IGBT模块的一种驱动方法

摘要：介绍了光电耦合驱动芯片HCPL-316J，HCPL-3120的功能特点,驱动和保护IGBT模块的具体应用。因为IGBT是电压驱动型开关器件，它的下桥臂需要过流保护功能而上桥臂不需要，上下桥臂采用不同的驱动芯片。采用HCPL-316J芯片驱动IGBT模块的下桥臂，采用HCPL-3120芯片驱动IGBT模块的上桥臂。结果表明，该方法达到了良好的驱动效果。

关键词：光电耦合 驱动芯片 IGBT HCPL-316J HCPL-3120

ABSTRACT: It introduced the function and feature oftheoptocoupler drive chip HCPL-316J，HCPL-3120 , the use of themtodrive and protect IGBT module. Because IGBT isvoltage-drivenswitch device, its below bridge arm needs to beprotected by thefunction of overcurrent but up bridge arm does notneed, the up andbelow bridge arm adopt the different drive chips.Using chipHCPL-316J drives the below bridge arm of IGBT module andusing chipHCPL-3120 drives the up bridge arm of IGBT module. Theresult showsthat this method achieves the good effect.

KEY WORDS: optocoupler drive chip IGBT HCPL-316J HCPL-3120

0 引言

　　近年来,新型功率开关器件IGBT已逐渐被人们所认识。与以前的各种电力电子器件相比,IGBT具有以下特点：高的输入阻抗，使之可采用通用低成本的驱动线路;高速开关特性;导通状态的损耗低。IGBT在综合性能方面占有明显的优势,并正越来越多地应用到工作频率为几十千赫、输出功率为几千瓦到几十千瓦的各类电力变换装置中。在设计驱动电路时，主要考虑以下的参数：IGBT的额定值;短路电流特性;感性负载的关断特性;*大栅极发射极电压;栅极输入电容;**工作区特性。

　　光电耦合驱动芯片的特点是输入、输出两侧都是有源的,由它提供的正向脉冲及负向封锁脉冲的宽度可以不受限制,而且可以较容易地通过检测IGBT通态集电极电压实现过流及短路保护,并对外送出过流信号。因此具有使用方便,一致性及稳定性较好的优点。

1 IGBT下桥臂驱动芯片HCPL-316J

　　该芯片的主要特征是：16脚双列直插芯片;可驱动150A/1200V的IGBT;宽电源电压范围：15～30V;*大开关时间：0.5us;死区时间：2us;能兼容CMOS/TTL电平;光隔离，故障状态反馈;IGBT“软”关断;VCE欠饱和检测及带滞环欠压锁定保护;用户可配置自动复位、自动关闭。*小共模抑制15kV/μS（在VCM=1500V时）;具有过流关断、欠压封锁功能;当线路过流或VCC欠压时它便可自动封锁所有输出，并发出一报警信号;当高侧的悬浮偏置电压源欠压时，它会通过其内部的欠压自锁电路将3路高侧输出封锁。

　　1.1 HCPL-316J内部结构介绍：

　　该驱动芯片有过电流检测和欠电压封锁输出（UnderVoltageLock-Out）。当过电流发生时，能输出故障信号（供保护用），并使IGBT软关断。电源电压范围为15～30V，在Vcm=1500V下*小共膜抑制（CMR）电压为15kv/us，用户可设定正/负逻辑输入、自动复位、自动关断。

图1 HCPL-316J内部结构图

　　图1中光耦管LED1等组成了输入控制电路，Vin+和Vin-分别为正/负逻辑输入端。当输入负逻辑信号时，Vin+要求置高电平，Vin-接输入信号;反之当输入正逻辑信号时，则要求Vin-置低电平，Vin+接输入信号。输入信号门电路由LED1传送到内部驱动电路并转换为IGBT的门极驱动信号。光耦管LED2等组成了故障信号控制电路，该驱动器7号端子悬空，8号端子接地，Vcc1和GND1为输入侧电源，Vcc2和Vee为输出侧电源，Vc为推挽式输出三极管集电极的电源可直接与Vcc2相接，或者串联一个电阻Rc以限制输出导通电流，Vout为门极驱动电压输出端。可以在被驱动的功率器件过流或门极驱动电路自身电源发生故障时,对被驱动的IGBT进行快速有效的保护。该系列驱动器只需一个非隔离的+15V电源;具有高dv/dt容量;保护功能完善;故障记忆，通过信号告知控制系统;上下互锁，避免同一桥臂两只IGBT同时开通;栅极电阻外部可调，使得使用不同功率容量的IGBT时都能工作于较高的开关频率，并得到高的转换效率。

　　由LED2等组成的故障保护电路，DESAT为过电流检测输入端，通过串联电阻和箝位二极管与IGBT集电极相连。正常状态下，不可能检测到过电流故障，FAULT为低电平，RS触发器输出端Q保持低电平，确保输入信号通过发光二极管LED1，且故障信号输出为高电平，复位端对输入通道不起作用。若DESAT检测到过电流信号（DESAT端电压超过7V），则FAULT为高电平。该信号经内部逻辑一方面封锁驱动器输出及LED1的输入信号，另一方面使LED2导通，RS触发器输出端Q为高电平，故障输出为低电平，通知外部微机。当IGBT发生过电流后，驱动器输出电平下降，使IGBT软关断，以避免突然关断时因产生过电压而导致IGBT损坏。另外，由于故障输出端为集电极开路，可实现多个芯片的段并联到微机上。

图 2 工作时序图

　　端发生故障信号后，将一直保持低电平，直至 端输入复位低电平信号为止。

　　在利用下臂驱动芯片驱动比150A/1200V更大的IGBT时，可外接电流缓冲器，以扩大其驱动能力。由图2的工作时序图可知，当DESAT端电压超过7V时，将产生过电流动作。IGBT下桥臂的驱动电路图如图3所示：

图3 下桥臂IGBT驱动电路原理图

　　图3中：电源+5V、VB+、VB-（VB+与VB-的电压是25V）为芯片提供工作电压。与芯片16脚相连的电位符号IGBTBE和IGBT模块下桥臂的发射极相连，与芯片11脚相连的IGBTBG1～3分别和下桥臂的门极相接，可以控制IGBT的开通和关断。当芯片14脚DESAT的端电压高于7V检测到过流信号或VCC欠压时，6脚为低电平，芯片自动封锁所有输出，起到保护IGBT模块的作用，同时发出一个报警信号给微处理器。

　　2上桥臂驱动芯片HCPL-3120

　　上臂驱动芯片HCPL-3120由磷砷化镓光耦合器和功率输出电路组成。它的主要特征是：8脚双列直插芯片;驱动电路的*大输出电流峰值为2.0A;*小共模抑制15kV/μS（在VCM=1500V时）;*大低电平电压0.5V，不需栅极负压;*大供电电流Icc=5mA;电源电压范围，15～30V;*大开关速度：0.5μS;有滞环欠电压锁定输出（UVLO）。

　　该驱动芯片的内部结构框图如下：

图 4

　　其输出电路的宽限工作电压范围，使其易于提供门控器件所需的驱动电压。它适合于额定容量为1200V/100A的IGBT。对于更高容量的IGBT，可外接电流缓冲器，以扩大其驱动能力。

　　图5为上桥臂IGBT驱动电路的原理图。

图5 IGBT上桥臂的驱动电路

　　图5中，VU+与VU-的电压为25V，输出端（Vo）IGBTTG1和IGBT模块上桥臂中U项的一个门极相接，IGBTTE1和发射极相连，从而可以控制IGBT的开通和关断。

3 实验结果及分析

图6电压输出波形（频率为50HZ的三相交流输出）

　　图6是在测试时从示波器上得到的。从图中可以看到：正向驱动电压为+16.5V，负向驱动电压为-7.5V;采用此种方式的优点是：能够有效、快速的使IGBT开通和关断，减少了开通和关断过程中的损耗。

4 结束语

　　该方法在充分利用和满足IGBT模块的特点、要求的情况下，着重研究了IGBT的驱动和保护特性，我们选用了对应的驱动芯片HCPL-316J、HCPL-3120来对其进行驱动和保护，满足了IGBT的开通和关断的动态要求，使IGBT展现出了它的优点并获得了较高的可靠性。

文章来源：中国传动网
原文网址：http://www.chuandong.com/publish/tech/application/2009/8/tech_3_16_14599.html