应用笔记
-电平模块
评估驱动板
电路原理图和布板
为了满足不同客户的要求,把评估板作为进一步开发和修改应用的基础,本章节给出所有必
需的技术性资料,包括电路原理图,PCB 布板和器件清单等。
电路原理图
图 16 描述了外高侧和外低侧 IGBT 驱动电路。
图 16:外高侧与外低侧 IGBT 驱动电路原理图
图 17 展示了内高侧和内低侧 IGBT 的驱动电路。
图 17:内高侧与内低侧 IGBT 驱动电路原理图
16
应用笔记
-电平模块
评估驱动板
如图 18 为采用Σ/Δ转换器的温度测量电路原理图。
图 18:温度测量电路原理图
图 19 给出了电源连接端子 X2 和逻辑连接端子 X15 的引脚分配。
图 19:电源连接端子 X2 与逻辑连接端子 X15
图 20 详细介绍了 IGBT 门极连接端子的引脚分配。
图 20:门极信号连接端子
17
应用笔记
-电平模块
评估驱动板
电路布板
图 21:F3L020E07-F-P_EVAL 正面器件布置
图 22: F3L020E07-F-P_EVAL 底面器件布置
18
应用笔记
-电平模块
评估驱动板
图 23:F3L020E07-F-P_EVAL 顶层布板
图 24:F3L020E07-F-P_EVAL 底层布板
19
应用笔记
-电平模块
评估驱动板
图 25:F3L020E07-F-P_EVAL 第二层布板
图 26:F3L020E07-F-P_EVAL 第三层布板
20
应用笔记
-电平模块
评估驱动板
的材料清单
该材料清单包含器件列表和装配的清单。
电阻值的精度应该小于等于±1 %,COG贴片电容值精度应该小于等于±5 %,X7R贴片电容值精
度应该小于等于±10 %。
类型
数值/型号
封装
数量
器件标号
建议产商
电阻
0R0
R0603
9
R37, RJ1+, RJ1- RJ2+, RJ2-,
-
电阻
39R
R0805
2
R2, R24
-
电阻
100R
R0603
8
R4, R5, R11, R12, R18,R19,
-
电阻
270R
R0603
1
R35
-
电阻
820R
R0603
1
R32
-
电阻
1k
R0805
4
R8, R15, R22, R30
-
电阻
1k2
R0603
1
R31
-
电阻
2k2
R0603
2
R33, R34
-
电阻
4k7
R0603
6
R3, R9, R10, R16, R17,R25
-
电阻
4k7
R0805
3
R38, R39, R40
-
电阻
10k
R0603
10
R1, R6, R7, R13, R14,R20, R21,
-
电阻
39k
R0603
1
电容
4µ7/25V/X7R
C1206
17
RJ3+, RJ3-, RJ4+,RJ4-
R26, R27
R23, R28, R29
R36
-
C3, C4, C7, C8, C14, C15, C18,
Murata
C19, C25, C26, C29, C30 , C37,
C38, C41, C42,C54
电容
1µ/25V/X7R
C0805
2
电容
100n/50V/X7R
C0603
14
C47, C48
Murata
C2, C6, C12, C13, C17, C23,
Murata
C24, C28, C34, C36,C40, C46,
C49, C52
电容
10n/50V/X7R
C0603
3
C50, C51, C53
Murata
电容
100p/50V/C0G
C0603
4
C11, C22, C33, C45
Murata
电容
220p/50V/C0G
C0603
2
C1, C35
Murata
电容
470p/50V/X7R
C0603
4
C10, C21, C32, C44
Murata
半导体
BAT165
SOD323R
4
D1, D2, D10, D11
Infineon
半导体
ES1D
DO214AC
2
D3, D12
Vishay
半导体
BC846
SOT23
4
T2, T3, T4, T6
-
半导体
BC856
SOT23
4
T1, T5
-
半导体
1ED020I12-F
P-DSO-16
4
U1, U3, U5, U7
Infineon
21
应用笔记
-电平模块
评估驱动板
类型
数值/型号
封装
数量
器件名称
半导体
ZMR500FTA
SOT23
1
U9
Diodes
半导体
AD7400YRWZ
P-DSO-16
1
U10
-
半导体
SN74LVC1G17DB
SOT23-5
1
U11
-
半导体
TLV431BIDCKT
SC70-6L
1
IC1
-
半导体
LEDCHIPLED_GREEN
0805
4
RDY_T1,
半导体
LEDCHIPLED_RED
0805
2
/FLT_T1,
连接端子
TYCO/AMP 1-1634688-4
1
X15
TYCO/AMP
连接端子
MOLEX
22022025
4455-2
1
X1
Molex
连接端子
MOLEX
43045-2216
MICROFIT
1
X2
Molex
连接端子
MOLEX
22022055
4455-5
4
X6,
连接端子
MOLEX
22232051
PITCH
K
X3,
建议制造商
RDY_T2,RDY_T3,
RDY_T4,
-
/FLT_T4
X10, X14,
X4,
X5,
-
X19
X7,
Molex
X8,
X9,
12
Molex
K
X11,
12, X13,
X16,
X17,X18
如何订购评估驱动板
每一套驱动电路评估板都有自己的
在英飞凌网页
订购编号,可通过您的英飞凌销售合作伙伴订购。
上可以找到有关信息。
根据您的要求,电路板的
数据也可为您提供。使用这些数据将受本应用手册中的免责声明保
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F3L020E07-F-P_EVAL IFX 订单号为:36294
MA3L080E07_EVAL IFX 订单号为:36293
参考文献
Zhang Xi, Uwe Jansen, Holger Rüthing: ‘IGBT power modules utilizing new 650V IGBT3 and
Emitter Controlled Diode3 chips for 3-Level converter’ ISBN: 978-3-8007-3158-9 Proceedings
PCIM Europe 2009 Conference
Infineon Technologies, AN2009-10, ‘Using the NTC inside a power electronic module’,
www.infineon.com
Infineon
Technologies,
AN2011-04,
‘Evaluation
EconoPACKTM4’, www.infineon.com
22
Module
Adapter
Board
for
3-Level
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