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新品快訊原創 英飛凌工業半導體
1.介紹
1.1 目標應用
因為能夠提供高能效和高精準度加熱功率等諸多的好處，感應加熱在當今非常流行；通常，電磁爐都采用軟開關的準諧振拓撲來降低開關損耗和EMI；SEPR(單端并聯諧振) 拓撲已經應用在2.2KW功率以下的單頭爐很多年了，因為較低的系統成本，現在越來越多的多頭爐也開始使用SEPR拓撲，如圖1.1所示。SPER拓撲主要采用大于或等于1200V的IGBT；因為需要雙向開關，主要采用新型逆導型RC-IGBT，通過控制IGBT的開通時間來調節輸出功率。
圖1.1：典型SEPR電磁爐的原理圖
SEPR感應加熱主要的瓶頸是不可控的高諧振電壓，所以必須采用高壓器件；因為電網電壓會被諧振放大，當集電極峰值電流時，IGBT會在主開關周期經歷非常高的電壓；根據諧振網絡的設計和負載的特性阻抗，典型的集電極-發射極峰值電壓可以達到1100V。盡管在系統設計良好情況下，讓IGBT在安全條件下運行，但仍有可能超過IGBT限值的情況（如圖1.2的條件1，2，4和5），圖1.2總結了IGBT在實際應用中可能的不同工作條件：
工作條件
1 由于諧振電容器的充電，在初始通電期間，集電極電流峰值非常高。對于設計良好的布局，峰值電流主要受IGBT跨導的限制。
2 由于過零電壓開通條件的丟失，集電極的高開通電流峰值（當諧振電容未完全充電時，IGBT開啟）。
3 正常運行條件，IGBT零電壓開通，IGBT軟開關關斷。
4 關斷集電極峰值電流高于IGBT安全工作區（SOA）允許的最大Ic。
5 集電極-發射極峰值電壓（VCE）高于IGBT的擊穿電壓。
圖1.2：SEPR拓撲的正常和極端工況：啟動時集電極高電流尖峰（條件1）、非零電壓開關開通（條件2）、正常運行（條件3）、關斷超過IGBT最大脈沖集電極電流（條件4）、集電極－發射極電壓超過IGBT的擊穿電壓（條件5）
條件1到3發生在系統正常運行期間，取決于負載類型和輸出功率。條件4也可能發生在正常操作期間，例如，鍋突然從烹飪平面上移開。當諧振電感中存儲的能量過多時，過電流可能會在隨后的IGBT關斷時刻（條件5）中觸發過電壓。條件4和5也可能發生在浪涌期間，或由于電網電壓不穩定（電源中斷、電壓驟降等）。因此，一個完整的SEPR感應加熱系統還包括額外的電路，該電路應能夠識別異常操作，并適當停用該系統，以免超過IGBT的最大額定值。然而，盡管有額外的保護，當系統沒有及時反應時，仍然可能導致IGBT損壞。為了保證對圖1.2所示的不安全條件有足夠的保護，英飛凌開發了F系列全保護Protected IGBT，專門針對感應加熱應用，是將IGBT和柵極驅動IC集成在一起的解決方案。
1.2 用于感應加熱應用的全保護Protected IGBT描述
全保護Protected IGBT是TRENCHSTOP? Feature IGBT家族的第一款產品，為標準單管IGBT帶來了新功能。創新的全保護Protected IGBT將RC-H5 20A 1350V IGBT與獨具特色的柵極驅動IC結合在一起,采用TO-247 6pin封裝，用于感應加熱應用。典型應用電路如圖1.3所示。
圖1.3：典型應用電路
全保護Protected IGBT不僅具備業界最佳IGBT性能，充分考慮IGBT在感應加熱應用及其他軟開關應用中的阻斷電壓、靜態損耗和開關損耗，而且集成諸多保護功能。除提供基本的過壓、過流和過溫保護，還包含如獨特的有源鉗位控制、故障狀態通知以及兩級電流開通，可大大降低典型的高啟動峰值電流。內部框圖如圖1.4所示。
圖1.4：內部框圖
快速增長的感應加熱應用需要更好的性能和更高的可靠性，因此全保護Protected IGBT集成保護功能提供一種實現簡單但功能強大的解決方案，提高整體系統可靠性，減少維護成本并提高品牌美譽度。
主要特性
1 采用TO-247 6pin封裝
2 采用針對軟開關應用的RC-H5 IGBT 20A 1350V
3 柵極驅動IC：
-過壓、過流、過溫保護
-可編程過壓閾值、逐周期過流閾值
-有源鉗位控制兩級電流開通
-溫度報警
-VCC UVLO
-所有引腳集成ESD保護和閉鎖抗擾度
2.全保護Protected IGBT的特點
2.1 集電極電流限制
如圖2.1所示，全保護Protected IGBT實現了逐周期電流限制，該限制獨立于MCU的控制信號，限制了IGBT的最大電流。通過適當的最大電流設置，可以避免如圖1.2所示的條件4發生；電流限制也有一個主要的安全特性，當它限制了諧振負載的最大能量，從而就限制了IGBT在關斷階段的最大電壓。
圖2.1：逐周期的電流限制
表1為與全保護Protected IGBT電流限制功能相關的數據表參數。兩個主要參數是：
主要參數
1 過電流閾值（VCSTH-），其典型值為-200 mV，最大變化為±5%。
2 過流檢測內部消隱時間（tCSBLK）：為了避免不必要的噪聲引起的電流限制觸發，內部消隱時間通常為4μs。電流檢測消隱時間在IGBT開通時特別有用。如圖2.1所示，如果電流尖峰持續時間短于TCSBLK，則忽略觸發電流感應（CS）限制以及在IGBT開啟后發生的電流尖峰。因此，如果IGBT在硬開關條件下開通（即在檢鍋階段，或當系統在低輸入功率水平下運行時），則隨后的高電流尖峰不會產生錯誤的過電流觸發。另一方面，如果在TCSBLK后IGBT電流超過閾值，則IGBT立即關閉。
表１：CS限制手冊參數
在典型的SEPR應用中，電流檢測通常用于控制逆變器的輸出功率。由于大部分時間IGBT電流被檢測，同樣的信號可以用于電流限制輸入。由于VCSTH-是負的，應使用如圖2.2a所示的典型布線。這種電路還具有從柵極驅動回路中移除檢測電阻器的優點。此外，應將一個通常為1kOhm的電阻串聯到CS輸入端，以限制由于瞬態而通過內部ESD二極管的電流（圖2.2a中的R1）。
如果用于功率控制的電流檢測信號必須為正（因為它是由MCU的AD直接檢測的），則可以如圖2.2b。
圖2.2：a) 典型的電流檢測電路；
b）簡易電平轉換電流檢測電路
2.2 集電極電壓有源鉗位
全保護Protected IGBT的第二個重要特點是有源鉗位控制（ACC），它提供了一個可編程的鉗位水平，以保持IGBT兩端的電壓低于其擊穿電壓。即使在發生浪涌瞬變的情況下，有源鉗位也會起作用，而這種瞬變不受CS保護的完全限制。為了保證IGBT在實際應用中出現的典型浪涌情況下的安全運行，兩種保護機制共同工作。有源鉗位控制通過閉環反饋動態開啟IGBT，以保持IGBT兩端的電壓不變，直到浪涌能量消散。有源鉗位為兩個階段工作，如圖2.3所示。VDET管腳上的電壓超過第一個閾值（VDET+1）時，ACC接管，IGBT打開5μs（tclamp1），以保持VDET管腳上的電壓與VDET+1的電壓一致。當IGBT將集電極電壓調節到所需的鉗位電壓后，IGBT被關閉。
圖2.3：有源鉗位控制時序圖
如果電感的能量在前5μs內沒有完全耗散，那么在IGBT關閉后，VDET電壓又繼續開始上升，最終會越過第二個VDET閾值（VDET+2），該閾值比VDET+1高11%。當這種情況發生時，IGBT再次打開并保持打開，以調節VDET，從而調節集電極電壓。在ACC控制IGBT的階段，器件INN引腳將過壓狀態反饋給微控制器（MCU），如第2.4節所述。
有源鉗位控制保持有效狀態，直到VDET的電壓在第一個鉗位階段降至VDET1+以下，或在第二個階段降至VDET2+以下。通過上述兩步鉗位，與連續鉗位相比，IGBT需要耗散的總能量顯著降低。第三個內部VDET閾值（VRST-）阻止IGBT的重新導通，直到集電極-發射極電壓降至可編程重啟電壓以下。附加的消隱時間（tovt）防止IGBT在ACC解除后立即打開。IGBT重新激活前的最小等待時間為3ms（見表2中的tovt值）閾值VRST-也用于正常操作，以防止在集電極電壓高于重啟電壓（即由于來自單片機的不必要的噪聲感應開啟）時打開IGBT。表2顯示了與全保護Protected IGBT的有源鉗位控制功能相關的數據表參數值。
表2：VDET 檢測電壓參數
過電壓模式的三個閾值電壓可以通過集電極和器件的VDET引腳之間的電阻分壓電路進行編程，如圖2.4所示。由于類似的網絡通常用于集電極-發射極電壓過零檢測，因此所需的附加組件受到限制。電阻值可以從三個閾值電壓中的任何一個開始計算。例如，如果使用第一個閾值，則在選擇R1值之后，R2的計算由以下公式導出：
作為Vclamp1第一鉗位電壓的選擇值。
選擇合適的電阻分壓器網絡后，第二鉗位電壓（Vclamp2）和重新啟動電壓（VRST）可很容易通過以下公式計算：
理論上， R1的值可以任意選取以最小化系統的靜態電流消耗。在噪聲比較嚴重的條件下，簡單的電阻分壓網絡可能不足以保證VDET管腳上的電壓值穩定。因此，可以將附加的濾波器電容與R2并聯（圖2.4中的電容C1）。利用這種電路，不能任意選擇R1的值，而是需要與C1的值一起確定，以便充分過濾VDET電壓上的噪聲。
圖2.4有源鉗位控制塊和外部分壓器的說明
2.3 兩級開通
在SEPR轉換器的運行過程中，存在IGBT不在零電壓下導通的情況（圖1.2，條件1和2）。如果VGE被快速驅動到額定值，IGBT會出現一個大的電流尖峰，這會增加IGBT本身和諧振電容上的應力。從長遠來看，這可能會降低系統的可靠性。此外，通電電流尖峰也明顯惡化了系統的電磁干擾行為。在第一次IGBT導通（條件1）期間，當器件必須將諧振電容充電到總線電壓時，導通電流尖峰特別高。這種情況通常在爐頂上的容器檢測階段重復幾次。通常情況下，感應灶制造商使用大量重復的啟動脈沖和最高允許的總線電壓測試系統，以檢查在高電流應力下組件的最大能力。當系統在關斷階段由于電感器中存儲的能量不足而無法實現零電壓開關導通時，也可能在低輸出功率（條件2）下發生硬開關導通。因此，為了提高系統的可靠性，降低硬開關開通時的電流尖峰是非常重要的。為此，全保護Protected IGBT采用兩級電流開通。控制策略如圖2.5所示，第一種電流（Io1+）足夠低，以限制柵極電容在開啟的初始階段的充電。第二電流電平（Io2+）略大，保證柵極電壓達到所需的穩態值，不增加IGBT的導通損耗。
圖2.5：兩級電流開通的時序
2.4 PWM輸入/診斷輸出（INN）功能
全保護Protected IGBT INN引腳用于控制IGBT，并在運行過程中反饋器件的狀態。它作為輸入，以低電平有效邏輯方式控制IGBT的導通時間。在IGBT的關斷期間，INN引腳由診斷塊控制，以便根據器件的狀態拉高電壓電平（見表3）。全保護Protected IGBT的輸入內部框圖如圖2.6所示。為了避免不必要的電流流入/流出INN管腳，驅動受保護IGBT的MCU管腳必須在IGBT必須關閉時置于高阻抗模式。這可以通過使用MCU引腳的開漏配置來實現（如圖2.6所示）。
表3：INN 診斷上拉電平
圖2.6：INN 內部結構圖
INN的施密特觸發器輸入是為了保證低至3.3v控制器的兼容性。根據圖2.7，施密特觸發器輸入和噪聲濾波器為短輸入脈沖提供了有利的噪聲抑制。
圖2.7：全保護Protected IGBT
輸入濾波時間的特性
2.5 過溫保護
全保護Protected IGBT還具有內置于驅動芯片中的過溫保護。保護基于兩個閾值，這兩個閾值共同決定了器件溫度的三種不同工作狀態。
圖2.8描述了過溫保護的行為，并在下面進行了說明：
1 如果設備溫度保持在第一閾值（TvjTW）以下，則設備在正常狀態下工作。在此狀態下，INN反饋電壓通常為2.5 V（如VIP Unf參數所示）。
2 當溫度超過第一閾值時，該裝置通過INN引腳向系統MCU生成過溫警告反饋，以便其能夠作出反應，并作為示例，提高系統風扇的速度。數據表中提供了過溫條件下的INN反饋電壓值作為參數變量VIP Utw。
3 如果溫度進一步升高（如由于風扇故障）并超過第二閾值（Tvj SD），OGBT將立即關閉，設備將忽略來自MCU的所有控制。在溫度降至溫度重置閾值（Tvj RST）以下之前，此狀態保持不變。
圖2.8：過溫保護特性及相關INN信號反饋
調節過溫保護行為的三個閾值的值如表4所示。
表4：過熱警告/停機數據表參數
3.典型應用電路
全保護Protected IGBT具有獨特的保護特性，大大提高了器件在應用中的可靠性。然而，在系統設計中必須小心，以確保在所有應用條件下具有適當且可重復的功能。必須考慮的最重要的方面是，共封裝的驅動IC與IGBT相同GND連接。這意味著該節點位于主IGBT電流路徑中，因此可能由于封裝的寄生電感（連接線、引線等）而受到明顯的波動。為了有效地屏蔽驅動IC上的干擾，應使用額外的旁路電容，特別是靠近最敏感的引腳。全保護Protected IGBT的典型應用示意圖如圖3.1所示。
3.1 供電電源
驅動IC的電源必須盡可能穩定。為此，應將旁路電容器（圖3.1中的C3）放置在盡可能靠近器件引腳的位置（建議最小值為1μF）。
圖3.1：全保護Protected IGBT的典型應用
3.2 電流檢測（CS腳）
電流檢測是全保護Protected IGBT中最敏感的模塊，因為它依賴于毫伏范圍內的電壓水平。因此，進入CS引腳的信號必須盡可能干凈。在這方面，首先要采取的措施是將濾波電容器與電流檢測電阻（圖3.1中的電容器C2）并聯放置。這個電容的目的是過濾由電流檢測電阻的寄生電感產生的尖峰。為了強烈減少這種尖峰的產生，建議使用低寄生電感的檢測電阻。
此外，應在CS和GND引腳（電容器C4）之間放置第二個旁路電容。這種電容的主要目的是減少接地通路中寄生電感產生的尖峰。為了減少這種電感，帶保護的IGBT的發射極引線必須盡可能靠近器件的主體。或者，旁路電容器C4也必須非常靠近封裝體。雖然C4過濾地面反彈的CS引腳，它也作為一個低通濾波器連接電阻R4和R5。因此，必須正確選擇C4、R4和R5的值，以保證IGBT的正確映射，從而不影響過電流限制的正常功能。
3.3 集電極電壓檢測（VDET腳）
如第2.2節所述，全保護Protected IGBT實現有源鉗位控制塊，防止集電極到發射極的電壓上升到IGBT的擊穿電壓以上。至于電流檢測一樣，ACC塊使用集電極到發射極電壓的映射，該映射必須在VDET引腳外部提供。由于穩定的電壓對這個模塊也很重要，建議在VDET和GND引腳之間放置一個旁路電容器（圖3.1中的C1）。第3.2節中關于低通濾波器設計的相同考慮也適用于此。
3.4 INN輸入（INN腳）
應在INN輸入端串聯一個100歐姆的電阻，以限制由于瞬態而通過內部ESD二極管的電流。
4.PCB布板
4.1 布板指南
由于共封裝驅動IC的高靈敏度，建議旁路電容盡可能靠近器件本體。此外，導線應盡可能縮短，以減少額外的雜散電感。
布板示例如圖4.1所示。布板參考圖3.1所示的示意圖。除檢測電阻外，所有部件均為SMD 1206。R2和C1為SMD 0805.由于1206 SMD電阻器的額定電壓有限，圖3.1中的電阻器R1已通過五個串聯電阻器（R1_1…R1_5）實現。
圖4.1：全保護Protected IGBT的推薦布板
4.2 采用全保護Protected IGBT 和傳統IGBT電磁爐控制板的對比
