HCPL316JIGBT驱动原理分析

1、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.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

2、 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/d

3、t 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+15

4、V; 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,在未采取适当的防静电措施情 况 下 ,IGBT的 GE

5、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 TMS320F281 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(1530V);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

7、 IGBT VCE欠饱和检测结构紧凑，低成本且易于实现，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

8、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.示意图详见图 1 中 含UVLO部分.(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 CE 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

9、端的电压必定是超过 7V 的，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.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；反相输入为低；欠压保护功能无效；未检测到 IGBT 故障,

10、无故障反 馈信号或故障反馈信号已被清除 . 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 XPWM 及 XCLEAF 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.当 HCPL-316J 输出端 VOUT 俞出为高电平时,推挽电路上管(T1)导通,下管(T2)截 止,三端稳压块 LM7915 俞出端加在 IGBT 门极(VG

11、1)上,IGBT VCE 为 15V,IGBT 导通. 当HCPL-316J 输出端 VOUT 俞出为低电平时,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.从图 1 可以看出，HCPL-316J 可分为输入 IC (左边)和输出 IC (右边)二部分，输入和输出之间完全能满足高压大功率 IGBT 驱动的要求。各引脚功能如下：脚 1 (VIN+)正向信号输入；脚 2 (VIN-)反向信号输入；脚 3( VCG)1 接输入电源；脚 4 (GND 输入端的地；脚 5 ( RESER)芯片复位输入端；脚 6 (FAULT 故障输出，当发生故

12、障(输出正向电压欠压或 IGBT 短路)时，通 过光耦输出故障信号；脚 7 ( V L E D 1 +)光耦测试引脚，悬挂；脚 8 (VLED1)接地；脚 9,脚 10 (VEE 给 IGBT 提供反向偏置电压；脚 11(VOUT 输出驱动信号以驱动 IGBT；脚 12(VC 三级达林顿管集电极电源；脚 13(VCC2 驱动电压源；脚 14(DESAT IGBT 短路电流检测；脚 15( VLED2+ 光耦测试引脚，悬挂；脚 16( VE 输出基准地。其工作原理如图 1 所示。若 VIN+正常输入，脚 14 没有过流信号，且 VCC2-VE=12 v 即输出正向驱动电压正常，驱动信号输出高电平

13、，故障信号和欠压信号输出低电平。首先 3 路信号共同输入到 JP3, D 点低电平，B 点也为低电平，50XDMO 处于关断状态。此时 JP1 的输入的 4 个状态从上至下依次为低、高、低、低，A 点高电平，驱动三级达林顿管导通，IGBT 也随之开通。若 IGBT 出现过流信号(脚 14 检测到 IGBT 集电极上电压=7V)，而输入驱动信 号继续加在脚 1,欠压信号为低电平，B 点输出低电平，三级达林顿管被关断，1XDMO 导通，IGBT 栅射集之间的电压慢慢放掉，实现慢降栅压。当VOUT=2 时，即 VOUT 俞出低电平，C 点变为低电平，B 点为高电平，50XDMOS通，IGBT 栅射

14、集迅速放电。故障线上信号通过光耦，再经过RS 触发器，Q 输出高电平，使输入光耦被封锁。同理可以分析只欠压的情况和即欠压又过流的情况。HCPL-316J 左边的 VIN+, FAULT 和 RESETS 别与微机相连。R7，R8, R9, D5, D6 和C12 起输入保护作用，防止过高的输入电压损坏 IGBT，但是保护电路会产生约 1“延时，在开关频率超过 100kHz 时不适合使用。Q3 最主要起互锁作用，当两路 PWM!号（同一桥臂）都为高电平时，Q3 导通，把输入电平拉低，使输出端也为低电平。图 3 中的互锁信号 In terlock ，和 In terlock2 分别与另外一个 31

15、6JInterlock2 和 Interlock1 相连。R1 和 C2 起到了对故障信号的放大和滤波，当有干扰信号后，能让微机正确接受信息。在输出端，R5 和 C7 关系到 IGBT 开通的快慢和开关损耗，增加 C7 可以明显地 减小dic /dt。首先计算栅极电阻：其中 ION 为开通时注入 IGBT 的栅极电流。为 使 IGBT 迅速开通，设计，IONMA）值为 20A。输出低电平 VOL=2v 可得C3 是一个非常重要的参数，最主要起充电延时作用。当系统启动，芯片开始工 作时，由于 IGBT 的集电极 C 端电压还远远大于 7V,若没有 C3,则会错误地发出短 路故障信号，使输出直接关断。当芯片正常工作以后，假使集电极电压瞬间升高， 之后立刻恢复正常，若没有 C3,则也会发出错误的故障信号，使 IGBT 误关断。但 是，C3 的取值过大会使系统反应变慢，而且在饱和情况下，也可能使IGBT 在延时时间内就被烧坏，起不到正确的保护作用，C3 取值 100pF,其延时时间i = G x U/1=100pF x（7-2X0.6）V/250JLA=2, 3