IGBT驅(qū)動(dòng)電路

摘要： 本文在分析了IGBT驅(qū)動(dòng)條件的基礎(chǔ)上介紹了幾種常見的IGBT驅(qū)動(dòng)電路，設(shè)計(jì)了一種基于光耦HCPL-316J的IGBT驅(qū)動(dòng)電路。實(shí)驗(yàn)證明該電路具有良好的驅(qū)動(dòng)及保護(hù)能力。

關(guān)鍵詞： 驅(qū)動(dòng)電路；IGBT保護(hù)；HCPL-316J

引言

絕緣門極雙極型晶體管(Isolated Gate Bipolar Transistor簡稱IGBT)是復(fù)合了功率場效應(yīng)管和電力晶體管的優(yōu)點(diǎn)而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合器件，具有輸入阻抗高、工作速度快、熱穩(wěn)定性好驅(qū)動(dòng)電路簡單、通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點(diǎn)，因此現(xiàn)今應(yīng)用相當(dāng)廣泛。但是IGBT 良好特性的發(fā)揮往往因其柵極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)上的不合理，制約著IGBT的推廣及應(yīng)用。因此本文分析了IGBT對其柵極驅(qū)動(dòng)電路的要求，設(shè)計(jì)一種可靠，穩(wěn)定的IGBT驅(qū)動(dòng)電路。
　　
IGBT驅(qū)動(dòng)電路特性及可靠性分析

門極驅(qū)動(dòng)條件

IGBT的門極驅(qū)動(dòng)條件密切地關(guān)系到他的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。門極電路的正偏壓uGS、負(fù)偏壓-uGS和門極電阻RG的大小，對IGBT的通態(tài)電壓、開關(guān)、開關(guān)損耗、承受短路能力及du/dt電流等參數(shù)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(fù)載短路能力和duGS/dt電流有較大的影響，而門極負(fù)偏壓對關(guān)斷特性的影響較大。同時(shí)，門極電路設(shè)計(jì)中也必須注意開通特性，負(fù)載短路能力和由duGS/dt電流引起的誤觸發(fā)等問題。

根據(jù)上述分析，對IGBT驅(qū)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對門極電荷集聚很敏感，驅(qū)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(nèi)阻的驅(qū)動(dòng)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(guān)損耗盡量小。另外，IGBT開通后，門極驅(qū)動(dòng)源應(yīng)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(yīng)為+12～+15V；負(fù)偏壓應(yīng)為-2V～-10V。

(4)IGBT 驅(qū)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 的開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗；RG較小，會(huì)引起電流上升率增大，使IGBT 誤導(dǎo)通或損壞。RG的具體數(shù)據(jù)與驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力及對IGBT 的自保護(hù)功能。IGBT 的控制、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路等應(yīng)與其高速開關(guān)特性相匹配，另外，在未采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施情況下，IGBT的G～E極之間不能為開路。

驅(qū)動(dòng)電路分類

驅(qū)動(dòng)電路分為：分立插腳式元件的驅(qū)動(dòng)電路；光耦驅(qū)動(dòng)電路；厚膜驅(qū)動(dòng)電路；專用集成塊驅(qū)動(dòng)電路。本文設(shè)計(jì)的電路采用的是光耦驅(qū)動(dòng)電路。

IGBT驅(qū)動(dòng)電路分析

隨著微處理技術(shù)的發(fā)展(包括處理器、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)器件)，數(shù)字信號(hào)處理器以其優(yōu)越的性能在交流調(diào)速、運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。一般數(shù)字信號(hào)處理器構(gòu)成的控制系統(tǒng)， IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)由處理器集成的PWM模塊產(chǎn)生的。而PWM接口驅(qū)動(dòng)能力及其與IGBT的接口電路的設(shè)計(jì)直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性。因此本文采用Agilent公司的HCPL-316J門極驅(qū)動(dòng)光耦合器結(jié)合DSP TMS320F2812設(shè)計(jì)出了一種可靠的IGBT驅(qū)動(dòng)方案。

HCPL-316J特性

HCPL-316J是由Agilent公司生產(chǎn)的一種IGBT門極驅(qū)動(dòng)光耦合器，其內(nèi)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(qū)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(hù)；過流保護(hù)功能；寬工作電壓范圍(15～30V)；用戶可配置自動(dòng)復(fù)位、自動(dòng)關(guān)閉。 DSP與該耦合器結(jié)合實(shí)現(xiàn)IGBT的驅(qū)動(dòng)，使得IGBT VCE欠飽和檢測結(jié)構(gòu)緊湊，低成本且易于實(shí)現(xiàn)，同時(shí)滿足了寬范圍的安全與調(diào)節(jié)需要。

HCPL-316J保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)

HCPL-316J內(nèi)置豐富的IGBT檢測及保護(hù)功能，使驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)起來更加方便，安全可靠。其中下面詳述欠壓鎖定保護(hù)(UVLO) 和過流保護(hù)兩種保護(hù)功能的工作原理：

(1)IGBT欠壓鎖定保護(hù)(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(shí)芯片有輸出會(huì)造成IGBT門極電壓過低，那么它會(huì)工作在線性放大區(qū)。HCPL316J芯片的欠壓鎖定保護(hù)的功能(UVLO)可以解決此問題。當(dāng)VCC與VE之間的電壓值小于12V時(shí)，輸出低電平，以防止IGBT工作在線性工作區(qū)造成發(fā)熱過多進(jìn)而燒毀。示意圖詳見圖1中含UVLO部分。

圖1  HCPL-316J內(nèi)部原理圖

(2)IGBT過流保護(hù)功能
HCPL-316J具有對IGBT的過流保護(hù)功能，它通過檢測IGBT的導(dǎo)通壓降來實(shí)施保護(hù)動(dòng)作。同樣從圖上可以看出，在其內(nèi)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(nèi)置的7V電平比較，當(dāng)超過7V時(shí)，HCPL-316J芯片輸出低電平關(guān)斷IGBT，同時(shí)，一個(gè)錯(cuò)誤檢測信號(hào)通過片內(nèi)光耦反饋給輸入側(cè)，以便于采取相應(yīng)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7V的，但此時(shí)，過流檢測電路失效，HCPL-316J芯片不會(huì)報(bào)故障信號(hào)。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(hù)動(dòng)作。
　　
驅(qū)動(dòng)電路方案設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路的主要邏輯部件是芯片HCPL-316J。它控制IGBT管的導(dǎo)通、關(guān)斷并且保護(hù)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(dāng)輸出為High時(shí)IGBT導(dǎo)通，否則IGBT關(guān)斷。IGBT導(dǎo)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(hù)功能無效；未檢測到IGBT故障，無故障反饋信號(hào)或故障反饋信號(hào)已被清除。

根據(jù)上述輸出控制功能，設(shè)計(jì)電路如圖2。

圖2  IGBT驅(qū)動(dòng)電路

整個(gè)電路板的作用相當(dāng)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(hào)輸出給HCPL-316J，同時(shí)HCPL-316J產(chǎn)生的IGBT故障信號(hào)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(qū)動(dòng)要求。

當(dāng)HCPL-316J輸出端VOUT輸出為高電平時(shí)，推挽電路上管(T1)導(dǎo)通，下管(T2)截止， 三端穩(wěn)壓塊LM7915輸出端加在IGBT門極(VG1)上，IGBT VCE為15V，IGBT導(dǎo)通。當(dāng)HCPL-316J輸出端VOUT輸出為低電平時(shí)，上管(T1)截止，下管(T1)導(dǎo)通，VCE為-9V，IGBT關(guān)斷。以上就是IGBT的開通關(guān)斷過程。

結(jié)語

IGBT對驅(qū)動(dòng)電路有一些特殊要求，驅(qū)動(dòng)電路性能的優(yōu)劣是其可靠工作、正常運(yùn)行的關(guān)鍵所在，高性能驅(qū)動(dòng)電路的開發(fā)和設(shè)計(jì)是其應(yīng)用的難點(diǎn)。本文詳細(xì)分析了IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電路的特性，設(shè)計(jì)了一個(gè)采用HCPL-316J門極驅(qū)動(dòng)光耦合器為核心的IBGT驅(qū)動(dòng)電路。實(shí)際中應(yīng)用于驅(qū)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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