CN

AN2010-03
7ED020E12-FI-U1 – 采 用 2ED020I12-FI 驱 动 芯 片 的
Sm ar t PIM1 模块评估板
IFAG IMM INP M AE
1
Application Note AN 2010-09
V1.0, Dec. 2010
版本 2010-05-07
英飞凌科技股份公司出版
德国泰因 59568 英飞凌科技股份公司 2010
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Mo d u les w it h 2ED020I12-FI d r iver ICs】。并且，我们在此提醒客户，针对同样的英飞凌产品及
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Syst em s】
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AN2010-03
修订记录：V1.0 日期（2010-08-13）
先前版本：无
页码：科目（上一次修订的主要变动）
第一版
作者：Alain Sian i(IFAG IMM INP M AE)
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2
Application Note AN 2010-09
V1.0, Dec. 2010
SmartPIM1的驱动评估板
目录
1
引言 ..................................................................................................................................................... 4
2
2.1
2.2
2.3
2.4
设计特点 ............................................................................................................................................. 5
主要特点 ............................................................................................................................................. 5
引脚分配 ............................................................................................................................................. 5
机械尺寸 ............................................................................................................................................. 6
SmartPIM1 模块的装配 ..................................................................................................................... 6
3
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
应用笔记 ............................................................................................................................................. 7
开关特性 ............................................................................................................................................. 8
过流和短路保护 ................................................................................................................................. 9
制动斩波 ........................................................................................................................................... 10
过温保护 ........................................................................................................................................... 10
/故障输出 .......................................................................................................................................... 10
电流有效值和直流环节电压限制 ................................................................................................... 10
电路板启动时的浪涌电流指示 ....................................................................................................... 10
冷却条件 ........................................................................................................................................... 10
4
4.1
4.2
4.3
电路原理图, 布板和材料清单 .........................................................................................................11
电路原理图 ........................................................................................................................................11
布板 ................................................................................................................................................... 14
材料清单 ........................................................................................................................................... 16
5
如何订购评估板 ............................................................................................................................... 17
产品编号说明
7ED
020
E12
-FI
-U1
SMARTPIM1 封装
功能隔离
适用于 1200V 模块
2A 驱动芯片
7 通道评估板
警告
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的经过认证的、专业的人员操作。
3
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SmartPIM1的驱动评估板
1
引言
开发如图 1 所示的用于 Sm ar t PIM1 模块的驱动评估板 7ED020E12-FI-W2 目的是为了支持客户在采用该
模块时的初步应用设计。飞凌公司可提供少量的该驱动电路板。在本文档数据手册章节中给出了驱动板器
件的特性，而其它部分章节提供的信息是为了客户能够根据他们各自的需求复制、修改以及可用于生产的
设计。小批量的评估板，可以由 In f in eo n 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。
7ED020E12-FI-W2 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 Ro HS 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 用于 SmartPIM1 模块的 2ED020I12-FI-U1 驱动评估板
4
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SmartPIM1的驱动评估板
设计特点
2
以下部分提供该驱动电路板的概况，包括主要特点、关键数据、引脚分配和机械尺寸。
主要特点
2.1
驱动评估板 7ED020E12-FI-U1 包含四个英飞凌（In f in eo n ）无芯变压器集成电路 2ED020I12-FI 和
一个英飞凌的 Sm ar t PIM1 模块，Sm ar t PIM1 模块包含一个 B6 二极管整流桥，一个制动斩波器和
六个逆变器的 IGBT。图 2 展示了评估板的功能组。
图 2 评估板 7ED020E12-FI-U1 的功能组
该评估板具有以下特点：





2.2
整流桥、制动斩波器和逆变器集成在一个 Sm ar t PIM1 模块中；
高端与低端之间是通过无芯变压器技术实现功能性隔离；
短路和过流保护
过温保护
过压保护
引脚分配
所有的 PWM 信号引脚和供电电压引脚都是采用 X4 和 X5 插座，引脚分配由下表给出：
5
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表 1 X4 和 X5 插座的引脚分配
引脚名称
引脚功能
X5-1
PWM_TOP_U
X5-2
PWM_BOT_U
X5-3
PWM_TOP_V
X5-4
PWM_BOT_V
X5-5
PWM_TOP_W
X5-6
PWM_BOT_W
X5-7
En ab le
X5-8
/Fau lt o u t p u t
X5-9
GND
X4-1
Po w er su p p ly 15V
X4-2
GND
2.3
图3
2.4
机械尺寸
7ED020E12-FI-U1 机械尺寸
SmartPIM1 模块的装配
Sm ar t PIM1 的独特之处在于结合了压装和单步装配散热片，如 AN2009-09 中所介绍。
6
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SmartPIM1的驱动评估板
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应用笔记
该评估板由一个在 X4 插座上的外部+ 15V 单电源供电，再用一个线性稳压器（IC8）把+ 15V 电压转换得
到的 5V 电压用作逻辑选择器（IC5、IC6）、定时器（IC8）和比较器（IC1~ IC4）的供电。默认情况下，
采用升压自举电路为高压侧的 IGBT 驱动电路供电。X1、X2 和 X3 插座提供了三个可供选择的外部电源为
高压侧的 IGBT 驱动电路供电，以升压自举电路。
下表给出低/高电平有效配置的真值表
表 2 低/高电平有效设置
µ控制器
J1
X5-7 (使能)
输出低、输出高
X5-1…X5-6= 0
1-2引脚跳线 (低有效)
0
1
X5-1…X5-6= 0
1-2引脚跳线 (低有效)
1
0
X5-1…X5-6= 0
2-3引脚跳线(高有效)
0
0
X5-1…X5-6= 0
2-3引脚跳线 (高有效)
1
0
X5-1…X5-6= 1
1-2引脚跳线 (低有效)
0
0
X5-1…X5-6= 1
1-2引脚跳线 (低有效)
1
0
X5-1…X5-6= 1
2-3引脚跳线 (高有效)
0
0
X5-1…X5-6= 1
2-3引脚跳线 (高有效)
1
1
此外，采用电子电路实时检测短路、过流和过温现象。一旦出现故障，定时器输入将从高电平触发为低电
平，并将定时器输出置为高电平，此高电平信号使Q1、Q2导通，Q1将故障信号送至X5-8引脚，Q2通过/SD
输入引脚侧关断所有驱动电路，定时器输出引脚经过一个定义的延迟时间t = R17 • C32 • 0.69以及当电
压低于VCC的电压的1/3时，复位为低电平。如果输入的触发脉冲仍然保持低电平信号，则定时器将等待，
直到触发输入脉冲变为高电平信号。
7
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3.1
开关特性
采用FP35R12U1T4模块的开关特性是通过双脉冲测试得到，下列波形图给出了在标称电流为35A的情况
下的开关特性，测试条件分别为25° C,125° C和150° C，600V直流母线电压和6Ω门极电阻。
图 4
25°C 条件下 FP35R12U1T4 的开通 (左图) 和关断(右图)特性波形图
图 5
125°C 条件下 FP35R12U1T4 的开通 (左图) 和关断(右图)特性波形图
图 6
150°C 条件下 FP35R12U1T4 的开通 (左图) 和关断(右图)特性波形图
在 25° C, 125° C an d 150° C 条件下的开关损耗 Eo n 和 Eo f f 可由这些波形图计算得到。
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表 3 FP35R12U1T4 的开关能量
温度
Eo n 数据手册
Eo n
Eo f f 数据手册
Eo f f
@ Ls = 35n H
@ Ls = 83n H
@ Ls = 35n H
@ Ls = 83n H
@25° C
1.9m J
2.5m J
2m J
2m J
@125° C
2.9m J
3.5m J
2.9m J
2.96m J
@150° C
3.15m J
3.9m J
开关损耗可与数据手册中给出的值进行比较
3.2m J
3.25m J
此外，从图中可看到在开通瞬间的没有寄生开关现象。
3.2
过流和短路保护
并联分流电阻上的电压经过RC（R19、C12）滤波后送入运放OP31、OP4。OP3设计为同相放大器，OP4设
计为反相放大器，二极管D12和D13用于检测双运放输出的最高电压，因此过流保护也同样为直流环节的
正向和反向电流提供保护。CP3将比较放大器OP3输出的电压与参考电压进行比较来实现过流检测，而CP4
则检测短路电流。CP3和CP4最基本的区别在于比较的参考电压和输入端RC滤波器的时间常数。一旦检测
到的过流或短路电流超过阈值，则相应的比较器输出变为低电平并触发定时器的输入端（IC8，引脚2）。
下面做了一个典型的短路测试。
图 7 25°C (左图) 和 125°C (右图)条件下的短路测试
为了改变过流检测的阈值，必须对CP3的参考电压进行调整，例如增大（减小）R27将会增大（减小）阈
值。为改变时间阈值，必须对RC电路的R25和C33进行调整，例如增大（减小）R25将增大（减小）时间
值。为了改变短路电流检测的阈值，必须对CP4的参考电压进行调整，例如增大（减小）R29将会增大（减
小）阈值。为改变时间阈值，必须对RC电路的R26和C34进行调整，例如增大（减小）R26将增大（减小）
时间值。
1
注：OP3意思是指集成在IC3里运算放大器。其它的CPS和OPS也采用同样方式命名。
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3.3
制动斩波
直流环节母线电压通过电阻R36~ R44等比例减小到一个低电压，得到的电压通过CP2与一个参考电压进
行比较。一旦直流环节的母线电压高于阈值，则CP4的输出将驱动IC4的低端驱动电路，使其开通制动斩波
器的门极。CP2由R47定义为一个滞环比较器。为了改变斩波制动器直流环节母线电压检测的阈值，必须
对CP2的参考电压进行调整，例如增大（减小）R46将会增大（减小）阈值。滞环比较器的最高和最低阈
值由R47决定。
3.4
过温保护
通过模块里的内置负温度系数热敏电阻NTC监测底部铜板平面的温度，而且一旦发生过温现象，驱动器将
被关闭。负温度系数热敏电阻NTC连同R31构成一个分压器，分压器输出的电压将送给CP1并与一个基准
电压进行比较，该基准电压由一个包含R32和R33的分压器确定。一旦发生过温现象，则CP1的输出将转
换为低电平并触发定时器从而关闭驱动电路。
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。
3.5
/故障输出
一旦发生短路、过流或过温现象，则X5-8的/f ault 引脚将转换为低电平，从而向单片机报告一个错误信息，
经过一个已定义的延迟时间t = R17* C32之后，如果故障条件已经不存在，则驱动器将会重新开启。因此
一旦发生故障，单片机收到错误信号并且通过程序执行相应的保护措施将是十分重要的。
3.6
电流有效值和直流环节电压限制
电路板上的电流有效值限制为10A
直流环节电压的最高值限制为800V，通过与一个制动电阻连接，制动斩波器将通过3.3节所述的设定值对
直流环节电压进行限制。
3.7
电路板启动时的浪涌电流指示
电路板上带有内置的热敏电阻来防止电路板插电时整流二极管因浪涌电流而损坏。在电路板的插头接入电
源时，此时由于热敏电阻仍处于冷态，则输入电流将被限制。过一段时间后，热敏电阻将会发热，阻值将
减小，从而给电路板提供一个低阻抗的电源。
注意: 经过一段时间的工作之后，热敏电阻将会发热且阻值较低。如果将电路板与电源断开
并立即再次连接，将会由于较大的浪涌电流而损坏整流二极管。
3.8
冷却条件
该电路板未提供散热片，但是电路板本身工作时需要散热片，为了确定散热片的尺寸，建议您参考英飞凌
的IPOSIM软件。
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4
电路原理图, 布板和材料清单
以下章节将提供7ED020E12-FI-W2的电路原理图、布板和材料清单的资料。
4.1
电路原理图
图 8 输入级
图 9 驱动级
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图10 功率级
图11 故障定时器
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图12 过压、过流、短路和过温保护电路
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4.2
布板
图13 顶层布板
图14 第2层布板
14
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图15 第3层布板
图16 底层布板
15
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4.3
材料清单
类型
数量
数值
封装型号
标号
跳线
1
电容
1
1µ
1206
C33
电容
5
1n
1206
C21, C27, C28, C34, C36
电容
3
2.2µ
钽电容, size D
C6, C12, C18
连接器
1
9POL2.54
9POL2.54
X5
电容
3
10n
1206
C29, C31, C35
电容
1
33n
1206
C26
电容
1
47µ
CPOL-EUE2,5-6E
C23
电容
9
100n
C-EUC1206K
电容
4
4u 7
C-EUC1206K
电容
11
330p
C-EUC1206K
连接器
4
2POL2.54
2POL2.54
J1
C4, C10, C16, C24, C25,
C30, C32, C37, C38
C5, C11, C17, C22
C1, C2, C3, C7, C8, C9,
C13, C14, C15, C19, C20
X1, X2, X3, X4
Tab t er m in als, t yp e
连接器
10
Vo g t 3866G.68
B, L1, L2, L3, N, P, P1, U, V, W
(F061.080)
R1206 f r o m TT
电阻
3
10R
Elect r o n ics, ser ies: R64, R65, R66
R50, R51, R52
电阻
3
2R2
PWC.
NTC_EPCOS
电阻
3
2k
1206
R16, R34, R48
电阻
1
3.3k
1206
R44
电阻
1
5.1k
1206
R18
电阻
1
8.2k
1206
R46
电阻
1
9.1k
1206
R21
电阻
3
10k
1206
R22, R25, R49
电阻
1
13k
1206
R27
电阻
1
15k
SOMC1601
RN1
电阻
10
15k
1206
R9, R10, R11, R12, R13,
电阻
1
18k
1206
R14, R15
R30
电阻
1
18m
5020
R8
电阻
1
22k
1206
R45
电阻
1
27k
1206
R28
电阻
1
33k
1206
R33
电阻
1
56k
1206
R35
电阻
1
82k
1206
R20
16
Application Note AN 2010-09
V1.0, Dec. 2010
SmartPIM1的驱动评估板
电阻
11
100R
1206
R53, R54, R55, R56, R57, R58,
R59, R60, R61, R62, R63
电阻
1
100k
1206
R23
电阻
1
150k
1206
R47
电阻
2
470R
1206
R19, R31
电阻
1
560k
1206
R17
电阻
8
680k
电阻
1
820R
半导体器件
4
2ED020I12-F
1206
PG-DSO-18-2
半导体器件
2
74AC86D
14-SOIC
IC5, IC6
半导体器件
1
78L05
SO-8
IC7
半导体器件
5
BCR533
SOT23
Q1, Q2, Q3, Q4, Q5
半导体器件
7
BZV55C16
D-SOD-80
D4, D5, D6, D7, D8, D9,
R36, R37, R38, R39, R40,
R41, R42, R43
R26
IC1, IC2, IC3, IC4
半导体器件
1
LMC555
SO-8
D10
IC8
半导体器件
2
LS103A
D-SOD-80
D12, D13
半导体器件
3
STTA112U
SMB
D1, D2, D3
FP35R12U1T4
Sar t PIM1 IGBT
IFX1
半导体器件
外壳
1
门级驱动电阻列表
Par t t yp e U1T4
门极电阻推荐值
封装
标号
FP25R12U1T4
10R
1206
R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7
FP35R12U1T4
6R
1206
R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7
5
如何订购评估板
每一套驱动电路评估板都有自己的IFX订购编号，可通过您的英飞凌销售合作伙伴订购。
在英飞凌网页w w w .in f in eo n .co m 上可以找到有关信息。
根据您的要求，电路板的CAD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护。
请您联系: WAR-IGBT.Ap p licat io n @in f in eo n .co m
7ED020E12-FI-U1的IFX订购编号: 35027
17