HCPL-316J驱动IGBT电路
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*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*双*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*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*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*驱动电路的要求,设计*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*驱动条件
IGBT的门*驱动条件密切地关系到他的静态和动态特性.门*电路的正偏压uGS、负偏压-uGS和门*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*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*负偏压对关断特性的影响较大.同时,门*电路设计中也必须注意开通特性,负载短路能力和由duGS/dt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*电荷集聚很敏感,驱动电路必须可靠,要保证有*条低阻抗的放电回路.
(2)用低内阻的驱动源对门*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*驱动源应提供足够的功率,使IGBT不至退出饱和而损坏.
(3)门*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,*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G~E*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;*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*域得到了广泛的应用.*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Agilent公司的HCPL-316J门*驱动光耦合器结合DSP TMS320F2812设计出了*种可靠的IGBT驱动方案.
HCPL-316J特性
HCPL-316J是由Agilent公司生产的*种IGBT门*驱动光耦合器,其内部集成集电*发射*电压欠饱和*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*大500ns;“软”IGBT关断;欠饱和*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*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*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*大值.如果此时芯片有输出会造成IGBT门*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.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*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*测电路工作时,它将*测到的IGBT C~E*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,*个错误*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C~E*两端的电压必定是超过7V的,但此时,过流*测电路失效,HCPL-316J芯片不会报故障信号.实际上,由于二*管的管压降,在IGBT的C~E *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*后*行的五个条件,缺*不可,即同相输入为高;反相输入为低;欠压保护功能*效;未*测到IGBT故障,*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*个光耦隔离放大电路.它的核*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.
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*(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*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*驱动电路的特性,设计了*个采用HCPL-316J门*驱动光耦合器为核*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.
(欢迎来电咨询 郑州中鑫自动化设备有限公司 网址：www.hnzkwx.com 电话：0371-60133978 手机：13837132021 )