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 版本 年 月 日 英飞凌科技股份公司印制 英飞凌科技股份公司版权所有, 年。 保留所有权利。 免责声明 本应用文档中给出的信息仅作为关于使用英飞凌科技组件的建议,不得被视为就英飞凌科技组件的任何特定功能、条件或质量 作出的任何说明或保证。本应用文档的使用者必须在实际应用中验证本文档描述的任何功能。英飞凌科技在此声明,未就本应 用文档中给出的任何及所有信息作出任何性质的保证,也不承担任何性质的责任,包括但不限于没有侵犯任何第三方的知识产 权的保证。 为方便客户浏览,英飞凌以下所提供的将是有关英飞凌产品及服务资料的中文翻译版本。该中文翻译版本仅供参考,并不可作 为任何论点之依据。虽然我们尽力提供与英文版本含义一样清楚的中文翻译版本,但因语言翻译和转换过程中的差异,可能存 在不尽相同之处。因此,我们同时提供该中文翻译版本的英文版本供您阅读,请参见【 】 。并且,我们在此提醒客户,针对同样的英飞凌产品及服务, 我们提供更加丰富和详细的英文资料可供客户参考使用。请详见【 】 客户理解并且同意,英飞凌毋须为任何人士由于其在翻译原来的英文版本成为该等中文翻译版本的过程中可能存在的任何不完 整或者不准确而产生的全部或者部分、任何直接或者间接损失或损害负责。英飞凌对于中文翻译版本之完整与正确性不担负任 何责任。英文版本与中文翻译版本之间若有任何歧异,以英文版本为准,且仅认可英文版本为正式文件。 您如果使用以下提供的资料,则说明您同意并将遵循上述说明。如果您不同意上述说明,请不要使用本资料。 信息垂询 若需获得关于技术、交付条款和价格的更多信息,敬请联系距离您最近的英飞凌办事处( ) 警告 由于技术要求,组件可能包含有害物质。若需了解相关物质的类型,请联系距离您最近的英飞凌办事处。如果可以合理地预计 英飞凌的某个组件失效可能会导致生命支持设备或系统失效,或者影响该等设备或系统的安全性或有效性,那么在将这些组件 用于生命支持设备或系统之前,必须获得英飞凌的明确书面同意。生命支持设备或系统意指用于植入人体内部,或者支持和 或维持、维系和 或保护人类生命的设备或系统。如果这些设备或系统失效,可以合理推定其用户或其他人的健康将受到威胁。 修订记录:日期( 年 月 日) , 先前版本:无 主题:无 作者: ( ) 欢迎提出意见和建议 您是否认为本文档中的任何信息存在错误、含糊不清或遗漏?您的宝贵意见和建议将帮助我们持续不断地改进本文档的质量。 请将您的意见和建议(请注明本文档的索引号) ,发送电子邮件至: 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 应用笔记 -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 应用笔记 -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 应用笔记 -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 护。 请您联系 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