摘要：介紹了光電耦合驅(qū)動(dòng)芯片HCPL-316J，HCPL-3120的功能特點(diǎn),驅(qū)動(dòng)和保護(hù)IGBT模塊的具體應(yīng)用。因?yàn)镮GBT是電壓驅(qū)動(dòng)型開(kāi)關(guān)器件，它的下橋臂需要過(guò)流保護(hù)功能而上橋臂不需要，上下橋臂采用不同的驅(qū)動(dòng)芯片。采用HCPL-316J芯片驅(qū)動(dòng)IGBT模塊的下橋臂，采用HCPL-3120芯片驅(qū)動(dòng)IGBT模塊的上橋臂。結(jié)果表明，該方法達(dá)到了良好的驅(qū)動(dòng)效果。
關(guān)鍵詞：光電耦合 驅(qū)動(dòng)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
近年來(lái),新型功率開(kāi)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,IGBT具有以下特點(diǎn)：高的輸入阻抗，使之可采用通用低成本的驅(qū)動(dòng)線路;高速開(kāi)關(guān)特性;導(dǎo)通狀態(tài)的損耗低。IGBT在綜合性能方面占有明顯的優(yōu)勢(shì),并正越來(lái)越多地應(yīng)用到工作頻率為幾十千赫、輸出功率為幾千瓦到幾十千瓦的各類電力變換裝置中。在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，主要考慮以下的參數(shù)：IGBT的額定值;短路電流特性;感性負(fù)載的關(guān)斷特性;*大柵極發(fā)射極電壓;柵極輸入電容;**工作區(qū)特性。
光電耦合驅(qū)動(dòng)芯片的特點(diǎn)是輸入、輸出兩側(cè)都是有源的,由它提供的正向脈沖及負(fù)向封鎖脈沖的寬度可以不受限制,而且可以較容易地通過(guò)檢測(cè)IGBT通態(tài)集電極電壓實(shí)現(xiàn)過(guò)流及短路保護(hù),并對(duì)外送出過(guò)流信號(hào)。因此具有使用方便,一致性及穩(wěn)定性較好的優(yōu)點(diǎn)。
1 IGBT下橋臂驅(qū)動(dòng)芯片HCPL-316J
該芯片的主要特征是：16腳雙列直插芯片;可驅(qū)動(dòng)150A/1200V的IGBT;寬電源電壓范圍：15～30V;*大開(kāi)關(guān)時(shí)間：0.5us;死區(qū)時(shí)間：2us;能兼容CMOS/TTL電平;光隔離，故障狀態(tài)反饋;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。*小共模抑制15kV/μS（在VCM=1500V時(shí)）;具有過(guò)流關(guān)斷、欠壓封鎖功能;當(dāng)線路過(guò)流或VCC欠壓時(shí)它便可自動(dòng)封鎖所有輸出，并發(fā)出一報(bào)警信號(hào);當(dāng)高側(cè)的懸浮偏置電壓源欠壓時(shí)，它會(huì)通過(guò)其內(nèi)部的欠壓自鎖電路將3路高側(cè)輸出封鎖。
1.1 HCPL-316J內(nèi)部結(jié)構(gòu)介紹：
該驅(qū)動(dòng)芯片有過(guò)電流檢測(cè)和欠電壓封鎖輸出（UnderVoltageLock-Out）。當(dāng)過(guò)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。電源電壓范圍為15～30V，在Vcm=1500V下*小共膜抑制（CMR）電壓為15kv/us，用戶可設(shè)定正/負(fù)邏輯輸入、自動(dòng)復(fù)位、自動(dòng)關(guān)斷。
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圖1 HCPL-316J內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
圖1中光耦管LED1等組成了輸入控制電路，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+要求置高電平，Vin-接輸入信號(hào);反之當(dāng)輸入正邏輯信號(hào)時(shí)，則要求Vin-置低電平，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等組成了故障信號(hào)控制電路，該驅(qū)動(dòng)器7號(hào)端子懸空，8號(hào)端子接地，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)一個(gè)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(guò)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)行快速有效的保護(hù)。該系列驅(qū)動(dòng)器只需一個(gè)非隔離的+15V電源;具有高dv/dt容量;保護(hù)功能完善;故障記憶，通過(guò)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(kāi)通;柵極電阻外部可調(diào)，使得使用不同功率容量的IGBT時(shí)都能工作于較高的開(kāi)關(guān)頻率，并得到高的轉(zhuǎn)換效率。
由LED2等組成的故障保護(hù)電路，DESAT為過(guò)電流檢測(cè)輸入端，通過(guò)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(guò)電流故障，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(guò)發(fā)光二極管LED1，且故障信號(hào)輸出為高電平，復(fù)位端對(duì)輸入通道不起作用。若DESAT檢測(cè)到過(guò)電流信號(hào)（DESAT端電壓超過(guò)7V），則FAULT為高電平。該信號(hào)經(jīng)內(nèi)部邏輯一方面封鎖驅(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，故障輸出為低電平，通知外部微機(jī)。當(dāng)IGBT發(fā)生過(guò)電流后，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(guò)電壓而導(dǎo)致IGBT損壞。另外，由于故障輸出端為集電極開(kāi)路，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)芯片的段并聯(lián)到微機(jī)上。
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圖 2 工作時(shí)序圖
端發(fā)生故障信號(hào)后，將一直保持低電平，直至 端輸入復(fù)位低電平信號(hào)為止。
在利用下臂驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)比150A/1200V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)序圖可知，當(dāng)DESAT端電壓超過(guò)7V時(shí)，將產(chǎn)生過(guò)電流動(dòng)作。IGBT下橋臂的驅(qū)動(dòng)電路圖如圖3所示：
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圖3 下橋臂IGBT驅(qū)動(dòng)電路原理圖
圖3中：電源+5V、VB+、VB-（VB+與VB-的電壓是25V）為芯片提供工作電壓。與芯片16腳相連的電位符號(hào)IGBTBE和IGBT模塊下橋臂的發(fā)射極相連，與芯片11腳相連的IGBTBG1～3分別和下橋臂的門極相接，可以控制IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷。當(dāng)芯片14腳DESAT的端電壓高于7V檢測(cè)到過(guò)流信號(hào)或VCC欠壓時(shí)，6腳為低電平，芯片自動(dòng)封鎖所有輸出，起到保護(hù)IGBT模塊的作用，同時(shí)發(fā)出一個(gè)報(bào)警信號(hào)給微處理器。
2上橋臂驅(qū)動(dòng)芯片HCPL-3120
上臂驅(qū)動(dòng)芯片HCPL-3120由磷砷化鎵光耦合器和功率輸出電路組成。它的主要特征是：8腳雙列直插芯片;驅(qū)動(dòng)電路的*大輸出電流峰值為2.0A;*小共模抑制15kV/μS（在VCM=1500V時(shí)）;*大低電平電壓0.5V，不需柵極負(fù)壓;*大供電電流Icc=5mA;電源電壓范圍，15～30V;*大開(kāi)關(guān)速度：0.5μS;有滯環(huán)欠電壓鎖定輸出（UVLO）。
該驅(qū)動(dòng)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如下：
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圖 4
其輸出電路的寬限工作電壓范圍，使其易于提供門控器件所需的驅(qū)動(dòng)電壓。它適合于額定容量為1200V/100A的IGBT。對(duì)于更高容量的IGBT，可外接電流緩沖器，以擴(kuò)大其驅(qū)動(dòng)能力。
圖5為上橋臂IGBT驅(qū)動(dòng)電路的原理圖。
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圖5 IGBT上橋臂的驅(qū)動(dòng)電路
圖5中，VU+與VU-的電壓為25V，輸出端（Vo）IGBTTG1和IGBT模塊上橋臂中U項(xiàng)的一個(gè)門極相接，IGBTTE1和發(fā)射極相連，從而可以控制IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
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圖6電壓輸出波形（頻率為50HZ的三相交流輸出）
圖6是在測(cè)試時(shí)從示波器上得到的。從圖中可以看到：正向驅(qū)動(dòng)電壓為+16.5V，負(fù)向驅(qū)動(dòng)電壓為-7.5V;采用此種方式的優(yōu)點(diǎn)是：能夠有效、快速的使IGBT開(kāi)通和關(guān)斷，減少了開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中的損耗。
4 結(jié)束語(yǔ)
該方法在充分利用和滿足IGBT模塊的特點(diǎn)、要求的情況下，著重研究了IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)特性，我們選用了對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)芯片HCPL-316J、HCPL-3120來(lái)對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和保護(hù)，滿足了IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷的動(dòng)態(tài)要求，使IGBT展現(xiàn)出了它的優(yōu)點(diǎn)并獲得了較高的可靠性。
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