IGBT模塊的一種驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

1 引言

近年來，新型功率開關(guān)器件IGBT已逐漸被人們所認(rèn)識(shí)。與以前的各種電力電子器件相比，IGBI、具有以下特點(diǎn)：高輸入阻抗，可采用通用低成本的驅(qū)動(dòng)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(shì)，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(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，主要考慮以下參數(shù)：IGBT的額定值、短路電流特性、感性負(fù)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(dòng)器件的輸入、輸出都是有源的，其正向脈沖及負(fù)向閉鎖脈沖的寬度不受限制，可容易地通過檢測(cè)IGBT通態(tài)集電極電壓實(shí)現(xiàn)過流及短路保護(hù)，并向微處理器發(fā)出過流報(bào)警信號(hào)。

2 IGBT下橋臂驅(qū)動(dòng)器件HCPL-316J

HCPL-316J的主要特征：16引腳雙列直插封裝；可驅(qū)動(dòng)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(shí)間為0.5μs；死區(qū)時(shí)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(cè)及帶滯環(huán)欠壓鎖定保護(hù)；用戶可配置自動(dòng)復(fù)位、自動(dòng)關(guān)閉。最小共模抑制15 kV／μs(VCM=1500 V時(shí))；具有過流關(guān)斷、欠壓封鎖功能；當(dāng)線路過流或VCC欠壓時(shí)可自動(dòng)閉鎖所有輸出，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)；當(dāng)高側(cè)的懸浮偏置電壓源欠壓時(shí)，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(cè)和欠壓閉鎖輸出(under voltage lock-out)功能。過流時(shí)，輸出故障信號(hào)，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(fù)邏輯輸入、自動(dòng)復(fù)位和自動(dòng)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(fù)邏輯輸入端。當(dāng)輸入負(fù)邏輯信號(hào)時(shí)，VIN+置為高電平，VIN-接輸入信號(hào)；反之，當(dāng)輸入正邏輯信號(hào)時(shí)，則VIN-置為低電平，VIN+接輸入信號(hào)。輸入信號(hào)門電路由LED1傳送到內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路并轉(zhuǎn)換為IGBT的門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。光耦管LED2等組成故障信號(hào)控制電路，該驅(qū)動(dòng)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(dòng)電壓輸出端?？梢栽诒或?qū)動(dòng)的功率器件過流或門極驅(qū)動(dòng)電路自身電源發(fā)生故障時(shí)，對(duì)被驅(qū)動(dòng)的IGBT進(jìn)行快速有效地保護(hù)。該系列驅(qū)動(dòng)器只需一個(gè)非隔離的+15 V電源；具有高dv／dt容量；保護(hù)功能完善；故障記憶，通過FAULT信號(hào)告知控制系統(tǒng)；上下互鎖，避免同一橋臂兩只IGBT同時(shí)開通；柵極電阻外部可調(diào)，使用不同功率的IGBT時(shí)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(hù)電路，DESAT為過流檢測(cè)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(cè)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(hào)通過發(fā)光二極管LED1，且故障信號(hào)輸出FAULT為高電平，復(fù)位端RESET對(duì)輸入通道不起作用。若DESAT檢測(cè)到過流信號(hào)(DESAT端電壓超過7 V)，則FAULT為高電平。該信號(hào)經(jīng)內(nèi)部邏輯一方面閉鎖驅(qū)動(dòng)器輸出及LED1的輸入信號(hào)，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(jī)。當(dāng)IGBT發(fā)生過流。驅(qū)動(dòng)器輸出電平下降，使IGBT軟關(guān)斷，以避免突然關(guān)斷時(shí)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(shí)現(xiàn)多個(gè)器件的FAULT并聯(lián)到微機(jī)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(hào)。

在利用下臂驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)比150 A／1 200 V更大的IGBT時(shí)，可外接電流緩沖器，以擴(kuò)大其驅(qū)動(dòng)能力。由圖2的工作時(shí)序可知，當(dāng)DESAT端電壓超過7 V時(shí)，產(chǎn)生過流。IGBT下橋臂的驅(qū)動(dòng)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(hào)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(dāng)14引腳DESAT的電壓高于7 V檢測(cè)到過流信號(hào)或VCC欠壓時(shí)，6引腳FAULT為低電平，器件自動(dòng)閉鎖所有輸出，用于保護(hù)IGBT模塊，同時(shí)向微處理器發(fā)出一個(gè)報(bào)警信號(hào)。

3 上橋臂驅(qū)動(dòng)器HCPL-3120

上橋臂驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(wú)需柵極負(fù)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(dòng)電壓。它適于額定容量為1 200 V／100 A的IGBT。對(duì)于更高容量的IGBT，可外接電流緩沖器，以擴(kuò)展其驅(qū)動(dòng)能力。上橋臂IGBT驅(qū)動(dòng)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(xiàng)的一個(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖6是測(cè)試時(shí)從示波器上獲取的。從圖中看到正向驅(qū)動(dòng)電壓為+16.5 V，負(fù)向驅(qū)動(dòng)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(yǔ)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)在充分利用和滿足IGBT模塊的特點(diǎn)和要求的情況下，著重研究了IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)特性，選用了驅(qū)動(dòng)器件HCPL-316J、HCPL-3120對(duì)其驅(qū)動(dòng)和保護(hù)，滿足了IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷動(dòng)態(tài)要求，使IGBT具有較高的可靠性。