一種基于HCPL-316J的IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

摘要：在較復(fù)雜的變流系統(tǒng)中，主控系統(tǒng)的延滯會(huì)影響IGBT模塊故障保護(hù)的時(shí)效性，造成保護(hù)失敗。針對(duì)這種情況，本文采用光耦驅(qū)動(dòng)芯片HCPL-316J和DSP芯片設(shè)計(jì)了一種IGBT驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)光耦芯片故障信號(hào)發(fā)出后立即封鎖IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)，完全消除了主控程序運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)對(duì)故障保護(hù)的影響。通過模擬過流實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用表明，本設(shè)計(jì)故障保護(hù)響應(yīng)迅速，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

引言

光耦驅(qū)動(dòng)芯片HCPL-316J是Agilent公司[編者注：2014年8月更名為keysight(是德)公司]生產(chǎn)的柵極驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)品之一，可用于驅(qū)動(dòng)150A/1200V的IGBT，開關(guān)速度為0.5?s，有過流檢測(cè)和欠電壓封鎖輸出。當(dāng)過電流發(fā)生時(shí)，能輸出故障信號(hào)(供保護(hù)用)，并使IGBT軟關(guān)斷[1]。近年來，HCPL-316J的應(yīng)用研究得到了重視，從目前公開發(fā)表的文獻(xiàn)來看，研究主要側(cè)重于輸出電路部分，重點(diǎn)是過流軟關(guān)斷的原理、工作過程和實(shí)用電路設(shè)計(jì)，對(duì)故障信號(hào)反饋端和控制信號(hào)輸入端的應(yīng)用研究不多。在文獻(xiàn)[2-7]中均提到將故障信號(hào)反饋給主控芯片，但沒有深入的研究如何充分利用該信號(hào)端提高驅(qū)動(dòng)電路的整體性能。

光耦HCPL-316J的過流保護(hù)具有自鎖功能，并可設(shè)定保護(hù)盲區(qū)，能有效防止IGBT在工作中瞬時(shí)過流而使保護(hù)誤動(dòng)作[7]。當(dāng)過流是由故障引起的，驅(qū)動(dòng)電路將故障信號(hào)反饋給主控DSP，主控芯片接收到故障信號(hào)后，封鎖系統(tǒng)中所有驅(qū)動(dòng)芯片的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，某些系統(tǒng)的主控程序復(fù)雜，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，造成故障信號(hào)發(fā)出后，系統(tǒng)不能及時(shí)封鎖所有IGBT的驅(qū)動(dòng)電路，部分IGBT模塊仍然強(qiáng)行工作，引發(fā)嚴(yán)重的后果。

本文針對(duì)上述問題設(shè)計(jì)了一種IGBT驅(qū)動(dòng)電路，不僅具備可靠的過流軟關(guān)斷功能，而且故障保護(hù)響應(yīng)及時(shí)，不受主控程序運(yùn)行時(shí)間延滯的影響。

1 應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

HCPL-316J有Vin+、Vin-兩個(gè)控制信號(hào)輸入端。常見的應(yīng)用思路是將PWM信號(hào)從其中一個(gè)輸入端引入，另一個(gè)輸入端的電平始終保持不變，如圖1 所示。這樣，只要主控芯片有PWM信號(hào)輸出，HCPL-316J就能驅(qū)動(dòng)IGBT工作。這種應(yīng)用方式實(shí)際上是在兩個(gè)輸入端中選擇一個(gè)使用，另一個(gè)端子的功能沒有得到充分的利用。

本文設(shè)計(jì)的IGBT驅(qū)動(dòng)電路，PWM信號(hào)從Vin- 輸入，Vin+ 輸入端與HCPL-316J的故障報(bào)警反饋端相連，如圖2所示。HCPL-316J的故障報(bào)警是低電平有效，正常工作時(shí)，故障報(bào)警輸出端是高電平，Vin+ 端也是高電平，PWM信號(hào)能從Vin-輸入到HCPL-316J內(nèi)部。當(dāng)HCPL-316J檢測(cè)到故障時(shí)，故障報(bào)警反饋端輸出低電平，Vin+ 端電平被拉抵，PWM信號(hào)不能從Vin-輸入到HCPL-316J內(nèi)部。

1.2 應(yīng)用電路實(shí)現(xiàn)

圖3為IGBT驅(qū)動(dòng)電路原理圖，圖中兩個(gè)光耦芯片各自驅(qū)動(dòng)一個(gè)IGBT模塊，當(dāng)有更多個(gè)光耦芯片時(shí)，參照此圖進(jìn)行連接。以其中的HCPL-316J(1)芯片為例，其輸出電路主要分為以下三個(gè)部分：R3、R4、R5、Q1、Q2組成的柵極推挽驅(qū)動(dòng)電路;R2、D2組成的過流檢測(cè)電路;D3、C2、C3、C4組成的保護(hù)電路。輸出電路主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT的推挽驅(qū)動(dòng)和過流檢測(cè)，相關(guān)原理和應(yīng)用在文獻(xiàn)[2-7]中已有詳細(xì)介紹，這里不再贅述。

原理圖中的PWM控制信號(hào)由主控芯片DSP生成，從光耦的Vin-端輸入，同時(shí)，所有光耦使用同一個(gè)復(fù)位信號(hào)RESET。每個(gè)光耦的故障信號(hào)輸出反饋端接一個(gè)鉗位二極管(如圖3中的D1、D4)，鉗位二極管陰極接光耦輸出端，所有鉗位二極管的陽極連接成一點(diǎn)，作為驅(qū)動(dòng)模塊總故障信號(hào)FAULT。FAULT信號(hào)線又連接到所有光耦的Vin+端，同時(shí)經(jīng)限流電路R1接+5V電源。系統(tǒng)正常工作時(shí)，光耦的Vin+端和FAULT信號(hào)線均呈現(xiàn)高電平，鉗位二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，PWM控制信號(hào)從Vin-端輸入到光耦內(nèi)部，光耦在DSP的控制下驅(qū)動(dòng)IGBT工作。

當(dāng)某一個(gè)光耦芯片檢測(cè)到故障時(shí)，其故障輸出反饋端呈現(xiàn)低電平，端子上的鉗位二極管導(dǎo)通，總故障信號(hào)FAULT變低，向主控芯片發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)，同時(shí)所有光耦芯片的Vin+端被鉗定在低電平，Vin-端子上的PWM信號(hào)無法輸入到光耦內(nèi)部，在第一時(shí)間封鎖所有光耦的輸入，IGBT失去驅(qū)動(dòng)信號(hào)而停止工作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)IGBT模塊的故障快速保護(hù)功能。顯然，在主控芯片封鎖PWM控制信號(hào)之前，驅(qū)動(dòng)電路已經(jīng)阻止PWM信號(hào)的輸入，這樣就解決了主控程序運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)對(duì)故障保護(hù)時(shí)效性的影響。

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)電路中主控DSP選用的是TMS320F2812，IGBT選用FS100R12KT3模塊，推挽電路中的NPN管選用MJD44H11G，PNP管選用MJD45H11G，其它元件參數(shù)配置如下：R1=R2=R6=10kΩ，R3=R4=R5=R7=R8=R9=10Ω，C1=C5=330pF，C2=C3=C6=C7=0.1μF，C4=C8=100pF。

為驗(yàn)證過流保護(hù)的時(shí)效應(yīng)，在HCPL-316J(1)芯片DESAT端突加一個(gè)電壓信號(hào)，模擬系統(tǒng)過流故障狀態(tài)，在4通道示波器DSOX2004A上觀察到的實(shí)驗(yàn)波形如圖4所示。當(dāng)VDESAT1>7V時(shí)，HCPL-316J(1)芯片進(jìn)入過流軟關(guān)斷的工作過程，將自身驅(qū)動(dòng)的IGBT(1)軟關(guān)斷，同時(shí)發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)， VFAULT信號(hào)由高變低。一旦VFAULT變?yōu)榈碗娖?，HCPL-316J(2)芯片的輸出VGE2電壓信號(hào)立即下降為零，第一時(shí)間關(guān)斷IGBT(2)，實(shí)現(xiàn)故障快速保護(hù)，而主控DSP在經(jīng)過2μs后才封鎖控制信號(hào)PWM2。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于HCPL-316J的IGBT驅(qū)動(dòng)電路重點(diǎn)在于對(duì)HCPL-316J的信號(hào)輸入端Vin+、Vin-和故障信號(hào)反饋端FAULT的應(yīng)用研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本設(shè)計(jì)能充分保證故障保護(hù)的快速性，尤其適用于控制系統(tǒng)復(fù)雜，主控程序運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的場(chǎng)所。

本驅(qū)動(dòng)電路已成功應(yīng)用于儲(chǔ)能變流器中蓄電池逆變電源系統(tǒng)，無故障時(shí)逆變模塊能穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行，過流故障時(shí)能快速實(shí)現(xiàn)保護(hù)，大大降低了逆變模塊關(guān)鍵元器件損壞的機(jī)率。