CN

AN2011-01
MA400E12/17 与 MA401E12/17
–用于 IHM IGBT 模块的模块适配板
IFAG IMM INP M AE
Application Note AN 2011-01
V1.0, Jan. 2011
用于 IHM IGBT 模块的
模块适配板
版本 2011-01-17
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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AN 2011-01
修订记录: 2011-01, V1.0
先前版本: 无
上一次修订的主要变动：无
作者：Alain Sian i (IFAG IMM INP M AE)
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用于 IHM IGBT 模块的
模块适配板
目录
1
引言 .......................................................................................................................................................... 4
2
设计特点 .................................................................................................................................................. 5
2.1
主要特点.......................................................................................................................................... 5
2.2
关键数据.......................................................................................................................................... 5
2.3
机械尺寸和装配过程 ...................................................................................................................... 5
2.4
引脚分配 .......................................................................................................................................... 6
3
电气特性 .................................................................................................................................................. 7
3.1
电路板实现的功能 ......................................................................................................................... 7
3.2
门极电阻.......................................................................................................................................... 8
3.3
门极信号放大器 .............................................................................................................................. 8
3.4
通过监测 VCE 值来检测短路 .......................................................................................................... 9
3.5
有源电压箝位 – 改进型 ................................................................................................................ 9
3.6
最高开关频率 ................................................................................................................................ 10
3.8
并联工作 ........................................................................................................................................ 12
4
电路原理图和布板 ................................................................................................................................ 13
4.1
电路原理图.................................................................................................................................... 13
4.2
装配图 .......................................................................................................................................... 14
4.3
电路布板........................................................................................................................................ 14
4.4
材料清单 – MA400E12_EVAL / MA401E12_EVAL ................................................................. 15
4.5
材料清单 – MA400E17_EVAL / MA401E17_EVAL .................................................................. 16
5
如何订购评估板 .................................................................................................................................... 17
产品型号说明
MA
40
X
Exx
E12代表1200 V IHMA和IHMB
E17代表1700 V IHMA和IHMB
0代表140mmx130mm单开关IHMA和IHMB
1代表140mmx190mm单开关IHMA和IHMB
40 A驱动电流输出
MA模块适配器板
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用于 IHM IGBT 模块的
模块适配板
1
引言
MA40xE12与MA40xE17适配器评估板是针对1200V和1700V的单开关IHM模块的驱动而开发的，适配器
板 集 成 了 一 个 有 源 功 率 放 大 电 路 和 外 加 短 路 保 护 以 保 证 IGBT 的 简 单 易 用 和 优 化 的 功 能 。 与
2ED300E17-SFO适配器评估板和2ED300C17-S 或 -ST EiceDRIVER™结合起来，就可以将该适配器评估
板变成灵活的驱动套件。该灵活的适配器评估板是专门用于单模块的工作。一旦IHM模块并联工作时，需
要一个2ED300E17-SFO适配器板和一个2ED300C17-S驱动器连接来实现三模块的并联，且每个模块都装
配有一块MA40xExx。
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。
MA40xExx 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
b) 用于IHM模块的驱动套件
a) MA400E12模块适配器板
4
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设计特点
2
评估板的电气特性和机械尺寸，包括所需的接口连接方式将在以下章节介绍。
主要特点
2.1
MA40xExx模块适配器板有以下特点：







电 气 特 性 和 机 械 特 性 都 适 合 满 足 IHM 模块系列
设 计 的 目 标 工 作 温 度 ： -55° C至85° C
开通和关断过程可以设置不同的门极驱动电阻值
通 过 有 源 箝 位 保 护 了 IGBT在 关 断 期 间 的 暂 态 过 电 压
采 用 二 极 管 监 控 IGBT的 欠 饱 和 ， 实 现 短 路 保 护
除 了 接 插 口 外 ， 所 有 器 件 都 是 采 用 2 6 0 ° C无 铅 焊 接 的 表 面 贴 装 器 件 （ SM D） 。
PCB设计满足IEC61800-5-1, 污染级别2, 过压种类III (爬电距离 – 11m m )的要求。
如果MA40xExx没有与2ED300E17-SFO适配器板和2ED300C17-S /-ST EiceDRIVER™一起使用，以下这
些额外特性可能有用：




功率放大电路的输入电阻为90Ω
可用最高为± 20V的隔离电源供电。由于IGBT的短路性能，推荐的VGE最大值为15V
允 许 不 对 称 的 正 负 供 电 电 源 ， 例 如 -8 V和 + 1 5 V
输入的PWM电压等级应根据供电电源的电压等级进行选择，如果采用了-8V/+ 15V 供电电压，则
PWM信号不能高于+ 15V且不能低于-8V
关键数据
2.2
下表给出的数值为典型值，是在环境温度为TA = 25° C下测量的
表 1
常规关键数据和特征值
参数
VDC
IG
说明
最大直流电压
输出峰值电流
数值
±20
±40
VDC= ± 15V时最小门极阻值 (内部模块电阻RINT
RGm in
+ 外部模块电阻REXT)
PDC/DC
fS
T op
T sto
DC/DC变换器各通的最大输出功率 1
最大PWM信号频率
工作温度(设计目标)2
储存温度 (设计目标)
0.1
4
60
-55…+ 85
-55…+ 85
1
仅当MA400Exx与2ED300E17-SFO适配器板和2ED300C17-S Ei ce DRIVER™一起使用时
2
最高环境温度严格取决于MA40xExx负载情况
2.3
单位
V
A
W
kHz
°C
°C
机械尺寸和装配过程
3
MA40xExx必须根据应用笔记AN2004-05 ，用螺钉拧紧在IHM的辅助端上。在这种方式下，模块适配器
与模块本身所需的连接应按如图2所示进行正确操作。
5
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图 2
MA400E12在 IHM模块上的正确装配
为更好的系统集成所需的 PCB 外形和相关尺寸如图 3 所示。
图 3
MA400E12/17 模块适配器板的尺寸
MA400Exx与MA401Exx在机械上的不同之处在于门极与发射级螺栓端子的位置，这是根据相应的IHM模
块尺寸确定的。
3
AN2004-05: ：IHM的装配过程可从英飞凌的网站上获取。
2.4
引脚分配
模块适配器板正确安装在IHM模块上之后，所有外部电气控制信号将通过接口X2连接，如图4所示和表2
所列。
如果MA40xExx结合2ED300E17-SFO一起使用，模块驱动所需要的控制信号应该与AN2007-05.中所述
的2ED300E17-SFO的输入接口相连接。在这种情况下，模块与IGBT驱动器之间不需要额外的连接。
6
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图 4
2ED300E17-SFO与MA400Exx 或者MA401Exx之间的连接
表 2
MA400Exx and MA401Exx的外部电气信号描述
引脚
X2.1
X2.2
X2.3
X2.4
标签
VCESAT
VGE
VDCCOM
功能
欠饱和电压监测输出
门极-发射级信号源
隔离的DC/DC负供电电压
辅助发射级和和供电电源的地
X2.5
VDC+
隔离的DC/DC正供电电压
电气特性
3
以下章节详细介绍了适配器板相关电气特性。
电 路板实现的功能
3.1
MA400Exx 或 MA401Exx提供以下功能：


有可能采用不同的门极电阻开通和关断功率模块
拥 有 一 个 4 0 A输 出 电 流 的 双 极 性 功率放大电路级
7
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

通 过 监 测 VCE值 来 检 测 短 路
有源箝位
图5标出了MA40xExx各功能模块及其所在的位置
功率放大电路
可选的接在门极和
可选的接在门极和
发射极之间的电阻
发射极之间的电 容
阻
图 5
3.2
有源箝位二极管
门极驱动电阻
连接器 X2
MA40xExx的功能块标示
门极电阻
所有的MA40xExx在装配和交付时均不焊接门极电阻，如图5所示。客户必须根据使用的IGBT模块情况选
择焊接正确的门极电阻。
在开通门极电阻RGo n 和关断门极电阻RGo f f 的阻值不同时，需要焊接二极管D25，以分别调整RGo n 和RGo f f
的阻值。
3.3
门极信号放大器
4
在IGBT开通或关断时，需要从驱动器给IGBT的门极提供或释放高峰值的门极电流。通常情况下，驱
动器在驱动单模块时不存在技术上的问题。如果一个驱动器要驱动多个并联的IGBT模块，那么此时
需要一个驱动放大电路来给并联的门极提供足够的驱动电流 。这种开关条件可能导致门极的功率损
耗集中在一个相对较小的物理区域，并有可能引起过热问题。高峰值电流要求采用一个高电流增益
的驱动器。
当模块适配器含有一个专用的门极信号放大器时，就有可能克服电流放大增益的限制。原理图如图6
所示，MA40xExx已经采用了一个射极跟随器或者功率放大电路。由于六个配对的双极性晶体管并联连接，
根据ZXTN2010Z和ZXTP2012Z的双极性晶体管数据手册，在@IG= 40A时电流最小增益不小于100。
4
更多信息可在EPE07论文 ‘Ben ef it s o f Syst em -o r ien t ed Mo d u le Desig n f o r Hig h Po w er In ver t er s’ ，或者
PELINCEC2005论文‘Dyn am ic Vo lt ag e Rise Co n t r o l – t h e Mo st Ef f icien t Way t o Co n t r o l Tu r n -o f f Sw it ch in g Beh avio r
o f IGBT Tr an sist o r s’中查找
采用一个单独的功率放大电路优点在于可以出色地控制任何 IHM 类型模块的门极-发射极电压，并且可以
使 IGBT 模块并联的计变简单。
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图 6
3.4
MA40xExx 的功率放大电路
通过监测 VCE 值来检测短路
如果IGBT流过的电流高于几倍额定值的电流，晶体管会欠饱且器件两端的电压会升高。利用该现象可实
现短路检测来关断IGBT。英飞凌大功率IGBT模块能承受10µs的短路电流，在这段时间内，需要检测到短
路电流且在不超过最大阻断电压情况下将IGBT关断。
当 MA40xExx 连接到 2ED300E17-SFO 一起使用时，需要正确选择用于定义软关断功能的 RSSD 电阻值，
以 保 证 正 确 的 短 路 保 护 ， 具 体 过 程 已 在 AN2007-05 的 3.5 章 节 中 介 绍 ， 图 7a 显 示 了
FZ1600R17HP4_B2 IHMB 模块的短路特性，该模块的短路保护功能已在 2ED300E17-SFO 上关闭了。
在这次短路特性测试中，为了保护器件免受损坏，用于开通的门极脉冲持续时间为 10µs。在关断时，较
高的 d IC/d t 会产生一个大的过电压尖峰，这个过电压尖峰采用有源箝位电路进行了限制。图 7b 显示了通
过合理的选择 RSSD 电阻值把短路电流时间限制短于 10µs 时实现的软关断过程，并减小了关断时的集电极
电流的变化率。
图 7 综 合 采 用 2ED300E17-SFO和短路保护MA400E17的FZ1600R17HP4_B2 IHMB模块的开关特性
图7a为MA400E17的短路保护关闭，图7b为MA400E17短路保护使能。
3.5
有源电压箝位 – 改进型
有源箝位是一种当IGBT关断时，抑制关断瞬态过电压低于临界极限值的技术。有源箝位的标准用法是用一
串雪崩击穿二极管连接于IGBT模块的辅助集电极与门极之间。当集电极与发射极之间的电压超过二极管击
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穿电压时，二极管电流与驱动器输出的电流叠加在一起。此时由于IGBT门极-发射极电压升高，晶体管保持
在有源工作区且关断过程延长。d IC/d t 变化率减缓限制了电压过冲。在二极管箝位工作限制过压的这一段
时间内雪崩击穿二极管流过高峰值的电流。
MA40xExx内的过电压保护是根据上述的二极管有源箝位技术改进得到的。箝位二极管与IGBT的门极直接
相连，也与MA40xExx上的运算放大器输入端相连。因此，用于门极再充电的大部分电流是由门极驱动
器的供电电源提供，而不是通过箝位二极管。由于箝位二极管只流过小电流，因此箝位电压大小的一致
性更好，此外，还可以使箝位电路的设计独立不受限于所选的外部门极电阻。
图8展示了FZ1600R17HP4 IGBT在900V DC电压下的开关特性。在连续关断期间，对功率放大电路注入
的门极电流I G ，流过有源箝位二极管的电流I CLAMP，门极电压VGE，IGBT集射级电压VCE和IGBT电流IC进行
了测试。在图8a的额定电流下，IGBT的集射级电压大小不会超过雪崩击穿二极管的击穿电压。流过二极
管的电流基本接近于零，提高IGBT流过的电流等级，IGBT关断时导致电压过冲超过雪崩击穿二极管的击
穿电压。此时箝位二极管流过高峰值的电流，如标注出的区域A所示。这个电流激活驱动电路中的功率放
大电路对门极进行充电，使门极电压再次达到开通值。随着集电极电流减小IGBT维持工作在线性工作区。
结果是，器件两端的电压减小。一旦过电压减小到期望的值，箝位二极管恢复到阻断状态，并关断门极。
IGBT的关断过程按所要求的情况继续进行。
图 8
FZ1600R17HP4_B2 IHM 采用改进型有源箝位的开关特性: a) VDC=900V, IC=1600A, b)
VDC=900V, IC=3200A, RGoff=0,47 and Tj=25°C
3.6
最高开关频率
驱动器的最大功率，或者外部门极电阻上的功耗导致的PCB最高温度，都限制了IGBT的开关频率。门
极电阻上的功耗取决于IGBT的门极电荷、门极电压和IGBT的开关频率。由于外部门极电阻的功耗产生
的热量，将导致这些电阻附近的PCB温度升高。温度升高不允许超过使用时PCB允许的工作温度，例如，
FR4标准的材料为105° C。
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门级电阻上的功耗可利用公式1进行计算
Pdis
P(REXT )
P(RINT )
Vout
fs
QG
参数的定义:
Pdis
损耗的功率 [W],
ΔVout
驱动输出的电压阶跃 [V]
fs
开关频率 [Hz],
QG
由数据手册提供的给定门极电压范围下的 IGBT 门极电荷，
完整的门极电阻包括内部门极电阻RGINT和装配在MA40xE12/E17上的外部门极电阻RGEXT。在这种情况
下，一部分相关的功耗会通过DCB直接散热到模块的基板上，而另一部分功耗将散热到外部的周围空气中
或者PCB内，内部损耗功率与外部损耗功率的比例与上述电阻RGINT an d RGEXT直接对应。图9所示的测量结
果说明了外部门极电阻温度是该电阻上产生损耗的函数。可以从图表中得出，在RGEXT 上 的 损耗为1.1W的
情况下，周围环境温度为25° C以及基板温度为125° C时，PCB的最高温度达到了105° C。在这种情况下，
开关频率的限制因素不是每个通道可输出4W功率的DC/DC变换器。器件工作的限制因素是PCB的最高温
度。为了可以工作在更高的开关频率，只能利用耐温更高的PCB，或者改进更容易把热量散热到环境中的
电阻。
电路板的温度 vs. 外部门极电阻损耗在 TC = 125° C 和 TC = 125° C 时
图 9
MA400E12/17 PCB 温度 vs. 门极电阻损耗
当基板和周围环境温度不同于上面所示的例子时，为了计算所允许的功耗P(REXT)，可利用公式（2）：
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最后，当 MA400Exx 和 2ED300E17-SFO 一起使用时，对于给定的 Tb asep lat e 和 Tam b ien t ，由公式（3）
可求解得 IGBT 的最高允许开关频率为：
系数k= 1.2代表了一组参数允许的偏差，是基于测量和经验得到的。
3.8
并联工作
灵活方便的St ar t er 组件包括一个2ED300E17-SFO，一个2ED300E17-S /-ST驱动板，和可用于驱动单个
IHM模块或者高达三个并联的IHM模块的MA40xExx模块适配器板，如图10所示。在这种情况下，每个IHM
模块都配有专用的、与2ED300E17-SFO 相连接的MA40xExx电路板。必须注意到，在任何一种情况下，
都应该根据AN2007-05的3.5章节进行选取RSSD值。
图10 用于带三个IHM模块并联工作的三个MA40xExx与一个2ED300E17-SFO的之间连接
12
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4
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。
4.1
电路原理图
图 11
MA40xExx –功率放大电路级
图 12
MA40xExx – IGBT的连接
图 13
MA40xExx – 接口
13
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装 配图
4.2
MA400E12或E17 与 MA401E12 或 E17的基本电路和布板相似。为把适配器电路板调整到合适的电压
等级，必须根据表3选择箝位二极管。图14给出了MA400E12适配器板的装配概况。
表 3
MA400Exx电路板上有源箝位二极管的配置
电路板型号
配置的二极管
所配置二极管的型号
MA40xE12_EVAL
ZD1, ZD2, ZD3, ZD4
SMJC188A
ZD1, ZD2, ZD3
1.5SMC440A
ZD4
由短线或者跳接线跳接
MAx0xE17_EVAL
图 14 The MA400E12 – 装配图
4.3
图 15
电路布板
MA400E12 – 顶层布板
14
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图 16
MA400E12 – 底层布板
4.4
材 料清单 – MA400E12_EVAL / MA401E12_EVAL
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 % 。
表 4
MA400E12 适配器板的材料清单
电路板是否需
类型
数值 / 型号
封装尺寸
数量
标号
推荐生产商
电阻
见章节 3.2*
2512
9
R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R28
特殊脉冲电阻
否
电阻
10k
1206
1
R9
普通
是
电阻
1R
1206
4
R11, R12, R22, R27
特殊脉冲电阻
是
电阻
10R
1206
1
R21
普通
是
电阻
10R
0603
6
R17, R18, R19, R20, R25, R26
普通
是
电阻
27R
0603
6
R13, R14, R15, R16, R23, R24
普通
是
电容
可变
0805
2
C17, C217
普通
否
电容
可变
C2220
1
C9
可选
否
Mu rat a
是
要焊接装配
C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C21, C22,
电容
4µ7/25V/X7R
1206
24
C23, C24, C25, C26, C27, C28, C29, C210,
C211, C212, C213, C214, C215, C216
半导体
ZXTN2010Z
SOT89
6
T1, T2, T3, T4, T5, T6
Dio d es
是
半导体
ZXTP2012Z
SOT89
6
T7, T8, T9, T10, T11, T12
Dio d es
是
D5, D6, D25, D26
Vish ay
否
半导体
ES1B (见章节 3.2) DO214AC 4
半导体
ES1B
DO214AC
4
D21, D22, D23, D25
Vish ay
是
半导体
STTH112U
SMB
1
D24
STM
是
半导体
SMCJ188A
SMC
4
ZD1, ZD2, ZD3, ZD4
Vish ay
是
连接器
6410-5A
1
X2
Mo lex
(22-27-2051)
* 脉冲功率额定类型
15
是
Application Note AN 2011-01
V1.0, Jan. 2011
用于 IHM IGBT 模块的
模块适配板
4.5
材料清单 – MA400E17_EVAL / MA401E17_EVAL
该材料清单包含器件列表和装配清单。
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 % 。
表 5
MA400E17 适配器板的材料清单
类型
数值 / 型号
封装尺寸
数量
标号
推荐生产商
是否装配
电阻
见章节 3.2*
2512
9
R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R28
特殊脉冲电阻
否
电阻
10k
1206
1
R9
没有指定
是
1R
1206
4
R11, R12, R22, R27
特殊脉冲电阻
是
电阻
10R
1206
1
R21
没有指定
是
电阻
10R
0603
6
R17, R18, R19, R20, R25, R26
没有指定
是
电阻
27R
0603
6
R13, R14, R15, R16, R23, R24
没有指定
是
电容
可变
0805
2
C17, C217
没有指定
否
电容
可变
C2220
1
C9
可选
否
4µ7/25V/X7R
1206
24
Mu rat a
是
电阻
电容
C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C21, C22,
C23, C24, C25, C26, C27, C28, C29, C210,
C211, C212, C213, C214, C215, C216
半导体
ZXTN2010Z
SOT89
6
T1, T2, T3, T4, T5, T6
Dio d es
是
半导体
ZXTP2012Z
SOT89
6
T7, T8, T9, T10, T11, T12
Dio d es
是
4
D5, D6, D25, D26
Vish ay
否
半导体
ES1B (见章节3.2) DO214AC
半导体
ES1B
DO214AC
4
D21, D22, D23, D25
Vish ay
是
半导体
STTH112U
SMB
1
D24
STM
是
半导体
1.5SMC440A
SMC
3
ZD1, ZD2, ZD3
Vish ay
是
SMC
1
ZD4 (Sh o r t ed b y 0R)
Vish ay
否
1
X2
半导体
连接器
6410-5A
Mo lex
(22-27-2051)
* 脉冲功率额定类型
16
是
Application Note AN 2011-01
V1.0, Jan. 2011
用于 IHM IGBT 模块的
模块适配板
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: IGBT.Ap p licat io n @in f in eo n .co m
MA400E12的IFX订购编号: 35712
MA400E17的IFX订购编号: 35713
MA401E12的IFX订购编号: 35714
MA401E17的IFX订购编号: 35715
2ED300E17-SFO的IFX订购编号: 30272
2ED300C17-S:的IFX订购编号: 29831
2ED300C17-ST的IFX订购编号: 29832
17