IGBT模块的一种驱动设计

IGBT模块的一种驱动设计

1 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，IGBI、具有以下特点：高输入阻抗，可采用通用低成本的驱动线路；高速开关特性；导通状态低损耗。IGBT在综合性能方面占有明显优势，广泛应用于工作频率为几十千赫兹，输出功率为几千瓦到几十千瓦的各类电力变换装置。在设计驱动电路时，主要考虑以下参数：IGBT的额定值、短路电流特性、感性负载的关断特性、最大栅极发射极电压、栅极输入电容、安全工作区特性。

    光电耦合驱动器件的输入、输出都是有源的，其正向脉冲及负向闭锁脉冲的宽度不受限制，可容易地通过检测IGBT通态集电极电压实现过流及短路保护，并向微处理器发出过流报警信号。

    2 IGBT下桥臂驱动器件HCPL-316J

    HCPL-316J的主要特征：16引脚双列直插封装；可驱动150 A／1 200 V的IGBT；宽电源电压范围为15 V～30 V；最大开关时间为0.5μs；死区时间为2μs；兼容CMOS／TTL电平；具有光隔离、故障状态反馈功能；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。最小共模抑制15 kV／μs（VCM=1500 V时）；具有过流关断、欠压封锁功能；当线路过流或VCC欠压时可自动闭锁所有输出，并发出报警信号；当高侧的悬浮偏置电压源欠压时，可通过其内部的欠压自锁电路将3路高侧输出封锁。

    HCPL-316J具有过流检测和欠压闭锁输出（under voltage lock-out）功能。过流时，输出故障信号，IGBT软关断；电源电压范围为15 V～30 V，在VCM=1 500 V下，最小共模抑制（CMR）电压为15kV／μs，用户可设定正／负逻辑输入、自动复位和自动关断。

    图1为HCPL-316J内部结构图。光耦管LED1组成输入控制电路，VIN+和VIN-分别为正／负逻辑输入端。当输入负逻辑信号时，VIN+置为高电平，VIN-接输入信号；反之，当输入正逻辑信号时，则VIN-置为低电平，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等组成故障信号控制电路，该驱动器7引脚悬空，8引脚接地，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，或者串联一只电阻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进行快速有效地保护。该系列驱动器只需一个非隔离的+15 V电源；具有高dv／dt容量；保护功能完善；故障记忆，通过FAULT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，使用不同功率的IGBT时都能工作在较高的开关频率下，并得到高转换效率。
 

    由LED2等组成的故障保护电路，DESAT为过流检测输入端，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FAULT为高电平，复位端RESET对输入通道不起作用。若DESAT检测到过流信号（DESAT端电压超过7 V），则FAULT为高电平。该信号经内部逻辑一方面闭锁驱动器输出及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FAULT为低电平，通知外部微机。当IGBT发生过流。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压而导致IGBT损坏。另外，由于故障输出端FAULT为集电极开路，可实现多个器件的FAULT并联到微机上。

FAULT发生故障后一直保持低电平，直至RESET输入复位为低电平信号。

    在利用下臂驱动器驱动比150 A／1 200 V更大的IGBT时，可外接电流缓冲器，以扩大其驱动能力。由图2的工作时序可知，当DESAT端电压超过7 V时，产生过流。IGBT下桥臂的驱动电路图如图3所示。

    图3中电源+5 V、VB+、VB-（VB+与VB-的电压均为25 V）为器件提供工作电压。与16引脚相连的电位符号IGBTBE和IGBT模块下桥臂的发射极相连，与11引脚相连的IGBTBG1～3分别和下桥臂的门极相接，控制IGBT的导通和关断。当14引脚DESAT的电压高于7 V检测到过流信号或VCC欠压时，6引脚FAULT为低电平，器件自动闭锁所有输出，用于保护IGBT模块，同时向微处理器发出一个报警信号。

    3 上桥臂驱动器HCPL-3120

    上桥臂驱动HCPL-3120是由磷砷化镓光耦合器和功率输出电路组成，其主要特征：8引脚双列直插封装；驱动电路的最大输出电流峰值为2.0 A；最小共模抑制比为15 kV／μs；最大低电平为0.5 V，无需栅极负压；最大供电电流为5 mA；电源电压范围为15 V～30 V；最大开关速度为0．5斗s；具有滞环欠压锁定输出（UVLO）功能。HCPL-3120的内部结构框图如图4所示。HCPL-3120输出电路具有宽限工作电压范围，使其易于提供门控器件所需的驱动电压。它适于额定容量为1 200 V／100 A的IGBT。对于更高容量的IGBT，可外接电流缓冲器，以扩展其驱动能力。上桥臂IGBT驱动电路的原理图如图5所示。

图5中。VU+与VU-电压为25 V，输出端（Vo）IGBTTG1和IGBT模块上桥臂中U项的一个门极相连接，IGBTTE1和发射极相连接，从而控制IGBT的导通和关断。

    4 实验结果及分析

    图6是测试时从示波器上获取的。从图中看到正向驱动电压为+16.5 V，负向驱动电压为-7.5 V；采用此种方式能够有效、快速地导通和关断IGBT，减少了导通和关断过程中的损耗。

    5 结束语

    该系统设计在充分利用和满足IGBT模块的特点和要求的情况下，着重研究了IGBT的驱动和保护特性，选用了驱动器件HCPL-316J、HCPL-3120对其驱动和保护，满足了IGBT的导通和关断动态要求，使IGBT具有较高的可靠性。