datasheet for ARCAL

FICHE PRODUIT PROTECTIONS & ACCESSOIRES
POUR LES ASSEMBLAGES DE PUISSANCE
ARCAL-ED FR V3
ARCAL-ED
Double driver for ECONODUAL module
The ARCAL-ED driver board allows to drive one ECONODUAL module.
All functions needed for power converters development are embedded on a small size, very
versatile single electronic board .










High isolation and dv/dt immunity
4W / ±35A per output
Short-circuit protection
Active Clamping protection
Undervoltage detection
Adjustable dead times
-10/+15V gate voltage
Measure of internal CTN temperature of the module
Measure of output current (by means of a Hall effect sensor)
HB or direct mode logic
pro
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reproduction, représentation, utilisation, adaptation, modification, incorporation, traduction, commercialisation, partielles ou
intégrales par quelque procédé et sur quelque support que ce soit (papier, numérique, ...) sont interdites, sans l'autorisation écrite
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ARCEL - ZI du Tronchon - 2, rue des Aulnes - 69544 CHAMPAGNE AU MONT D’OR Cedex - France
Tél. 33 (0)4 78 35 02 21 - Fax 33 (0)4 78 35 69 54 – www.arcel.fr
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ARCAL-ED FR V3
Contents
1.
ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS ........................................................................................... 3
2.
ELECTRICAL SPECIFICATIONS ............................................................................................ 3
2.1.
Power supplies ................................................................................................................. 3
2.2.
Output stage ..................................................................................................................... 3
3.
BLOCK DIAGRAM ................................................................................................................... 4
4.
mechanical data....................................................................................................................... 5
5.
OVERVIEW ............................................................................................................................. 7
6.
detailed technical description ................................................................................................... 8
6.1.
DRIVER POWER SUPPLY ............................................................................................... 8
6.2.
Operating modes (K2)....................................................................................................... 8
6.3.
Error feedback signal ...................................................................................................... 12
6.4.
Gate control .................................................................................................................... 13
6.5.
‘Active clamping’ protection............................................................................................. 14
6.6.
Monitoring of short circuits .............................................................................................. 15
6.7.
Measure of temperature.................................................................................................. 17
6.8.
Measure of current .......................................................................................................... 17
6.9.
Monitoring of auxiliary supplies ....................................................................................... 18
7.
Configuration : ABSTRACT TABLE ....................................................................................... 19
8.
Notes ..................................................................................................................................... 20
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ARCAL-ED FR V3
1. ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS
All data are given for 25°C unless otherwise specified.
Symbol
VDD
VI
IG
PG
VISO
VOP
dv/dt
TA
TS
IOC
Parameter
Supply voltage (referred to ground)i
Logic input voltage
Peak gate current
Average output power per output
Isolation test voltage (AC / 50Hz /1min)
Permanent operating voltage
dv/dt immunity @ V=1000V
Operating temperature
Storing temperature
Max. current of default open collector
Min.
0
0
-35
75
-40
-40
Max.
16
VDD
+35
4
5000
1700
+85
+90
20
Unit
VDC
VDC
A
W
Veff
VPEAK
KV/µs
°C
°C
mA
2. ELECTRICAL SPECIFICATIONS
All data are given for 25°C unless otherwise specified.
2.1.
Symbol
VDD
2.2.
Symbol
IG
VG+
VGTR
TF
TPD+
TPD-
Power supplies
Parameter
Rated supply voltage
Min.
14.5
Typ.
15
Max.
15.5
Unit
VDC
Parameter
Min.
Maximum supply current
-35
Voltage for conduction setting
Cut off voltage
Rising time
Downing tme
Input/output propagation time at conduction setting
Input/output propagation time at cut off
Typ.
Max.
+35
Unit
A
V
V
ns
ns
ns
ns
Output stage
+15
-10
20
20
100
100
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3. BLOCK DIAGRAM
K1
1-2
HB Ina-Inb
2-3
HB Top-Bot
J1
1
-15V
Rth1
29.4k
InA
4
C1
VCEsat
AC
8-9
Sortie 1
InB
2
G1
RGoff
Contrôle
Primaire
+15V
RGon
E1
Rth2
29.4k
3 - Err
5-temp
Err
VCEsat
AC
OverTemp
12
14
10-11-13
Sortie 2
Err
Temp Out
-I
JP3
Temp
JP4
I
RGon
G2
RGoff
E2
K2
K3
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4. MECHANICAL DATA
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5. OVERVIEW
The ARCAL-ED driver is based on a SCALE-2 module (Scalable, Compact, All purpose, Low
cost and Easy to use), last generation of IGBT drivers.
All the functionalities required for driving power switches safely are embedded on a single
board. Each parameter depending on the application can be adjusted by the end user.
Main specifications
The ARCAL-ED driver allows to drive one ECONODUAL© module in a half bridge structure or
in an independent way. This driver makes it possible to convert an ECONODUAL© module in
an independent arm, which can then be used in a high power inverter or chopper. This driver
is suitable for IGBTs up to 1200V in its standard version.
The IGBT is controlled in (-10 ; +15V) in the standard version of the driver.
The IGBT protection is ensured by monitoring of VCEsat and of power supplies.
An ‘Active Clamping’ voltage protection is ensured by monitoring of the collector voltage.
Only one VDD direct supply of 15V ±0.5V is required. The isolated supplies which are required
on the power side are internally generated.
All logic inputs are Schmitt trigger type.
The dead time values can be adjusted (on request).
The fault feedback signal, which is of type open collector, can either be activated by the driver
itself (short-circuit or supply default), or by an external signal (temperature and current
sensors).
The connectors have been selected for to their reliability and in order to rationalize the
implementation of the driver in existing applications.
An intermediary board (ARCAL-ED SCREEN) enables to realize a chip layout which will afford
a high CEM immunity, as well as an efficient mechanical protection of the module.
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Output of the CTN temperature information and output of open collector at on-state when the
CTN temperature exceeds 115°C.
It is possible to measure the current by means of a current sensor.
6. DETAILED TECHNICAL DESCRIPTION
DRIVER POWER SUPPLY
6.1.
The ARCAL-ED driver requires a regulated supply of +15V ±0.5V. The maximum power used
under normal operating conditions is about 10W.
The current used at input can be calculated according to the following formula :
I DD ( A ) 
P GT (W )
0 . 85  15
 0 . 065
In which : PGT = total power provided by the driver to the IGBTs.
Remark :
This product is dedicated to highly impulsive applications and as such there can’t be any
efficient protection of the DC/DC converter against overloads. The board feeder however is
equipped with a fuse which aims to control long-lasting overload risks. These overloads could
possibly damage upstream systems.
6.2.
Operating modes (K2)
The ARCAL-ED driver can operate in three modes :


"DIRECT" mode allows driving separately the two outputs.
"HB" (half-bridge) mode is dedicated to "half-bridge" type systems
HB modes can be generated in TOP-BOT or INA-INB controls
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Direct Mode
In this mode, both outputs are driven
separately by InA and InB inputs. Nevertheless,
the various securities still stop both outputs
and activate the error feedback signal. A high
logic level on an input turns on the
corresponding output.
Considering the two outputs independent, no
dead time is generated. Thus, it is possible to
switch on both outputs at the same time.
ARCAL -ED
Outline 1 : Direct mode
The configuration of the driver in DIRECT mode
done by short circuiting K2, and linking terminals 1-2 of K1.
is
HB Modes
The "HALF-BRIDGE" or "HB" mode is especially
dedicated to structures where two IGBTs
operate in series as complementary switches
(eg. inverters, H bridges…)
ARCAL -ED
In this case, both outputs are no longer
independent : InA input allows the half-bridge
control and InB input operates as an ‘’enable’’
signal.
Outline 2 : HB Mode (Half-bridge)
A low logic level on InB forces both outputs off, whatever InA level is.
When InB is at a high logic level, both output levels depend on InA.
Because the two switches are in a series connection, for every arm state switching, the driver
makes sure no transient short-circuit occurs by keeping the two outputs at a low level during a
fixed period called dead time.
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ARCAL-ED FR V3
The user can modify the dead time value of both outputs thanks to RM resistor. The standard
dead time value is set to about 1.5µs.
The dead time setting is performed thanks to the following calculation :
With 0.5µs < TD < 4.1µs and 73<RM<182kohms.
Standard configuration of HB mode. Ina controls the IGBT BOT. K2 is open.
HB Mode
Mode HB TOP-BOT ou Ina-Inb
TOP-BOT mode allows to send complementary Ina-x et Inb-x signals, and to generate the
on/off signal on Inb using these two signals. To achieve this, terminals 2 and 3 of K1 must be
linked.
Ina-Inb mode is used to send a on-off signal directly onto inb, using inb-x. In this case,
terminals 1 and 2 of K1 must be linked.
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ARCAL-ED FR V3
BOT
TOP
Signals in TOP-BOT mode
NOTA : Ina-x and Inb-x match with X3 output instructions and Ina and Inb match with the driver
inputs.
Logical inputs
Ina and Inb inputs are equipped with Schmitt triggers whose tilting thresholds are about 1/3
and 2/3 of the selected logical level. Un A high logical level fits with an active input (positive
logic).
The input stage of the driver includes protection diodes against negative voltages or against
voltages higher than VDD. If the voltages exceed these limits, an abnormal temperature rise
and/or over-consumption could occur. Safe practice should be taken in case of use of the
driver with large lengths of cable.
Under normal operating conditions the impedance of these outputs is about 47 K..
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Error feedback signal
6.3.
The fault feedback signal is open collector type. It can support a 40V voltage and a 20mA
current. An external pull-up resistor must be provided.
In case of a default, the output transistor is blocked (high impedance). This is the standard
operating mode because it will naturally take into account a bad connection of the fault wire to
the main board.
The fault signal can be activated by two different events :


Internal error : Output short-circuit or power supply problem has occurred.
External error : the measure of temperature has exceeded the authorized reference
level.
Internal error case
In case of an internal error, the fault feedback signal will be activated during a fixed period of
about 100ms (TB). The driver will automatically reset and the outputs will stay in off-state
during minimum 100ms (TB). As a matter of fact, TB is used both as signaling time and blocking
time.
The main control system is supposed to stop all driving pulses as soon as an error signal
occurs. If not, and after the fault feedback signal has been reset, short pulses (about 10µs) can
occur on the non-fault output. The error feedback will then be set again by a pulse of 100 ms,
etc... This will go on until the fault cause has disappeared or driving pulses have been stopped.
Remark :
After the pulse blocking time, the driver will start over again only on a rising edge of the
concerned Inx input (or InA in HB mode).
External error case
If the measure reveals an excessive temperature, default processing will be the same as in the
case of internal error. The potential of terminal 3 of HE14 J1 connector is returned to “0” to
indicate the error.
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Réglage du temps de blocage TB
The blocking time of the driver on launching of the fault is adjustable by the final user.
The blocking time is included between 20ms < TB < 130ms.
To perform the setting, a resistor is connected on pin 5 of the driver such as :
RB = 1*TB + 51
with RB in kohms and TB in ms.
In standard configuration, a 180kohms resistor is implemented, setting a 130ms blocking time.
Driver switching on
By switching on, a fault feedback signal (about 10 ms) is automatically generated in order to
allow the auxiliary power supplies to settle.
6.4.
Gate control
The standard version of ARCAL-ED provides a +15V/-10V gate voltage. For each output,
conduction and extinction of the IGBT are controlled by a grid resistor : Rg.
Peak current
The peak current value provided by the driver depends on the total resistance of the Gate /
emitter loop. The value is given by the calculation of the following formula :
I Gp  A  
 V GE V
R G 


In which : VGE is the variation of the gate voltage (25V in this case).
As the IGp current mustn’t exceed 35A, the theoretical low limit for RG is 0.71.
Average power
The average power PG supplied by a driver output depends on the total gate charge QG of the
component, on the variation of gate voltage VGE and on the switching frequency FSW (SI
units) :
P G  Q G   V GE  F SW
This power must never exceed 4W (with 85°C ; 6W with 70°C).
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6.5.
‘Active clamping’ protection
This protection aims to limit the emitter collector overvoltage at the opening of the semiconductor. This overvoltage is the product of the interfering inductance of the loop by the di/dt
imposed by the component.
The functional diagram is as follows :
1
D2
1
D1
2
T R A N S IL
1
2
T R A N S IL
1
2
2
D3
D I OD E
R1
1
RG
Q1
2
2
Vce
R2
1
RE
3
de
1
IG B T
cr énea ux
co mman de
2
As soon as the Vce voltage exceeds a value determined by the transils, a current is injected in
the base of the IGBT thus generating a short renewal phase and enabling to limit the voltage at
the terminals.
This device mustn’t be used at continuous rating (i.e. at each
commutation), as it introduces additional losses which can be damaging for the IGBT.
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ARCAL-ED FR V3
The two above oscillograms (the first one with the device and the second one without it) show
the influence of the device. You can clearly see the limitation of the overvoltage which results
in a clipping.
In the standard version, the voltage protection is set for a 1200V IGBT module. Upon request it
is possible to get a protection for a different voltage (1700V for example).
This device enables to limit the overvoltage at the opening to a value close to 1100 volts
(according to the dispersion of the components and the energy that has to be dissipated, the
clipping voltage varies from 1020 to 1100 volts).
6.6.
Monitoring of short circuits
The detection of short circuits is done by comparing the VCEsat voltage of the device with a
reference voltage. If this threshold level is exceeded, the relevant channel is stopped and the
default signal is activated.
In order to better fit with the IGBT commutation profile, the reference voltage varies according
to the elapsed time since the conduction setting.
First of all the detection has to be inhibited during a fixed TCE period. Once this period is over,
the detection threshold is equal to VTH.
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For each output, the VCEsat threshold detection is set by a resistor (RTH1 and RTH2).
The following table gives some parameter set values depending on the Rth resistor used.
In standard configuration the response time value is 4.4µs.
Table 1 : RTH selection for VCEsat detection parameters
Measure of VCEsat
The fault detection is performed by measuring VCE and comparing it with a reference value
Vref. VCE measurement needs that the input current be between 0.6 and 1mA. That’s why RVCE
resistor must be set up to the BUS voltage :
RVCE
Défaut (8*100k)
9*100k
10*100k
4*100k
Ubus
480 – 800 V
540 – 900 V
600 – 1000 V
240 – 400 V (IGBT 600V)
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Measure of temperature
6.7.
A CTN is included the EconoDual housing. The board includes a linearization of this CTN in
the useful operating area as well as an isolation amplifier. The temperature information is
available on pin 12 of HE14 J1 connector.
TEMP OUT
10
TENSION DE SORTIE EN V
9
8
7
6
5
4
3
2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
TEMPERATURE CTN EN °C
Outline 5 : This shows the voltage available on pin 12 depending on CTN temperature
If the CTN temperature exceeds 115°C, the OVER-TEMP signal available on output 5 of HE14
connector will be returned to 0V, via the collector of the output transistor.
6.8.
Measure of current
It is possible to connect a current sensor on JP4 connector. In order to have JP4 operated, it is
absolutely necessary to supply HE14 input connector with -15 volts voltage on pin 1. In the
standard version, K0 grid resistor is 10 Ohms 1% and can be modified thanks to K3 plot whose
terminals can be equipped with a parallel. The voltage gain on the output stage is -4.87. The
output voltage on pin 14 will thus be equal to :
V (pin 14) = - I_sensor x 10 x 4.87
In the standard configuration, –I is sent back to pin 14 because of the implementation of the
sensor in the stack assembly.
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6.9.
Monitoring of auxiliary supplies
Monitoring of the supplies values is done directly on each output channel. If one of the two
secondary supplies is under 12V, the relevant channel is blocked and the default signal is
activated.
As the detection system is with hysteresis, re-start is only possible once the voltage rises over
about 12.6 V.
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7. CONFIGURATION : ABSTRACT TABLE
Parameter
DIRECT
Mode
Plan de masse
relié à la terre
Grid resistor
With :
HB INA-INB
HB TOP-BOT
K1
1-2
1-2
2-3
PLOT
K2
K3
CC
CO
CO
K4
OUI
CC
NON
CO
STANDARD
NON STANDARD
10ohm
+R //
CC = Court-Circuit (short-circuit)
CO = Circuit Ouvert (open circuit)
The shaded areas represent the standard configuration.
Parameter
TDT
TB
IVCE
Resistor
R30
R31
RVCE (R25 à R34 et R35 à R44)
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8. NOTES
 Before printing think about environment and costs!
CAUTION : ARCEL reserves the right to modify its technical documents without prior notice.
These documents have no contractual value.
i
The system is protected by zener and bipolar diodes. Exceeding these values can therefore lead to
over heating and/or over consumption. Special care should be taken in case of use with large lengths of
cable.
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