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1、第2章 电力电子器件驱动与保护电路-功率场+IGBT3明理知行明理知行 精工致远精工致远 功率场效应管的栅极驱动电路栅极驱动的特点及其要求驱动电路实例明理知行明理知行 精工致远精工致远栅极驱动的特点明理知行明理知行 精工致远精工致远栅极驱动的要求 明理知行明理知行 精工致远精工致远直接驱动电路明理知行明理知行 精工致远精工致远隔离驱动电路明理知行明理知行 精工致远精工致远 绝缘栅双极晶体管(IGBT)驱动电路1.驱动电路的基本要求 明理知行明理知行 精工致远精工致远 绝缘栅双极晶体管(IGBT)驱动电路2.驱动电路形式 明理知行明理知行 精工致远精工致远 绝缘栅双极晶体管(IGBT)驱动电路3
2、. M57962L驱动电路明理知行明理知行 精工致远精工致远（1）HCPL-316J引脚功能4. 门极驱动光耦合器HCPL-316J驱动电路明理知行明理知行 精工致远精工致远4. 门极驱动光耦合器HCPL-316J驱动电路（2）HCPL-316J内部结构电路主要由输入脉冲整形电路、光耦隔离输出电路和内置隔离DC/DC 变换器三部分组成输入脉冲整形电路主要是对输入信号进行缓冲、整形和短脉冲抑制，提高输入信号的波形质量；光耦隔离输出电路主要实现控制电路和主电路的电气隔离，降低驱动电路输出阻抗；内置隔离DC/DC 变换器提供+15 V和 9 V 的 IGBT 门极驱动电压，加大 IGBT 的安全工作
3、区明理知行明理知行 精工致远精工致远正常工作时阈值电压UVLO点为低电平,DESAT脚和7 V比较输出为低电平, E点信号随LED1变化,FAULT点电位始终为低电平,三级复合达林顿管工作,输出电压VOUT= VC。电路中通过一个内部互锁逻辑1和2保证在同一时间输出端C点只有一种状态。4. 门极驱动光耦合器HCPL-316J驱动电路（2）HCPL-316J内部结构与工作原理明理知行明理知行 精工致远精工致远(1)欠压保护当Vcc2低于UVLO=12 V时,电路中欠压比较器输出高电平，与门1输出低电平，即A点为低电位,使输出一直保持在低电位,三个达林顿管截止，A点低电平使与门2输出高电平，即B点
4、为高电平，50X导通，封锁IGBT,以免在过低的栅源电压下IGBT导通时烧毁管子。当Vcc2超过UVLO=12 V时,退出保护。4. 门极驱动光耦合器HCPL-316J驱动电路（2）HCPL-316J内部结构与工作原理明理知行明理知行 精工致远精工致远(2)退饱和故障检测保护当IGBT在导通时发生过流, IGBT的VCE急剧升高超过设定的VCE保护电压,DASAT引脚电压大于7V,退饱和保护电路开始工作,FAULT电位锁定在高电平, A点为低电位，三级复合达林顿管被禁止；与此同时，C点为高电位，与门3输出高电位，与门2输出低电平，B点为低电平,50 x被禁止；FAULT的高电平使1x管导通C点
5、电位缓慢降低（即IGBT的VG栅极电压）,当VG2 V时,50 x管开通使IGBT栅极电压牢牢夹断在VEE。直到信号LED1关断时,FAULT才变为低电平。这一过程称为软关断,它能有效降低硬关断所引起的对功率管的损害。4. 门极驱动光耦合器HCPL-316J驱动电路（2）HCPL-316J内部结构与工作原理明理知行明理知行 精工致远精工致远正常工作时阈值电压UVLO点为低电平,DESAT脚和7 V比较输出为低电平, E点信号随LED1变化,FAULT点电位始终为低电平,三级复合达林顿管工作,输出电压VOUT= VC。电路中通过一个内部互锁逻辑1和2保证在同一时间输出端C点只有一种状态。明理知行
6、明理知行 精工致远精工致远应用电路结构明理知行明理知行 精工致远精工致远一般情况下，控制器输出的PWM信号不能直接作为光耦合器HCPL-316J的输入信号，容易造成IGBT的误导通，因此需要对输入脉冲作整形和抗干扰处理图2.29即为脉冲整形电路，其中D1D5为施密特触发器，选用CD40106B集成芯片，正常工作时，上半桥PWM控制信号TOP（下半桥PWM控制信号BOT）经过D1、D2（D3、D4）缓冲，作为HCPL-316J的VIN+端输入信号，减小了驱动电路输入阻抗，提高了脉冲边沿陡峭度为避免输入信号中的尖峰脉冲使IGBT误导通，在D1、D3 的输入端和D2、D4的输出端之间连接小电容C1、
7、C2，可以有效地滤除宽度小于500ns的干扰短脉冲。（3）输入脉冲整形电路如果电路发生故障，HCPL-316J自动关断IGBT，并向PWM控制器发出故障信号，PWM控制器锁定输出当故障排除后，HCPL-316J要求通过对RESET端置低电平来复位本电路充分利用CD40106B多路输入输出的特点，通过将TOP和BOT信号同时置低电平完成复位操作当TOP和BOT同时为低电平时，二极管V1、V2同时截止，+15V电源通过电阻R5对电容C3充电选择合适的R5和C3，可以设定当充电时间为10s时，C3电容电压达到9.5V，根据CD40106B的输入输出特性，D5输出低电平，HCPL-316J复位明理知行
8、明理知行 精工致远精工致远一般情况下，控制器输出的PWM信号不能直接作为光耦合器HCPL-316J的输入信号，容易造成IGBT的误导通，因此需要对输入脉冲作整形和抗干扰处理图2.29即为脉冲整形电路，其中D1D5为施密特触发器，选用CD40106B集成芯片，正常工作时，上半桥PWM控制信号TOP（下半桥PWM控制信号BOT）经过D1、D2（D3、D4）缓冲，作为HCPL-316J的VIN+端输入信号，减小了驱动电路输入阻抗，提高了脉冲边沿陡峭度为避免输入信号中的尖峰脉冲使IGBT误导通，在D1、D3 的输入端和D2、D4的输出端之间连接小电容C1、C2，可以有效地滤除宽度小于500ns的干扰短
9、脉冲。（3）输入脉冲整形电路而在正常情况下，由于TOP和BOT两路信号互补，二极管V1、V2必有一个导通，D5输入端总为低电平，所以RESET端保持高电平。明理知行明理知行 精工致远精工致远（4）光耦隔离输出电路正常工作时，HCPL-316J芯片VIN+端与VOUT端保持输入输出的同步同相，响应时间小于500ns驱动 输 出 级 电 路 采 用MOSFET晶体管互补电路的形式，以降低驱动源的内阻，同时可加速IGBT的关断过程。开关工作原理：当VOUT端输出高电平时，V7导通，V8截止，UGE=15V，IGBT开通；当VOUT端输出低电平时，V7截止，V8导通，UGE=9V，IGBT关断MOSF
10、ET的源极分别和外部端子进行连接，这样即可通过分别串接的Ron和Roff调节IGBT的开通和关断速度。明理知行明理知行 精工致远精工致远（5）欠压和过流保护当UCC2低于13V时，HCPL-316J（图2.28内部结构）中UVLO 保护和DESAT保护同时启动，使输出一直保持在低电位，封锁IGBT，以免在过低的栅-射电压下IGBT导通烧毁。当UCC2超过13V时，退出保护当IGBT在导通时发生过流，由于IGBT的固有特性，UCE急剧升高，快恢复二极管V4检测UCE的值，如果超过设定的UCE保护电压，则DESAT端输入电压大于7V，退饱和保护电路开始工作，HCPL-316J锁定低电平输出，关断I
11、GBT，同时FAULT端输出低电平，通过集电极开路三极管外接上拉电阻输出报错信号。 明理知行明理知行 精工致远精工致远t0 t1阶段，输入 PWM 信号 Vin为高电平，推挽电路中V7导通，输出电压 VGE为 + 15V，IGBT 导通，同时故障输出电压信号 VFAULT保持高电平。此时过流检测电路未触发保护功能。过流检测部分电路如图 所示。当 IGBT 导通时，内部的电流源经电阻 11、二极管 V3、V4和 IGBT 的 CE 两端回流至 VE端。IGBT 导通时过流检测电压VDESAT:VDESAT= V2+ VD1+ VD4+ Vce( on）明理知行明理知行 精工致远精工致远Vce(
12、on)为 IGBT导通压降。t1-t2阶段，输入 PWM信号 Vin为低电平，V8导通，输出电压 VGE为-6V，IGBT 关断，过流检测电路中二极管V3、V4承受反压，C4中储存电荷，经内部 MOS 管放电，过流检测电压被各项工作箝位至 0V，故障输出电压信号 VFAULT为高电平。t2-t3阶段，输入PWM 信号 Vin为高电平，V7导通，此时输出电压 VGE为 + 15V，IGBT 导通，故障输出电压信号VFAULT为高电平。过流检测电压 VDESAT 7V，电路正常工作。明理知行明理知行 精工致远精工致远t3-t4阶段，t3时刻突然发生过流，过流检测电压 VDESAT随着电流的增大而增大，当VDESAT 7V时，电路开启软关断功能。此段时间为电路发生过流保护响应时间tBLANK式中，ICHG为输出电流，典型为 250A; VDESAT为正常运行时过流检测电压。过流保护响应时间为正常运行到开启过流保护软关断的时间，此段时间越短则保护越快速。t5阶段，t5时刻电路中 VGE为 6V，可靠关断 IGBT，等待电路复位。