一種基于HCPL-316J的IGBT驅(qū)動電路設(shè)計

摘要：在較復(fù)雜的變流系統(tǒng)中，主控系統(tǒng)的延滯會影響IGBT模塊故障保護(hù)的時效性，造成保護(hù)失敗。針對這種情況，本文采用光耦驅(qū)動芯片HCPL-316J和DSP芯片設(shè)計了一種IGBT驅(qū)動電路，當(dāng)光耦芯片故障信號發(fā)出后立即封鎖IGBT驅(qū)動信號，完全消除了主控程序運行時長對故障保護(hù)的影響。通過模擬過流實驗和實際應(yīng)用表明，本設(shè)計故障保護(hù)響應(yīng)迅速，運行穩(wěn)定可靠。

引言

光耦驅(qū)動芯片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)動電路產(chǎn)品之一，可用于驅(qū)動150A/1200V的IGBT，開關(guān)速度為0.5?s，有過流檢測和欠電壓封鎖輸出。當(dāng)過電流發(fā)生時，能輸出故障信號(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，重點是過流軟關(guān)斷的原理、工作過程和實用電路設(shè)計，對故障信號反饋端和控制信號輸入端的應(yīng)用研究不多。在文獻(xiàn)[2-7]中均提到將故障信號反饋給主控芯片，但沒有深入的研究如何充分利用該信號端提高驅(qū)動電路的整體性能。

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在工作中瞬時過流而使保護(hù)誤動作[7]。當(dāng)過流是由故障引起的，驅(qū)動電路將故障信號反饋給主控DSP，主控芯片接收到故障信號后，封鎖系統(tǒng)中所有驅(qū)動芯片的控制信號，實現(xiàn)故障保護(hù)。但在實際應(yīng)用過程中，某些系統(tǒng)的主控程序復(fù)雜，運行時間長，造成故障信號發(fā)出后，系統(tǒng)不能及時封鎖所有IGBT的驅(qū)動電路，部分IGBT模塊仍然強(qiáng)行工作，引發(fā)嚴(yán)重的后果。

本文針對上述問題設(shè)計了一種IGBT驅(qū)動電路，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，不受主控程序運行時間延滯的影響。

1 應(yīng)用電路設(shè)計

1.1 設(shè)計思路

HCPL-316J有Vin+、Vin-兩個控制信號輸入端。常見的應(yīng)用思路是將PWM信號從其中一個輸入端引入，另一個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信號輸出，HCPL-316J就能驅(qū)動IGBT工作。這種應(yīng)用方式實際上是在兩個輸入端中選擇一個使用，另一個端子的功能沒有得到充分的利用。

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

1.2 應(yīng)用電路實現(xiàn)

圖3為IGBT驅(qū)動電路原理圖，圖中兩個光耦芯片各自驅(qū)動一個IGBT模塊，當(dāng)有更多個光耦芯片時，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部分：R3、R4、R5、Q1、Q2組成的柵極推挽驅(qū)動電路;R2、D2組成的過流檢測電路;D3、C2、C3、C4組成的保護(hù)電路。輸出電路主要用于實現(xiàn)對IGBT的推挽驅(qū)動和過流檢測，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控制信號由主控芯片DSP生成，從光耦的Vin-端輸入，同時，所有光耦使用同一個復(fù)位信號RESET。每個光耦的故障信號輸出反饋端接一個鉗位二極管(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，作為驅(qū)動模塊總故障信號FAULT。FAULT信號線又連接到所有光耦的Vin+端，同時經(jīng)限流電路R1接+5V電源。系統(tǒng)正常工作時，光耦的Vin+端和FAULT信號線均呈現(xiàn)高電平，鉗位二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，PWM控制信號從Vin-端輸入到光耦內(nèi)部，光耦在DSP的控制下驅(qū)動IGBT工作。

當(dāng)某一個光耦芯片檢測到故障時，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FAULT變低，向主控芯片發(fā)出故障報警信號，同時所有光耦芯片的Vin+端被鉗定在低電平，Vin-端子上的PWM信號無法輸入到光耦內(nèi)部，在第一時間封鎖所有光耦的輸入，IGBT失去驅(qū)動信號而停止工作，實現(xiàn)了對IGBT模塊的故障快速保護(hù)功能。顯然，在主控芯片封鎖PWM控制信號之前，驅(qū)動電路已經(jīng)阻止PWM信號的輸入，這樣就解決了主控程序運行時長對故障保護(hù)時效性的影響。

2 實驗

實驗電路中主控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。

為驗證過流保護(hù)的時效應(yīng)，在HCPL-316J(1)芯片DESAT端突加一個電壓信號，模擬系統(tǒng)過流故障狀態(tài)，在4通道示波器DSOX2004A上觀察到的實驗波形如圖4所示。當(dāng)VDESAT1>7V時，HCPL-316J(1)芯片進(jìn)入過流軟關(guān)斷的工作過程，將自身驅(qū)動的IGBT(1)軟關(guān)斷，同時發(fā)出故障報警信號， VFAULT信號由高變低。一旦VFAULT變?yōu)榈碗娖剑琀CPL-316J(2)芯片的輸出VGE2電壓信號立即下降為零，第一時間關(guān)斷IGBT(2)，實現(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PWM2。

3 結(jié)論

本文設(shè)計的基于HCPL-316J的IGBT驅(qū)動電路重點在于對HCPL-316J的信號輸入端Vin+、Vin-和故障信號反饋端FAULT的應(yīng)用研究，實驗結(jié)果表明本設(shè)計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，主控程序運行時間較長的場所。

本驅(qū)動電路已成功應(yīng)用于儲能變流器中蓄電池逆變電源系統(tǒng)，無故障時逆變模塊能穩(wěn)定連續(xù)運行，過流故障時能快速實現(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。