IGBT模塊的一種驅(qū)動設(shè)計

1 引言

近年來，新型功率開關(guān)器件IGBT已逐漸被人們所認識。與以前的各種電力電子器件相比，IGBI、具有以下特點：高輸入阻抗，可采用通用低成本的驅(qū)動線路；高速開關(guān)特性；導(dǎo)通狀態(tài)低損耗。IGBT在綜合性能方面占有明顯優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于工作頻率為幾十千赫茲，輸出功率為幾千瓦到幾十千瓦的各類電力變換裝置。在設(shè)計驅(qū)動電路時，主要考慮以下參數(shù)：IGBT的額定值、短路電流特性、感性負載的關(guān)斷特性、最大柵極發(fā)射極電壓、柵極輸入電容、安全工作區(qū)特性。

光電耦合驅(qū)動器件的輸入、輸出都是有源的，其正向脈沖及負向閉鎖脈沖的寬度不受限制，可容易地通過檢測IGBT通態(tài)集電極電壓實現(xiàn)過流及短路保護，并向微處理器發(fā)出過流報警信號。

2 IGBT下橋臂驅(qū)動器件HCPL-316J

HCPL-316J的主要特征：16引腳雙列直插封裝；可驅(qū)動150 A／1 200 V的IGBT；寬電源電壓范圍為15 V～30 V；最大開關(guān)時間為0.5μs；死區(qū)時間為2μs；兼容CMOS／TTL電平；具有光隔離、故障狀態(tài)反饋功能；IGBT“軟”關(guān)斷；VCE欠飽和檢測及帶滯環(huán)欠壓鎖定保護；用戶可配置自動復(fù)位、自動關(guān)閉。最小共模抑制15 kV／μs(VCM=1500 V時)；具有過流關(guān)斷、欠壓封鎖功能；當線路過流或VCC欠壓時可自動閉鎖所有輸出，并發(fā)出報警信號；當高側(cè)的懸浮偏置電壓源欠壓時，可通過其內(nèi)部的欠壓自鎖電路將3路高側(cè)輸出封鎖。

HCPL-316J具有過流檢測和欠壓閉鎖輸出(under voltage lock-out)功能。過流時，輸出故障信號，IGBT軟關(guān)斷；電源電壓范圍為15 V～30 V，在VCM=1 500 V下，最小共模抑制(CMR)電壓為15kV／μs，用戶可設(shè)定正／負邏輯輸入、自動復(fù)位和自動關(guān)斷。

圖1為HCPL-316J內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。光耦管LED1組成輸入控制電路，VIN+和VIN-分別為正／負邏輯輸入端。當輸入負邏輯信號時，VIN+置為高電平，VIN-接輸入信號；反之，當輸入正邏輯信號時，則VIN-置為低電平，VIN+接輸入信號。輸入信號門電路由LED1傳送到內(nèi)部驅(qū)動電路并轉(zhuǎn)換為IGBT的門極驅(qū)動信號。光耦管LED2等組成故障信號控制電路，該驅(qū)動器7引腳懸空，8引腳接地，VCC1和GND1為輸入側(cè)電源，VCC2和VEE為輸出側(cè)電源，VC為推挽式輸出三極管集電極的電源可直接與VCC2相接，或者串聯(lián)一只電阻RC以限制輸出導(dǎo)通電流，VOUT為門極驅(qū)動電壓輸出端?？梢栽诒或?qū)動的功率器件過流或門極驅(qū)動電路自身電源發(fā)生故障時，對被驅(qū)動的IGBT進行快速有效地保護。該系列驅(qū)動器只需一個非隔離的+15 V電源；具有高dv／dt容量；保護功能完善；故障記憶，通過FAULT信號告知控制系統(tǒng)；上下互鎖，避免同一橋臂兩只IGBT同時開通；柵極電阻外部可調(diào)，使用不同功率的IGBT時都能工作在較高的開關(guān)頻率下，并得到高轉(zhuǎn)換效率。

由LED2等組成的故障保護電路，DESAT為過流檢測輸入端，通過串聯(lián)電阻和箝位二極管與IGBT集電極相連。正常狀態(tài)下，不可能檢測到過流故障，F(xiàn)AULT為低電平，RS觸發(fā)器輸出端Q保持低電平，確保輸入信號通過發(fā)光二極管LED1，且故障信號輸出FAULT為高電平，復(fù)位端RESET對輸入通道不起作用。若DESAT檢測到過流信號(DESAT端電壓超過7 V)，則FAULT為高電平。該信號經(jīng)內(nèi)部邏輯一方面閉鎖驅(qū)動器輸出及LED1的輸入信號，另一方面使LED2導(dǎo)通，RS觸發(fā)器輸出端Q為高電平，故障輸出FAULT為低電平，通知外部微機。當IGBT發(fā)生過流。驅(qū)動器輸出電平下降，使IGBT軟關(guān)斷，以避免突然關(guān)斷時因產(chǎn)生過壓而導(dǎo)致IGBT損壞。另外，由于故障輸出端FAULT為集電極開路，可實現(xiàn)多個器件的FAULT并聯(lián)到微機上。

FAULT發(fā)生故障后一直保持低電平，直至RESET輸入復(fù)位為低電平信號。

在利用下臂驅(qū)動器驅(qū)動比150 A／1 200 V更大的IGBT時，可外接電流緩沖器，以擴大其驅(qū)動能力。由圖2的工作時序可知，當DESAT端電壓超過7 V時，產(chǎn)生過流。IGBT下橋臂的驅(qū)動電路圖如圖3所示。

圖3中電源+5 V、VB+、VB-(VB+與VB-的電壓均為25 V)為器件提供工作電壓。與16引腳相連的電位符號IGBTBE和IGBT模塊下橋臂的發(fā)射極相連，與11引腳相連的IGBTBG1～3分別和下橋臂的門極相接，控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷。當14引腳DESAT的電壓高于7 V檢測到過流信號或VCC欠壓時，6引腳FAULT為低電平，器件自動閉鎖所有輸出，用于保護IGBT模塊，同時向微處理器發(fā)出一個報警信號。

3 上橋臂驅(qū)動器HCPL-3120

上橋臂驅(qū)動HCPL-3120是由磷砷化鎵光耦合器和功率輸出電路組成，其主要特征：8引腳雙列直插封裝；驅(qū)動電路的最大輸出電流峰值為2.0 A；最小共模抑制比為15 kV／μs；最大低電平為0.5 V，無需柵極負壓；最大供電電流為5 mA；電源電壓范圍為15 V～30 V；最大開關(guān)速度為0．5斗s；具有滯環(huán)欠壓鎖定輸出(UVLO)功能。HCPL-3120的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。HCPL-3120輸出電路具有寬限工作電壓范圍，使其易于提供門控器件所需的驅(qū)動電壓。它適于額定容量為1 200 V／100 A的IGBT。對于更高容量的IGBT，可外接電流緩沖器，以擴展其驅(qū)動能力。上橋臂IGBT驅(qū)動電路的原理圖如圖5所示。

圖5中。VU+與VU-電壓為25 V，輸出端(Vo)IGBTTG1和IGBT模塊上橋臂中U項的一個門極相連接，IGBTTE1和發(fā)射極相連接，從而控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷。

4 實驗結(jié)果及分析

圖6是測試時從示波器上獲取的。從圖中看到正向驅(qū)動電壓為+16.5 V，負向驅(qū)動電壓為-7.5 V；采用此種方式能夠有效、快速地導(dǎo)通和關(guān)斷IGBT，減少了導(dǎo)通和關(guān)斷過程中的損耗。

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)設(shè)計在充分利用和滿足IGBT模塊的特點和要求的情況下，著重研究了IGBT的驅(qū)動和保護特性，選用了驅(qū)動器件HCPL-316J、HCPL-3120對其驅(qū)動和保護，滿足了IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷動態(tài)要求，使IGBT具有較高的可靠性。