光耦HCPL-316J的應(yīng)用

摘要：光耦HCPL-316J是Agilent公司早幾年前推出的產(chǎn)品，在國外應(yīng)用較為廣泛。文中介紹了光耦HCPL-316J的基本工作原理，給出了實(shí)際應(yīng)用電路，結(jié)合實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果，分析該光耦的優(yōu)缺點(diǎn)，并對在實(shí)際應(yīng)用中的注意事項(xiàng)進(jìn)行了闡述。
關(guān)鍵詞：IGBT；施密特特性；單極性驅(qū)動(dòng)；續(xù)流；逐周限流

    眾所周知，傳統(tǒng)的IGBT的過流保護(hù)與驅(qū)動(dòng)回路是由兩個(gè)完全獨(dú)立的電路組成：由過流保護(hù)電路判斷實(shí)際電機(jī)電流是否到達(dá)電流保護(hù)值，如到達(dá)，則驅(qū)動(dòng)電路實(shí)施對IGBT的關(guān)斷。過流保護(hù)與驅(qū)動(dòng)回路分開不僅造成電路復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy，而且增加制造成本，降低產(chǎn)品可靠性?；诳朔巳秉c(diǎn)，Agilent公司適時(shí)的推出光耦HCPL-316J，把IGBT的過流保護(hù)與驅(qū)動(dòng)回路合成在一起，大大簡化了電路設(shè)計(jì)，為進(jìn)一步提高產(chǎn)品可靠性提供了可能。其主要特點(diǎn)有：
    ◇可以驅(qū)動(dòng)級別達(dá)Ic=150A／Vce=1200V的IGBT，滿足大多數(shù)中小功率的驅(qū)動(dòng)需求；
    ◇反饋的故障信號為光隔離的，傳輸延遲典型值為1．8μs；
    ◇開關(guān)速度延遲最大為500ns；
    ◇內(nèi)部自帶Vce、具施密特特性的欠電壓保護(hù)，并且在保護(hù)時(shí)對IGBT實(shí)施軟關(guān)斷。

1 光耦HCPL-316J的工作原理簡介
    HCPL-316J的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，引腳如圖2所示。

    若VIN+、VIN-正常輸入，腳14沒有過流信號，且VCC2-VK≥12V即輸出驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)信號輸出高電平、故障信號輸出高電平、欠壓信號UVLO輸出低電平。首先這3路信號共同輸入到JP3，D點(diǎn)低電平，B點(diǎn)也為低電平，50xDMOS處于關(guān)斷狀態(tài)。此時(shí)JP1的輸入的4個(gè)狀態(tài)從上至下依次為低、高、低、低，A點(diǎn)高電平，驅(qū)動(dòng)三級達(dá)林頓管導(dǎo)通，IGBT也隨之開通。
    若IGBT出現(xiàn)欠壓，則不管輸入狀態(tài)如何，驅(qū)動(dòng)輸出VOUT均會被50xDMOS管拉低(接近VEE)；若IGBT出現(xiàn)過流信號(腳14檢測到IGBT集電極上電壓≥7V)，而不管輸入驅(qū)動(dòng)信號是否繼續(xù)加在腳1，50xDMOS被關(guān)斷，1×DMOS導(dǎo)通，IGBT柵射集之間的電壓慢慢放掉，實(shí)現(xiàn)慢降柵壓。當(dāng)VOU T=2V時(shí)，即VOUT輸出低電平，50xDMOS導(dǎo)通，IGBT柵射集迅速放電。故障線上信號通過光耦，再經(jīng)過RS觸發(fā)器，Q輸出高電平，使輸入光耦被封鎖。[!--empirenews.page--]
    從圖1可以看出，HCPL-316J可分為輸入IC(左邊)和輸出IC(右邊)二部分，輸入和輸出之間完全能滿足高壓大功率IGBT驅(qū)動(dòng)的要求。表1所列是HCPL-316J引腳功能描述。

2 光耦HCPL-316J在伺服系統(tǒng)上的應(yīng)用
2．1 帶故障保護(hù)的典型直流伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路(方案1)
    圖3中僅畫出一個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)回路，其余3路類同，并且4路光耦的RESET、FAULT全部連接在一起。

2．2 電路工作原理
    如圖3，當(dāng)IGBT管T1導(dǎo)通時(shí)，從芯片內(nèi)部恒流源(250μA)流出的電流分別在電阻R1、二極管D1上產(chǎn)生壓降VR1、VD1，加上T1的導(dǎo)通管壓降Vce，當(dāng)VR1+VD1+Vce>7V時(shí)，則：
    (1)VOUT輸出變?yōu)榈?、對T1實(shí)施軟關(guān)斷并鎖定，防止流過IGBT的電流進(jìn)一步上升；
    (2)同時(shí)，6腳的故障信號立刻變?yōu)榈筒⑺偷缴衔粰C(jī)，上位機(jī)可以依據(jù)此故障信號作PWM開度限制或全關(guān)斷處理；
    (3)上位機(jī)在接收到故障信號后的下一PWM周期，在送PWM開度的同時(shí)，送出一路RESET信號(低有效，低電平寬度≥100ns)，允許再次開通IGBT，如此周而復(fù)始的循環(huán)，實(shí)現(xiàn)電流保護(hù)的逐周限流。由圖3組成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測得的電流保護(hù)波形如圖4所示。

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    圖3中，電阻R1需要根據(jù)實(shí)際的電流保護(hù)值大小進(jìn)行調(diào)整，估算公式如下：
    R1=(7-VD1-Vce)／0．25(kΩ)
    式中，VD1-二極管D1上產(chǎn)生壓降(V)
          Vce-IGBT的導(dǎo)通管壓降(V)
    例如，對FS100R12KT3管，在管芯結(jié)溫為125℃、流過電流為100A時(shí)，其Vce≈2．4V，假定此時(shí)VD1≈0．7V，則
    R1=(7-VD1-Vce)／0．25=(7-2．4-0．7)／0．25=15．6(kΩ)
2．3 另一種帶故障保護(hù)的伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路(方案2)
    在圖3的基礎(chǔ)上，僅2個(gè)上管的驅(qū)動(dòng)保護(hù)采用光耦HCPL-316J，2個(gè)下管的驅(qū)動(dòng)直接采用普通的光耦如TLP250、A3120等，電路更為簡潔，同樣也可達(dá)到4路均采用光耦A(yù)316J的過流保護(hù)效果(實(shí)測的電流保護(hù)波形同圖4)。

3 兩種方案的電流保護(hù)波形一致性分析
    從兩種方案所得的實(shí)際電流保護(hù)波形是一樣的實(shí)際結(jié)果來看．說明方案1與方案2本質(zhì)上并沒有區(qū)別。究其原因，主要是本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主回路驅(qū)動(dòng)方式均采用單極性的特性決定的，在圖3中，假設(shè)在正方向的速度設(shè)定下，完整的一個(gè)驅(qū)動(dòng)周期如下：
    (1)T1、T3導(dǎo)通，電流從電源+→T1→A→M→B→T3→電源-，正向流過電機(jī)M，電流增大，直到電流限幅值或電流保護(hù)值；
    (2)T1斷、T3保持導(dǎo)通，電流從A→M→B→T3→VD3，電流方向仍為+，處于續(xù)流階段；在此階段，電流處于下降趨勢，幅值必定比a階段小，所以在此階段，即使下管驅(qū)動(dòng)采用光耦A(yù)316J，也必不會達(dá)到光耦A(yù)316J的電流保護(hù)點(diǎn)，因此，下管采用光耦A(yù)316J與采用普通驅(qū)動(dòng)光耦的結(jié)果是一樣的；
    (3)T1、T3導(dǎo)通，電流從電源+→T1→A→M→B→T3→電源-，正向流過電機(jī)M，電流增大，直到電流限幅值或電流保護(hù)值；
    (4)T3斷、T1保持導(dǎo)通，電流從A→M→B→VD2→T1，電流方向仍為+，處于續(xù)流階段；同樣，在此階段，電流處于下降趨勢，幅值必定比c階段小，也必不會達(dá)到光耦A(yù)316J的電流保護(hù)點(diǎn)。
    所以，下管是采用光耦A(yù)316J或采用普通驅(qū)動(dòng)光耦，得到的電流保護(hù)結(jié)果是一樣的，從電路簡介性看，可采用普通光耦，且價(jià)格相對低點(diǎn)；從減少所需器件種類來看，可采用A316J，價(jià)格相對高點(diǎn)。

4 注意事項(xiàng)
    在兩種方案電路中，均要關(guān)注：
    (1)負(fù)載問題：在圖3中，如果負(fù)載為電感性負(fù)載，則由于續(xù)流是通過二極管回路進(jìn)行，即電流下降梯度非常慢，假使在下一周期只要一打開IGBT，光耦馬上檢測到過流信號，在不大于3μs內(nèi)實(shí)施對IGBT實(shí)施軟關(guān)斷，即在一個(gè)PWM周期內(nèi)，IGBT最小導(dǎo)通時(shí)間為此延時(shí)時(shí)間。假定在此段時(shí)間內(nèi)電流的增加多于下降，則會隨著導(dǎo)通時(shí)間的加長，電流越來越大，超越IGBT的承受能力，造成IGBT損壞，這一點(diǎn)在應(yīng)用中必須注意；
    (2)時(shí)序問題：在上電時(shí)，如果光耦供電電源未穩(wěn)定之前，VIN+、VIN-之間即滿足VOUT輸出為高的條件，則可能會造成驅(qū)動(dòng)輸出電平不夠高、IGBT處于放大區(qū)的工作狀態(tài)，容易造成IGBT的損壞，所以上電時(shí)，一定要保證在供電電源充分穩(wěn)定后，再允許IGBT工作；同樣，掉電時(shí)，也要充分保證光耦供電電源在未跌落之前關(guān)斷驅(qū)動(dòng)VOUT的輸出，否則，驅(qū)動(dòng)VOUT輸出很容易出現(xiàn)高頻抖動(dòng)(如圖5所示：即是由于電源已由17V跌落到14V時(shí)，還未關(guān)斷送出到VIN+、VIN-的輸出，結(jié)果在運(yùn)行過程中突然掉電即發(fā)生IGBT損壞)，更是對IGBT的安全工作造成威脅；

    (3)IGBT的Vce分散性問題：由于IGBT的導(dǎo)通管壓降的分散性，會導(dǎo)致采用相同的電流檢測電阻，會得到不同的電流保護(hù)值，所以，實(shí)際應(yīng)用中電流采樣電阻是與估算值偏差較大，應(yīng)綜合所有工況、以達(dá)到所需的電流值來確定電流采樣電阻值；
    (4)光耦A(yù)316J的電流采樣基準(zhǔn)分散性問題：同上，由于光耦A(yù)316J的電流采樣基準(zhǔn)分散性，亦會導(dǎo)致采用相同的電流檢測電阻，會得到不同的電流保護(hù)值。

5 兩種方案優(yōu)劣分析
    方案2由于只有下管采取光耦A(yù)316J，比方案1電路更為簡潔，也使電流保護(hù)調(diào)節(jié)變得更為簡單，所以實(shí)際應(yīng)用中推薦使用方案2。
    采用光耦A(yù)316J作電流保護(hù)用，雖然電路變得簡單、可靠，但與傳統(tǒng)的過流保護(hù)電路一樣，仍然無法解決電流保護(hù)點(diǎn)比較確定的問題：傳統(tǒng)的過流保護(hù)電路，大都采用RC濾波的方式作電流檢測輸入，有可能在濾波電容C上的電荷在此PWM周期未放掉完，下一周期PWM又開通，于是電流又上升，檢測到的電流信號又會繼續(xù)給濾波電容C充電，即相當(dāng)于保護(hù)延時(shí)變短，則保護(hù)點(diǎn)就會降低。

6 結(jié)束語
    從上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，雖然使用光耦A(yù)316J在電路結(jié)構(gòu)方面比傳統(tǒng)的過流保護(hù)電路更為簡潔、可靠，也使電流保護(hù)調(diào)節(jié)變得更為簡單，所以現(xiàn)在國內(nèi)應(yīng)用越來越廣泛。但也存在著如前面所述和傳統(tǒng)的過流保護(hù)電路一樣的缺點(diǎn)，并且在實(shí)際應(yīng)用中一定要注意上下電的時(shí)序配合問題，否則，在此過程IGBT很容易損壞。
    實(shí)驗(yàn)證明，只要解決好上述的問題，該光耦的優(yōu)越性還是很明顯的，該光偶目前在我公司的交直流伺服產(chǎn)品上都已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用。