基于HCPL-316J的IGBT驱动电路的设计

基于HCPL-316J的IGBT驱动电路的设计摘要：为了简化由分立元器件IGBT构成的功率变换器的驱动电路，提高IGBT的工作的稳定性和可靠性，将光耦HCPL-316J应用于IGBT驱动电路中。对HCPL-316J的内部结构和工作原理进行了详细分析，并结合IGBT的驱动条件，针对三相逆变桥设计了一种基于HCPL-316J的IGBT驱动电路，该电路能适应宽范围工作电压，具有欠压、过压和过流保护等功能，为IGBT的可靠工作提供了保障。实验结果表明，该驱动电路具有良好的驱动及保护能力，可降低功率变换器成本。关键词：IGBT驱动HCPL-316J三相逆变电路分立元器件Abstract:InordertosimplifythedrivingcircuitofthepowerconverterusingdiscretepowerdevicesIGBTandimprovethestabilityandreliabilityoftheIGBT,opticalcouplerHCPL-316JisemployedinthedrivingcircuitoftheIGBIT.ThestructureandprincipleoftheHCPL-316Jisanalyzedindetail.AccordingtotherequirementsoftheIGBT,anIGBTdrivingcircuitbaseonopticalcouplerHCPL-316Jforathreephasehalfbridgetopologyisdesigned.Thiscircuitcanworkwellinawidervoltagerangewiththeabilityofundervoltageprotection,overvoltageprotection,overcurrentprotection,etc.,whichcanguaranteetheIGBTreliableoperation.Theexperimentalresultsillustratethatthisdrivingcircuithasthegoodabilityofdrivingandprotection,andreducethecostofthepowerconverter.Keywords:IGBTdriver,HCPL-316J,ThreePhaseInverterCircuit,DiscretePowerDevices0引言随着电力电子技术的发展和应用领域的不断拓展，功率电路与功率器件作为这些应用中的关键因素收到了更广泛的重视。绝缘栅双极性晶体管（IGBT）是一种电压控制型功率器件，其导通压降低，具有较大的安全工作区间和短路承受能等特点使它在中功率以上的逆变器成为主流[1]-[5]。在整个电力电子系统中，IGBT等功率器件成本占总成本的60%以上，如何有效的驱动和保护功率器件，降低驱动器成本是非常必要的。在分析了IGBT驱动的基础上，利用HCPL-316J芯片提供的光耦隔离，过流欠压等保护功能设计了基于分立元器件的三相逆变电路，既降低了逆变器成本又能满足IGBT驱动和保护的要求。1驱动电路IGBT的门极驱动条件密切地关系到他的静态和动态特性。门极电路的正偏压uGS、负偏压-uGS和门极电阻RG的大小，对IGBT的通态电压、开关、开关损耗、承受短路能力及du/dt电流等参数有不同程度的影响。其中门极正电压uGS的变化对IGBT的开通特性，负载短路能力和duGS/dt电流有较大的影响，而门极负偏压对关断特性的影响较大。同时，门极电路设计中也必须注意开通特性，负载短路能力和由duGS/dt电流引起的误触发等问题。一般来说，IGBT驱动主要有以下几个要求[2]-[9]：(1)弱电与强电相互隔离。(2)选择合适的RG。RG较大，有利于抑制IGBT的电流上升率及电压上升率，但会增加IGBT的开关时间和开关损耗；RG较小，会引起电流上升率增大，使IGBT误导通或损坏。RG的具体数据与驱动电路的结构及IGBT的容量有关，一般在几欧～几十欧，小容量的IGBT其RG值较大。(3)选择合适的驱动电压。对于正向驱动电压，过大会导致误导通或器件的损坏，过小会使器件因退出饱和区进入线性区而过热损坏。为了防止器件关断时浪涌电流而使IGBT误导通，一般采用－５v的负偏压。(4)IGBT快速开通和关断有利于提高工作频率，减小开关损耗。但如带大电感负载，开关频率不宜太大，因为高速的开通关断会产生很大的尖峰电压，会对器件造成损坏。(5)驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT的保护功能。(6)驱动电路应提供足够的功率，使器件开通后，IGBT不至退出饱和而损坏。图1为HCPL-316J内部结构图[10]。光耦管LED1组成输入控制电路,VIN+和VIN-分别为正/负逻辑输入端。当输入负逻辑信号时,VIN+置为高电平,VIN-接输入信号;反之,当输入正逻辑信号时,则VIN-置为低电平,VIN+接输入信号。输入信号门电路由LED1传送到内部驱动电路并转换为IGBT的门极驱动信号。光耦管LED2等组成故障信号控制电路,该驱动器7引脚悬空,8引脚接地,VCC1和GND1为输入侧电源,VCC2和VEE为输出侧电源,图1HCPL-316J内部结构图VC为推挽式输出三极管集电极的电源可直接与VCC2相接,或者串联一只电阻RC以限制输出导通电流,VOUT为门极驱动电压输出端。可以在被驱动的功率器件过流或门极驱动电路自身电源发生故障时,对被驱动的IGBT进行快速有效地保护。该系列驱动器具有高dv/dt容量;保护功能完善;故障记忆,通过FAULT信号告知控制系统;上下互锁,避免同一桥臂两只IGBT同时开通;栅极电阻外部可调,使用不同功率的IGBT时都能工作在较高的开关频率下,并得到高转换效率。由LED2等组成的故障保护电路,DESAT为过流检测输入端,通过串联电阻和箝位二极管与IG-BT集电极相连。正常状态下,不可能检测到过流故障,FAULT为低电平,RS触发器输出端Q保持低电平,确保输入信号通过发光二极管LED1,且故障信号输出FAULT为高电平,复位端RESET对输入通道不起作用。若DESAT检测到过流信号(DESAT端电压超过7V),则FAULT为高电平。该信号经内部逻辑一方面闭锁驱动器输出及LED1的输入信号,另一方面使LED2导通,RS触发器输出端Q为高电平,故障输出FAULT为低电平,通知外部微机。当IGBT发生过流,驱动器输出电平下降,使IGBT软关断,以避免突然关断时因产生过压而导致IGBT损坏。另外,由于故障输出端FAULT为集电极开路,可实现多个器件的FAULT并联到微机上。2HCPL316 芯片功能介绍HCPL-316J是由Agilent公司生产的一种IGBT门极驱动光耦合器，其内部集成集电极发射极电压欠饱和检测电路及故障状态反馈电路，为驱动电路的可靠工作提供了保障。其特性为：兼容CMOS/TYL电平；光隔离，故障状态反馈；开关时间最大500ns；“软”IGBT关断；欠饱和检测及欠压锁定保护；过流保护功能；宽工作电压范围(15～30V)；用户可配置自动复位、自动关闭[10]。3驱动电路设计HCPL-316的输出功能可以简略的用下面的逻辑功能表来描述。(详见表1).依据芯片的逻辑功能和逆变电路的原理。设计了带卸放斩波管的逆变桥功率电路（如下图所示）的驱动。图2逆变桥功率电路FAULT,RESET信号采用全局设置，即七路驱动的FAULT,RESET并联在一起使用。每一个IGBT的驱动电路如图3所示。图3基于HCPL-316J的IGBT驱动电路电路中的元件参数依据驱动条件和所驱动的管子所决定。本文所用的功率管为FGA25N120ANTD，耐压1200V，结温25°C时，耐流50A。高压侧采用1：100的差分探头，低压采用普通探头，测的驱动实验波形如图4所示：(a)一路IGBT驱动的光耦两侧的信号(b)一相桥臂IGBT的驱动波形图4驱动电路实验波形4结论在分析了IGBT驱动的基础上，利用HCPL-316J芯片提供的光耦隔离，过流欠压等保护功能设计了基于分立元器件的三相逆变电路。由实验波形可以看出，该驱动电路能够满足IGBT导通和关断的动态要求，为进一步功率电路的应用打下了基础。参考文献[1]潘江洪，苏建徽，杜雪．IGBT高压大功率驱动和保护电路的应用研究.电源技术应用[J].2005年第8卷第11期：51-58．[2]王兆安，黄俊．电力电子技术[M]，北京：机械工业出版社，2005．[3]刘志刚，叶斌，梁晖．电力电子学[M]，北京：清华大学出版社，2004．[4]魏培华，唐海燕，李云．IGBT智能化驱动电路设计[J],机车车辆工艺，2007年第2期：30-33.[5]乔冠梁，丁远翔，丁学文．IGBT模块的一种驱动设计[J]，国外电子元器件,2007年第10期：36-39．[6]陈俊，李晓帆，扶瑞云，张业茂．基于CPLD的IGBT高压大功率驱动电路的研究[J]，通信电源技术，2007年第24卷第10期：14-16．[7]曾繁玲，IGBT驱动与保护电路的研究[J]，电子质