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推薦使用HCPL-316J作為IGBT驅動電路

 本文在分析了IGBT驅動條件的基礎上介紹了幾種常見的IGBT驅動電路,設計了一種基于光耦HCPL-316J的IGBT驅動電路。實驗證明該電路具有良好的驅動及保護能力。 關鍵詞: 驅動電路;IGBT保護;HCPL-316J 引言 絕緣門極雙極型晶體管(Isolated Gate Bipolar Transistor簡稱IGBT)是復合了功率場效應管和電力晶體管的優點而產生的一種新型復合器件,具有輸入阻抗高、工作速度快、熱穩定性好驅動電路簡單、通態電壓低、耐壓高和承受電流大等優點,因此現今應用相當廣泛。但是IGBT 良好特性的發揮往往因其柵極驅動電路設計上的不合理,制約著IGBT的推廣及應用。因此本文分析了IGBT對其柵極驅動電路的要求,設計一種可靠,穩定的IGBT驅動電路。    IGBT驅動電路特性及可靠性分析 門極驅動條件 IGBT的門極驅動條件密切地關系到他的靜態和動態特性。門極電路的正偏壓uGS、負偏壓-uGS和門極電阻RG的大小,對IGBT的通態電壓、開關、開關損耗、承受短路能力及du/dt電流等參數有不同程度的影響。其中門極正電壓uGS的變化對IGBT的開通特性,負載短路能力和duGS/dt電流有較大的影響,而門極負偏壓對關斷特性的影響較大。同時,門極電路設計中也必須注意開通特性,負載短路能力和由duGS/dt電流引起的誤觸發等問題。 根據上述分析,對IGBT驅動電路提出以下要求和條件: (1)由于是容性輸出輸出阻抗;因此IBGT對門極電荷集聚很敏感,驅動電路必須可靠,要保證有一條低阻抗的放電回路。 (2)用低內阻的驅動源對門極電容充放電,以保證門及控制電壓uGS有足夠陡峭的前、后沿,使IGBT的開關損耗盡量小。另外,IGBT開通后,門極驅動源應提供足夠的功率,使IGBT不至退出飽和而損壞。 (3)門極電路中的正偏壓應為+12~+15V;負偏壓應為-2V~-10V。 (4)IGBT 驅動電路中的電阻RG對工作性能有較大的影響,RG較大,有利于抑制IGBT的電流上升率及電壓上升率,但會增加IGBT 的開關時間和開關損耗;RG較小,會引起電流上升率增大,使IGBT誤導通或損壞。RG的具體數據與驅動電路的結構及IGBT 的容量有關,一般在幾歐~幾十歐,小容量的IGBT 其RG值較大。 (5)驅動電路應具有較強的抗干擾能力及對IGBT自保護功能。IGBT控制、驅動及保護電路等應與其高速開關特性相匹配,另外,在未采取適當的防靜電措施情況下,IGBT的G~E極之間不能為開路。 驅動電路分類 驅動電路分為:分立插腳式元件的驅動電路;光耦驅動電路;厚膜驅動電路;專用集成塊驅動電路。本文設計的電路采用的是光耦驅動電路。 IGBT驅動電路分析 隨著微處理技術的發展(包括處理器、系統結構和存儲器件),數字信號處理器以其優越的性能在交流調速、運動控制領域得到了廣泛的應用。一般數字信號處理器構成的控制系統, IGBT驅動信號由處理器集成的PWM模塊產生的。而PWM接口驅動能力及其與IGBT的接口電路的設計直接影響到系統工作的可靠性。因此本文采用Agilent公司的HCPL-316J門極驅動光耦合器結合DSP TMS320F2812設計出了一種可靠的IGBT驅動方案。 HCPL-316J特性 HCPL-316J是由Agilent公司生產的一種IGBT門極驅動光耦合器,其內部集成集電極發射極電壓欠飽和檢測電路及故障狀態反饋電路,為驅動電路的可靠工作提供了保障。其特性為:兼容CMOS/TYL電平;光隔離,故障狀態反饋;開關時間最大500ns;“軟”IGBT關斷;欠飽和檢測及欠壓鎖定保護;過流保護功能;寬工作電壓范圍(15~30V);用戶可配置自動復位、自動關閉。 DSP與該耦合器結合實現IGBT的驅動,使得IGBT VCE欠飽和檢測結構緊湊,低成本且易于實現,同時滿足了寬范圍的安全與調節需要。 HCPL-316J保護功能的實現 HCPL-316J內置豐富的IGBT檢測及保護功能,使驅動電路設計起來更加方便,安全可靠。其中下面詳述欠壓鎖定保護(UVLO) 和過流保護兩種保護功能的工作原理: (1)IGBT欠壓鎖定保護(UVLO)功能 在剛剛上電的過程中,芯片供電電壓由0V逐漸上升到最大值。如果此時芯片有輸出會造成IGBT門極電壓過低,那么它會工作在線性放大區。HCPL316J芯片的欠壓鎖定保護的功能(UVLO)可以解決此問題。當VCC與VE之間的電壓值小于12V時,輸出低電平,以防止IGBT工作在線性工作區造成發熱過多進而燒毀。示意圖詳見圖1中含UVLO部分。 圖1 HCPL-316J內部原理圖 (2)IGBT過流保護功能 HCPL-316J具有對IGBT的過流保護功能,它通過檢測IGBT的導通壓降來實施保護動作。同樣從圖上可以看出,在其內部有固定的7V電平,在檢測電路工作時,它將檢測到的IGBT C~E極兩端的壓降與內置的7V電平比較,當超過7V時,HCPL-316J芯片輸出低電平關斷IGBT,同時,一個錯誤檢測信號通過片內光耦反饋給輸入側,以便于采取相應的解決措施。在IGBT關斷時,其C~E極兩端的電壓必定是超過7V的,但此時,過流檢測電路失效,HCPL-316J芯片不會報故障信號。實際上,由于二極管的管壓降,在IGBT的C~E 極間電壓不到7V時芯片就采取保護動作。    驅動電路方案設計 驅動電路的主要邏輯部件是芯片HCPL-316J。它控制IGBT管的導通、關斷并且保護IGBT。它的輸出功能可以簡略的用下面的邏輯功能表來描述。(詳見表1) 表1 HCPL-316J邏輯功能表 表格中最后一列為輸出。當輸出為High時IGBT導通,否則IGBT關斷。IGBT導通需要同時具備最后一行的五個條件,缺一不可,即同相輸入為高;反相輸入為低;欠壓保護功能無效;未檢測到IGBT故障,無故障反饋信號或故障反饋信號已被清除。 根據上述輸出控制功能,設計電路如圖2。 圖2 IGBT驅動電路 整個電路板的作用相當于一個光耦隔離放大電路。它的核心部分是芯片HCPL-316J,其中由控制器(DSP-TMS320F2812)產生XPWM1及XCLEAR*信號輸出給HCPL-316J,同時HCPL-316J產生的IGBT故障信號FAULT*給控制器。同時在芯片的輸出端接了由NPN和PNP組成的推挽式輸出電路,目的是為了提高輸出電流能力,匹配IGBT驅動要求。 當HCPL-316J輸出端VOUT輸出為高電平時,推挽電路上管(T1)導通,下管(T2)截止,三端穩壓塊LM7915輸出端加在IGBT門極(VG1)上,IGBT VCE為15V,IGBT導通。當HCPL-316J輸出端VOUT輸出為低電平時,上管(T1)截止,下管(T1)導通,VCE為-9V,IGBT關斷。以上就是IGBT的開通關斷過程。 結語 IGBT對驅動電路有一些特殊要求,驅動電路性能的優劣是其可靠工作、正常運行的關鍵所在,高性能驅動電路的開發和設計是其應用的難點。本文詳細分析了IGBT柵極驅動電路的特性,設計了一個采用HCPL-316J門極驅動光耦合器為核心的IBGT驅動電路。實際中應用于驅動Eupec公司200A/600V的低損耗IGBT模塊,取得了很好的效果。 參考文獻 1.劉志剛,葉斌,梁暉,電力電子學,北京:清華大學出版社,北京交通大學出版社 2004 2. 王兆安,黃俊,電力電子技術,北京:機械工業出版社 2000 3.王建淵,鐘彥儒,張曉濱,基于數字信號處理器的IGBT驅動電路可靠性分析與設計,電源技術應用 2004 4. 郭紅霞,楊金明,IGBT的發展,電源世界,2006 5. 劉星平,李炎斌,IGBT驅動電路的研究,電氣開關,2002 作者:北京交通大學電氣工程學院 彭智剛 金新民 童亦斌 梁京哲戰亮宇 HCPL-316J為AGILENT產品,因AGILENT將半導體部門分離,因此HCPL-316J現在為AVAGO安華高品牌
 
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