IGBT模块的一种驱动方法

IGBT模块的一种驱动方法

2009-8-18 9:01:53　西安工程大学乔冠梁丁远翔丁学文　供稿

摘要：介绍了光电耦合驱动芯片HCPL-316J，HCPL-3120的功能特点,驱动和保护IGBT模块的具体应用。因为IGBT是电压驱动型开关器件，它的下桥臂需要过流保护功能而上桥臂不需要，上下桥臂采用不同的驱动芯片。采用HCPL-316J芯片驱动IGBT模块的下桥臂，采用HCPL-3120芯片驱动IGBT模块的上桥臂。结果表明，该方法达到了良好的驱动效果。

关键词：光电耦合驱动芯片 IGBT HCPL-316J HCPL-3120

ABSTRACT: It introduced the function and feature of the optocoupler drive chip HCPL-316J，HCPL-3120 , the use of them to drive and protect IGBT module. Because IGBT is voltage-driven switch device, its below bridge arm needs to be protected by the function of overcurrent but up bridge arm does not need, the up and below bridge arm adopt the different drive chips. Using chip HCPL-316J drives the below bridge arm of IGBT module and using chip HCPL-3120 drives the up bridge arm of IGBT module. The result shows that this method achieves the good effect.

KEY WORDS: optocoupler drive chip IGBT HCPL-316J HCPL-3120

0 引言

　　近年来,新型功率开关器件IGBT 已逐渐被人们所认识。与以前的各种电力电子器件相比, IGBT具有以下特点：高的输入阻抗，使之可采用通用低成本的驱动线路;高速开关特性;导通状态的损耗低。 IGBT 在综合性能方面占有明显的优势,并正越来越多地应用到工作频率为几十千赫、输出功率为几千瓦到几十千瓦的各类电力变换装置中。在设计驱动电路时，主要考虑以下的参数：IGBT的额定值;短路电流特性;感性负载的关断特性;最大栅极发射极电压;栅极输入电容;安全工作区特性。

　　光电耦合驱动芯片的特点是输入、输出两侧都是有源的,由它提供的正向脉冲及负向封锁脉冲的宽度可以不受限制,而且可以较容易地通过检测IGBT 通态集电极电压实现过流及短路保护,并对外送出过流信号。因此具有使用方便,一致性及稳定性较好的优点。

1 IGBT下桥臂驱动芯片HCPL-316J

　　该芯片的主要特征是：16脚双列直插芯片;可驱动150A/1200V的IGBT;宽电源电压范围：15～30V;最大开关时间：0.5 us;死区时间：2us;能兼容CMOS/TTL电平;光隔离，故障状态反馈;IGBT “软”关断;VCE欠饱和检测及带滞环欠压锁定保护;用户可配置自动复位、自动关闭。最小共模抑制15kV/μS（在VCM=1500V时）;具有过流关断、欠压封锁功能;当线路过流或VCC欠压时它便可自动封锁所有输出，并发出一报警信号;当高侧的悬浮偏置电压源欠压时，它会通过其内部的欠压自锁电路将3路高侧输出封锁。

　　1.1 HCPL-316J内部结构介绍：

　　该驱动芯片有过电流检测和欠电压封锁输出（Under Voltage Lock-Out）。当过电流发生时，能输出故障信号（供保护用），并使IGBT软关断。电源电压范围为15～30V，在V cm =1500V下最小共膜抑制（CMR）电压为15kv/us，用户可设定正/负逻辑输入、自动复位、自动关断。

图1 HCPL-316J内部结构图

　　图1中光耦管LED1等组成了输入控制电路，Vin+和Vin-分别为正/负逻辑输入端。当输入负逻辑信号时，Vin+要求置高电平，Vin-接输入信号;反之当输入正逻辑信号时，则要求Vin-置低电平，Vin+接输入信号。输入信号门电路由LED1传送到内部驱动电路并转换为IGBT的门极驱动信号。光耦管LED2等组成了故障信号控制电路，该驱动器7号端子悬空，8号端子接地，Vcc1和GND1为输入侧电源，Vcc2和Vee为输出侧电源，Vc为推挽式输出三极管集电极的电源可直接与Vcc2相接，或者串联一个电阻Rc以限制输出导通电流，Vout为门极驱动电压输出端。可以在被驱动的功率器件过流或门极驱动电路自身电源发生故障时,对被驱动的IGBT进行快速有效的保护。该系列驱动器只需一个非隔离的+15V电源;具有高dv/dt容量;保护功能完善;故障记忆，通过信号告知控制系统;上下互锁，避免同一桥臂两只IGBT同时开通;栅极电阻外部可调，使得使用不同功率容量的IGBT时都能工作于较高的开关频率，并得到高的转换效率。

　　由LED2等组成的故障保护电路，DESAT为过电流检测输入端，通过串联电阻和箝位二极管与IGBT集电极相连。正常状态下，不可能检测到过电流故障，FAULT为低电平，RS触发器输出端Q保持低电平，确保输入信号通过发光二极管LED1，且故障信号输出为高电平，复位端对输入通道不起作用。若DESAT检测到过电流信号（DESAT端电压超过7V），则FAULT为高电平。该信号经内部逻辑一方面封锁驱动器输出及LED1的输入信号，另一方面使LED2导通，RS触发器输出端Q为高电平，故障输出为低电平，通知外部微机。当IGBT发生过电流后，驱动器输出电平下降，使IGBT软关断，以避免突然关断时因产生过电压而导致IGBT损坏。另外，由于故障输出端为集电极开路，可实现多个芯片的段并联到微机上。

图 2 工作时序图

　　端发生故障信号后，将一直保持低电平，直至端输入复位低电平信号为止。

　　在利用下臂驱动芯片驱动比150A/1200V更大的IGBT时，可外接电流缓冲器，以扩大其驱动能力。由图2的工作时序图可知，当DESAT端电压超过7V时，将产生过电流动作。IGBT下桥臂的驱动电路图如图3所示：

图3 下桥臂IGBT驱动电路原理图

　　图3中：电源+5V、VB+、VB-（VB+与VB-的电压是25V）为芯片提供工作电压。与芯片16脚相连的电位符号IGBTBE和IGBT模块下桥臂的发射极相连，与芯片11脚相连的IGBTBG1～3分别和下桥臂的门极相接，可以控制IGBT的开通和关断。当芯片14脚DESAT的端电压高于7V检测到过流信号或VCC欠压时，6脚为低电平，芯片自动封锁所有输出，起到保护IGBT模块的作用，同时发出一个报警信号给微处理器。

　　2上桥臂驱动芯片HCPL-3120

　　上臂驱动芯片HCPL-3120由磷砷化镓光耦合器和功率输出电路组成。它的主要特征是：8脚双列直插芯片;驱动电路的最大输出电流峰值为2.0A;最小共模抑制15kV/μS（在VCM=1500V时）;最大低电平电压0.5V，不需栅极负压;最大供电电流Icc=5mA;电源电压范围，15～30V;最大开关速度：0.5μS;有滞环欠电压锁定输出（UVLO）。

　　该驱动芯片的内部结构框图如下：

图 4

　　其输出电路的宽限工作电压范围，使其易于提供门控器件所需的驱动电压。它适合于额定容量为1200V/100A的IGBT。对于更高容量的IGBT，可外接电流缓冲器，以扩大其驱动能力。

　　图5为上桥臂IGBT驱动电路的原理图。

图5 IGBT上桥臂的驱动电路

　　图5中，VU+与VU-的电压为25V，输出端（Vo）IGBTTG1和IGBT模块上桥臂中U项的一个门极相接，IGBTTE1和发射极相连，从而可以控制IGBT的开通和关断。

3 实验结果及分析

图6电压输出波形（频率为50HZ的三相交流输出）

　　图6是在测试时从示波器上得到的。从图中可以看到：正向驱动电压为+16.5V，负向驱动电压为-7.5V;采用此种方式的优点是：能够有效、快速的使IGBT开通和关断，减少了开通和关断过程中的损耗。

4 结束语

　　该方法在充分利用和满足IGBT模块的特点、要求的情况下，着重研究了IGBT的驱动和保护特性，我们选用了对应的驱动芯片HCPL-316J、HCPL-3120来对其进行驱动和保护，满足了IGBT的开通和关断的动态要求，使IGBT展现出了它的优点并获得了较高的可靠性。

参考文献：

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　　[6] TMS320C54XCode Composer Studio Tutorial. Literature Number:SPRU327C February 2000.Texas Instruments Incorporated

　　[7] Code Composer Studio Getting Started Guide. Literature Number:SPRU509C November 2001. Texas Instruments Incorporated

　　[8] TMS320C54X Code Composer Studio version 2 help

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