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1、IGBT驱动电路作者：北京交通大学电气工程学院彭智刚金新民童亦斌梁京哲战亮宇时间：2007-03-02 来源:电子产品世界浏览评论关键词：0702_AHCPL-316JIGBT 保护电源技术模拟技术驱动电路杂志 _技术长廊摘要：本文在分析了IGBT 驱动条件的基础上介绍了几种常见的IGBT驱动电路，设计了一种基于光耦HCPL-316J的 IGBT驱动电路。实验证明该电路具有良好的驱动及保护能力。关键词：驱动电路；IGBT 保护；HCPL-316J引言绝缘门极双极型晶体管(Isolated Gate Bipolar Transistor简称 IGBT)是复合了功率场效应管和电力晶体管的优点而产生
2、的一种新型复合器件，具有输入阻抗高、工作速度快、热稳定性好驱动电路简单、通态电压低、耐压高和承受电流大等优点，因此现今应用相当广泛。但是IGBT 良好特性的发挥往往因其栅极驱动电路设计上的不合理，制约着 IGBT 的推广及应用。因此本文分析了IGBT 对其栅极驱动电路的要求，设计一种可靠，稳定的IGBT驱动电路。IGBT驱动电路特性及可靠性分析门极驱动条件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
3、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名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 6 页 -电流引起的误触发等问题。根据上述分析，对IGBT驱动电路提出以下要求和条件：(1)由于是容性输出输出阻抗；因此IBGT 对门极电荷集聚很敏感，驱动电路必须可靠，要保证有一条低阻抗的放电回路。(2)用低内阻的驱动源对门极电容充放电，以保证门及控制电压uGS 有足够陡峭的前、后沿，使 IGBT 的开关损耗尽量小。另外，IGBT 开通后，门极驱动源应提供
4、足够的功率，使 IGBT 不至退出饱和而损坏。(3)门极电路中的正偏压应为+12+15V；负偏压应为-2V-10V。(4)IGBT 驱动电路中的电阻 RG 对工作性能有较大的影响，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。(5)驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT 的自保护功能。IGBT 的控制、驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配，另外，在未采取适当的防
5、静电措施情况下，IGBT 的 GE 极之间不能为开路。驱动电路分类驱动电路分为：分立插脚式元件的驱动电路；光耦驱动电路；厚膜驱动电路；专用集成块驱动电路。本文设计的电路采用的是光耦驱动电路。IGBT驱动电路分析名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 6 页 -随着微处理技术的发展(包括处理器、系统结构和存储器件)，数字信号处理器以其优越的性能在交流调速、运动控制领域得到了广泛的应用。一般数字信号处理器构成的控制系统，IGBT驱动信号由处理器集成的PWM 模块产生的。而 PWM 接口驱动能力及其与 IGBT 的接口电路的设计直接影响到系统工作的可靠性。因此本文采用Agile
6、nt公司的HCPL-316J门极驱动光耦合器结合DSP TMS320F2812设计出了一种可靠的IGBT驱动方案。HCPL-316J特性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。DSP 与该耦合器结合实现IGBT 的驱动，使得 IGBT VCE欠饱和检测结构紧凑，低
7、成本且易于实现，同时满足了宽范围的安全与调节需要。HCPL-316J保护功能的实现HCPL-316J内置丰富的IGBT 检测及保护功能，使驱动电路设计起来更加方便，安全可靠。其中下面详述欠压锁定保护(UVLO)和过流保护两种保护功能的工作原理：(1)IGBT欠压锁定保护(UVLO)功能在刚刚上电的过程中，芯片供电电压由0V 逐渐上升到最大值。如果此时芯片有输出会造成 IGBT 门极电压过低，那么它会工作在线性放大区。HCPL316J芯片的欠压锁定保护的功能(UVLO)可以解决此问题。当VCC 与 VE 之间的电压值小于12V 时，输出低电平，以防止IGBT 工作在线性工作区造成发热过多进而烧毁
8、。示意图详见图1 中含UVLO 部分。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 6 页 -图 1 HCPL-316J内部原理图(2)IGBT过流保护功能HCPL-316J具有对 IGBT 的过流保护功能，它通过检测IGBT 的导通压降来实施保护动作。同样从图上可以看出，在其内部有固定的7V 电平，在检测电路工作时，它将检测到的 IGBT C E 极两端的压降与内置的7V 电平比较，当超过7V 时，HCPL-316J芯片输出低电平关断IGBT，同时，一个错误检测信号通过片内光耦反馈给输入侧，以便于采取相应的解决措施。在IGBT 关断时，其 CE 极两端的电压必定是超过7V 的
9、，但此时，过流检测电路失效，HCPL-316J芯片不会报故障信号。实际上，由于二极管的管压降，在 IGBT 的 CE 极间电压不到7V 时芯片就采取保护动作。驱动电路方案设计驱动电路的主要逻辑部件是芯片HCPL-316J。它控制 IGBT 管的导通、关断并且保护 IGBT。它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)名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 6 页 -表 1 HCPL-316J逻辑功能表表格中最后一列为输出。当输出为High 时 IGBT 导通，否则IGBT 关断。IGBT 导通需要同时具备最后一行的五个条件，缺一不可，即同相输入为高；反相
10、输入为低；欠压保护功能无效；未检测到IGBT 故障，无故障反馈信号或故障反馈信号已被清除。根据上述输出控制功能，设计电路如图2。图 2 IGBT驱动电路整个电路板的作用相当于一个光耦隔离放大电路。它的核心部分是芯片HCPL-316J，其中由控制器(DSP-TMS320F2812)产生 XPWM1 及 XCLEAR*信号输出给HCPL-316J，同时HCPL-316J产生的 IGBT 故障信号 FAULT*给控制器。同时在芯片的输出端接了由NPN 和 PNP 组成的推挽式输出电路,目的是为了提高输出电流能力，匹配 IGBT 驱动要求。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共
11、6 页 -当HCPL-316J输出端 VOUT 输出为高电平时，推挽电路上管(T1)导通，下管(T2)截止，三端稳压块LM7915输出端加在IGBT 门极(VG1)上，IGBT VCE为 15V，IGBT 导通。当HCPL-316J输出端 VOUT 输出为低电平时，上管(T1)截止，下管(T1)导通，VCE为-9V，IGBT 关断。以上就是IGBT 的开通关断过程。结语IGBT 对驱动电路有一些特殊要求，驱动电路性能的优劣是其可靠工作、正常运行的关键所在，高性能驱动电路的开发和设计是其应用的难点。本文详细分析了IGBT 栅极驱动电路的特性，设计了一个采用HCPL-316J门极驱动光耦合器为核心的IBGT驱动电路。实际中应用于驱动Eupec 公司 200A/600V的低损耗 IGBT 模块，取得了很好的效果。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 6 页 -