HCPL-316J驅(qū)動(dòng)IGBT電路
發(fā)布時(shí)間：2019-07-31 11:18:02來(lái)源：
HCPL-316J驅(qū)動(dòng)IGBT電路
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(jiàn)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.絕緣門(mén)極雙極型晶體管(Isolated Gate Bipolar Transistor簡(jiǎn)稱IGBT)是復(fù)合了功率場(chǎng)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(jiǎn)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(duì)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(mén)極驅(qū)動(dòng)條件
IGBT的門(mén)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(mén)極電路的正偏壓uGS、負(fù)偏壓-uGS和門(mén)極電阻RG的大小,對(duì)IGBT的通態(tài)電壓、開(kāi)關(guān)、開(kāi)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(mén)極正電壓uGS的變化對(duì)IGBT的開(kāi)通特性,負(fù)載短路能力和duGS/dt電流有較大的影響,而門(mén)極負(fù)偏壓對(duì)關(guān)斷特性的影響較大.同時(shí),門(mén)極電路設(shè)計(jì)中也必須注意開(kāi)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(wèn)題.
根據(jù)上述分析,對(duì)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(duì)門(mén)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(duì)門(mén)極電容充放電,以保證門(mén)及控制電壓uGS有足夠陡峭的前、后沿,使IGBT的開(kāi)關(guān)損耗盡量小.另外,IGBT開(kāi)通后,門(mén)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(mén)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(duì)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(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)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(duì)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(kāi)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(kāi)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(mén)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(mén)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(cè)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(kāi)關(guān)時(shí)間比較大500ns;“軟”IGBT關(guān)斷;欠飽和檢測(cè)及欠壓鎖定保護(hù);過(guò)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(cè)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(cè)及保護(hù)功能,使驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)起來(lái)更加方便,安全可靠.其中下面詳述欠壓鎖定保護(hù)(UVLO) 和過(guò)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(guò)程中,芯片供電電壓由0V逐漸上升到比較大值.如果此時(shí)芯片有輸出會(huì)造成IGBT門(mén)極電壓過(guò)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(wèn)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(guò)多進(jìn)而燒毀.示意圖詳見(jiàn)圖1中含UVLO部分.
(2)IGBT過(guò)流保護(hù)功能
HCPL-316J具有對(duì)IGBT的過(guò)流保護(hù)功能,它通過(guò)檢測(cè)IGBT的導(dǎo)通壓降來(lái)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(cè)電路工作時(shí),它將檢測(cè)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(guò)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(cè)信號(hào)通過(guò)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(guò)7V的,但此時(shí),過(guò)流檢測(cè)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(jiǎn)略的用下面的邏輯功能表來(lái)描述.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)具備比較后一行的五個(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(wú)效;未檢測(cè)到IGBT故障,無(wú)故障反饋信號(hào)或故障反饋信號(hào)已被清除. 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(mén)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(kāi)通關(guān)斷過(guò)程.
結(jié)語(yǔ)
IGBT對(duì)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(kāi)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(mén)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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