IGBT驅動(dòng)電路

摘要： 本文在分析了IGBT驅動(dòng)條件的基礎上介紹了幾種常見(jiàn)的IGBT驅動(dòng)電路，設計了一種基于光耦HCPL-316J的IGBT驅動(dòng)電路。實(shí)驗證明該電路具有良好的驅動(dòng)及保護能力。

關(guān)鍵詞： 驅動(dòng)電路；IGBT保護；HCPL-316J

引言

絕緣門(mén)極雙極型晶體管(Isolated Gate Bipolar Transistor簡(jiǎn)稱(chēng)IGBT)是復合了功率場(chǎng)效應管和電力晶體管的優(yōu)點(diǎn)而產(chǎn)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(dòng)電路簡(jiǎn)單、通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點(diǎn)，因此現今應用相當廣泛。但是IGBT 良好特性的發(fā)揮往往因其柵極驅動(dòng)電路設計上的不合理，制約著(zhù)IGBT的推廣及應用。因此本文分析了IGBT對其柵極驅動(dòng)電路的要求，設計一種可靠，穩定的IGBT驅動(dòng)電路。
　　
IGBT驅動(dòng)電路特性及可靠性分析

門(mén)極驅動(dòng)條件

IGBT的門(mén)極驅動(dòng)條件密切地關(guān)系到他的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。門(mén)極電路的正偏壓uGS、負偏壓-uGS和門(mén)極電阻RG的大小，對IGBT的通態(tài)電壓、開(kāi)關(guān)、開(kāi)關(guān)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(mén)極正電壓uGS的變化對IGBT的開(kāi)通特性，負載短路能力和duGS/dt電流有較大的影響，而門(mén)極負偏壓對關(guān)斷特性的影響較大。同時(shí)，門(mén)極電路設計中也必須注意開(kāi)通特性，負載短路能力和由duGS/dt電流引起的誤觸發(fā)等問(wèn)題。

根據上述分析，對IGBT驅動(dòng)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(mén)極電荷集聚很敏感，驅動(dòng)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(dòng)源對門(mén)極電容充放電，以保證門(mén)及控制電壓uGS有足夠陡峭的前、后沿，使IGBT的開(kāi)關(guān)損耗盡量小。另外，IGBT開(kāi)通后，門(mén)極驅動(dòng)源應提供足夠的功率，使IGBT不至退出飽和而損壞。

(3)門(mén)極電路中的正偏壓應為+12～+15V；負偏壓應為-2V～-10V。

(4)IGBT 驅動(dòng)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(huì )增加IGBT 的開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗；RG較小，會(huì )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(dòng)電路的結構及IGBT 的容量有關(guān)，一般在幾歐～幾十歐，小容量的IGBT 其RG值較大。

(5)驅動(dòng)電路應具有較強的抗干擾能力及對IGBT 的自保護功能。IGBT 的控制、驅動(dòng)及保護電路等應與其高速開(kāi)關(guān)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(kāi)路。

驅動(dòng)電路分類(lèi)

驅動(dòng)電路分為：分立插腳式元件的驅動(dòng)電路；光耦驅動(dòng)電路；厚膜驅動(dòng)電路；專(zhuān)用集成塊驅動(dòng)電路。本文設計的電路采用的是光耦驅動(dòng)電路。

IGBT驅動(dòng)電路分析

隨著(zhù)微處理技術(shù)的發(fā)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(yōu)越的性能在交流調速、運動(dòng)控制領(lǐng)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(dòng)信號由處理器集成的PWM模塊產(chǎn)生的。而PWM接口驅動(dòng)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(mén)極驅動(dòng)光耦合器結合DSP TMS320F2812設計出了一種可靠的IGBT驅動(dòng)方案。

HCPL-316J特性

HCPL-316J是由Agilent公司生產(chǎn)的一種IGBT門(mén)極驅動(dòng)光耦合器，其內部集成集電極發(fā)射極電壓欠飽和檢測電路及故障狀態(tài)反饋電路，為驅動(dòng)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(tài)反饋；開(kāi)關(guān)時(shí)間最大500ns；“軟”IGBT關(guān)斷；欠飽和檢測及欠壓鎖定保護；過(guò)流保護功能；寬工作電壓范圍(15～30V)；用戶(hù)可配置自動(dòng)復位、自動(dòng)關(guān)閉。 DSP與該耦合器結合實(shí)現IGBT的驅動(dòng)，使得IGBT VCE欠飽和檢測結構緊湊，低成本且易于實(shí)現，同時(shí)滿(mǎn)足了寬范圍的安全與調節需要。

HCPL-316J保護功能的實(shí)現

HCPL-316J內置豐富的IGBT檢測及保護功能，使驅動(dòng)電路設計起來(lái)更加方便，安全可靠。其中下面詳述欠壓鎖定保護(UVLO) 和過(guò)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(guò)程中，芯片供電電壓由0V逐漸上升到最大值。如果此時(shí)芯片有輸出會(huì )造成IGBT門(mén)極電壓過(guò)低，那么它會(huì )工作在線(xiàn)性放大區。HCPL316J芯片的欠壓鎖定保護的功能(UVLO)可以解決此問(wèn)題。當VCC與VE之間的電壓值小于12V時(shí)，輸出低電平，以防止IGBT工作在線(xiàn)性工作區造成發(fā)熱過(guò)多進(jìn)而燒毀。示意圖詳見(jiàn)圖1中含UVLO部分。

圖1  HCPL-316J內部原理圖

(2)IGBT過(guò)流保護功能
HCPL-316J具有對IGBT的過(guò)流保護功能，它通過(guò)檢測IGBT的導通壓降來(lái)實(shí)施保護動(dòng)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(shí)，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(guò)7V時(shí)，HCPL-316J芯片輸出低電平關(guān)斷IGBT，同時(shí)，一個(gè)錯誤檢測信號通過(guò)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(guān)斷時(shí)，其C～E極兩端的電壓必定是超過(guò)7V的，但此時(shí)，過(guò)流檢測電路失效，HCPL-316J芯片不會(huì )報故障信號。實(shí)際上，由于二極管的管壓降，在IGBT的C～E 極間電壓不到7V時(shí)芯片就采取保護動(dòng)作。
　　
驅動(dòng)電路方案設計

驅動(dòng)電路的主要邏輯部件是芯片HCPL-316J。它控制IGBT管的導通、關(guān)斷并且保護IGBT。它的輸出功能可以簡(jiǎn)略的用下面的邏輯功能表來(lái)描述。(詳見(jiàn)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(shí)IGBT導通，否則IGBT關(guān)斷。IGBT導通需要同時(shí)具備最后一行的五個(gè)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(wú)效；未檢測到IGBT故障，無(wú)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(dòng)電路

整個(gè)電路板的作用相當于一個(gè)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(chǎn)生XPWM1及XCLEAR*信號輸出給HCPL-316J，同時(shí)HCPL-316J產(chǎn)生的IGBT故障信號FAULT*給控制器。同時(shí)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(dòng)要求。

當HCPL-316J輸出端VOUT輸出為高電平時(shí)，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(mén)極(VG1)上，IGBT VCE為15V，IGBT導通。當HCPL-316J輸出端VOUT輸出為低電平時(shí)，上管(T1)截止，下管(T1)導通，VCE為-9V，IGBT關(guān)斷。以上就是IGBT的開(kāi)通關(guān)斷過(guò)程。

結語(yǔ)

IGBT對驅動(dòng)電路有一些特殊要求，驅動(dòng)電路性能的優(yōu)劣是其可靠工作、正常運行的關(guān)鍵所在，高性能驅動(dòng)電路的開(kāi)發(fā)和設計是其應用的難點(diǎn)。本文詳細分析了IGBT柵極驅動(dòng)電路的特性，設計了一個(gè)采用HCPL-316J門(mén)極驅動(dòng)光耦合器為核心的IBGT驅動(dòng)電路。實(shí)際中應用于驅動(dòng)Eupec公司200A/600V的低損耗IGBT模塊，取得了很好的效果。

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