光耦驅動(dòng)芯片實(shí)現IGBT驅動(dòng)電路的應用方案

光耦驅動(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)的柵極驅動(dòng)電路產(chǎn)品之一，可用于驅動(dòng)150A/1200V的IGBT，開(kāi)關(guān)速度為0.5？s，有過(guò)流檢測和欠電壓封鎖輸出。當過(guò)電流發(fā)生時(shí)，能輸出故障信號（供保護用），并使IGBT軟關(guān)斷。近年來(lái)，HCPL-316J的應用研究得到了重視，從目前公開(kāi)發(fā)表的文獻來(lái)看，研究主要側重于輸出電路部分，重點(diǎn)是過(guò)流軟關(guān)斷的原理、工作過(guò)程和實(shí)用電路設計，對故障信號反饋端和控制信號輸入端的應用研究不多。均提到將故障信號反饋給主控芯片，但沒(méi)有深入的研究如何充分利用該信號端提高驅動(dòng)電路的整體性能。

光耦HCPL-316J的過(guò)流保護具有自鎖功能，并可設定保護盲區，能有效防止IGBT在工作中瞬時(shí)過(guò)流而使保護誤動(dòng)作。當過(guò)流是由故障引起的，驅動(dòng)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，封鎖系統中所有驅動(dòng)芯片的控制信號，實(shí)現故障保護。但在實(shí)際應用過(guò)程中，某些系統的主控程序復雜，運行時(shí)間長(cháng)，造成故障信號發(fā)出后，系統不能及時(shí)封鎖所有IGBT的驅動(dòng)電路，部分IGBT模塊仍然強行工作，引發(fā)嚴重的后果。

本文針對上述問(wèn)題設計了一種IGBT驅動(dòng)電路，不僅具備可靠的過(guò)流軟關(guān)斷功能，而且故障保護響應及時(shí)，不受主控程序運行時(shí)間延滯的影響。

1應用電路設計

1.1設計思路

HCPL-316J有Vin+、Vin-兩個(gè)控制信號輸入端。常見(jiàn)的應用思路是將PWM信號從其中一個(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信號輸出，HCPL-316J就能驅動(dòng)IGBT工作。這種應用方式實(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(méi)有得到充分的利用。

本文設計的IGBT驅動(dòng)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(shí)，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內部。當HCPL-316J檢測到故障時(shí)，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內部。

1.2應用電路實(shí)現

圖3為IGBT驅動(dòng)電路原理圖，圖中兩個(gè)光耦芯片各自驅動(dòng)一個(gè)IGBT模塊，當有更多個(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組成的柵極推挽驅動(dòng)電路;R2、D2組成的過(guò)流檢測電路;D3、C2、C3、C4組成的保護電路。輸出電路主要用于實(shí)現對IGBT的推挽驅動(dòng)和過(guò)流檢測，相關(guān)原理和應用在文獻［2-7］中已有詳細介紹，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(shí)，所有光耦使用同一個(gè)復位信號RESET。每個(gè)光耦的故障信號輸出反饋端接一個(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(yáng)極連接成一點(diǎn)，作為驅動(dòng)模塊總故障信號FAULT。FAULT信號線(xiàn)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。系統正常工作時(shí)，光耦的Vin+端和FAULT信號線(xiàn)均呈現高電平，鉗位二極管處于截止狀態(tài)，PWM控制信號從Vin-端輸入到光耦內部，光耦在DSP的控制下驅動(dòng)IGBT工作。

當某一個(gè)光耦芯片檢測到故障時(shí)，其故障輸出反饋端呈現低電平，端子上的鉗位二極管導通，總故障信號FAULT變低，向主控芯片發(fā)出故障報警信號，同時(shí)所有光耦芯片的Vin+端被鉗定在低電平，Vin-端子上的PWM信號無(wú)法輸入到光耦內部，在時(shí)間封鎖所有光耦的輸入，IGBT失去驅動(dòng)信號而停止工作，實(shí)現了對IGBT模塊的故障快速保護功能。顯然，在主控芯片封鎖PWM控制信號之前，驅動(dòng)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(shí)長(cháng)對故障保護時(shí)效性的影響。

2實(shí)驗

實(shí)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(guò)流保護的時(shí)效應，在HCPL-316J（1）芯片DESAT端突加一個(gè)電壓信號，模擬系統過(guò)流故障狀態(tài)，在4通道示波器DSOX2004A上觀(guān)察到的實(shí)驗波形如圖4所示。當VDESAT1》7V時(shí)，HCPL-316J（1）芯片進(jìn)入過(guò)流軟關(guān)斷的工作過(guò)程，將自身驅動(dòng)的IGBT（1）軟關(guān)斷，同時(shí)發(fā)出故障報警信號，VFAULT信號由高變低。一旦VFAULT變?yōu)榈碗娖�，HCPL-316J（2）芯片的輸出VGE2電壓信號立即下降為零，時(shí)間關(guān)斷IGBT（2），實(shí)現故障快速保護，而主控DSP在經(jīng)過(guò)2μs后才封鎖控制信號PWM2。容－源－電－子－網(wǎng)－為你提供技術(shù)支持