高功率密度的IGBT驅(qū)動(dòng)電路研究

任華清傅 強(qiáng)蘇桂國涂有波

（1.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州 213022；2.江蘇宏微科技股份有限公司，江蘇常州 213022）

高功率密度的IGBT驅(qū)動(dòng)電路研究

任華清1傅 強(qiáng)1蘇桂國2涂有波2

（1.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州 213022；2.江蘇宏微科技股份有限公司，江蘇常州 213022）

0 引言

目前IGBT的驅(qū)動(dòng)模塊種類繁多，其中EXB系列和M579系列驅(qū)動(dòng)應(yīng)用最為廣泛［1］。鑒于EXB系列存在過電流保護(hù)無自鎖功能、負(fù)偏壓不足；M57962L系列過流保護(hù)僅對(duì)IGBT軟關(guān)斷，而不能進(jìn)行降柵壓保護(hù)，且工作頻率和控制精度受到一定限制。另外還存在電路復(fù)雜，外圍電路多、體積大等缺點(diǎn)，不利于實(shí)現(xiàn)高功率密度。針對(duì)以上問題，采用HCPL- 316J設(shè)計(jì)了一種IGBT驅(qū)動(dòng)電路，具有外圍電路少、過流軟關(guān)斷、工作可靠、成本低等優(yōu)點(diǎn)。并通過實(shí)際電路測(cè)試觀察柵極驅(qū)動(dòng)波形、IGBT的開通和關(guān)斷波形，驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的可靠性和實(shí)用性。

1 HCPL- 316J芯片介紹

HCPL- 316J是美國Agilent公司生產(chǎn)的一種IGBT門極驅(qū)動(dòng)光耦合器，其內(nèi)部集成電壓欠飽和檢測(cè)電路及故障狀態(tài)反饋電路，為驅(qū)動(dòng)電路的可靠性提供了保障。具有低壓鎖存、過流探測(cè)和故障狀態(tài)反饋等功能，在故障發(fā)生時(shí)，可實(shí)現(xiàn)IGBT軟關(guān)斷、降柵壓保護(hù)，沒有外部功率放大時(shí)，最高可驅(qū)動(dòng)150 A／1200 V的IGBT。

2 IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的基本要求

根據(jù)IGBT的靜態(tài)特性、開關(guān)暫態(tài)特性、其允許的安全工作區(qū)，IGBT工作時(shí)門極驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路應(yīng)滿足如下基本要求：

a.具有隔離功能。HCPL- 316J的隔離等級(jí)為2 500 V，滿足設(shè)計(jì)要求。

b.柵極電阻RG選擇要適當(dāng)。RG選擇過大會(huì)減小IGBT的，同時(shí)也會(huì)增加開關(guān)損耗，提高發(fā)熱量；RG過小會(huì)增強(qiáng)IGBT工作的耐固性，也增加IGBT的及，而導(dǎo)致IGBT被擊穿和誤導(dǎo)通，所以柵極電阻的選取至關(guān)重要［2］。

c.驅(qū)動(dòng)電壓要合適。正向驅(qū)動(dòng)電壓過大容易導(dǎo)致IGBT產(chǎn)生擎住效應(yīng)，使門極失控，最終造成器件的損壞；如果驅(qū)動(dòng)電壓過小會(huì)使器件因退出飽和區(qū)進(jìn)入線性放大區(qū)，而導(dǎo)致IGBT熱損壞。另外在關(guān)斷時(shí)，為了快速抽出剩余載流子，一般采用5～10 V的負(fù)偏壓［3］。

d.驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有過流欠壓等保護(hù)功能，并能及時(shí)反饋故障信號(hào)。

除了IGBT自身對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求外，還要滿足集成功率模塊對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求。集成功率模塊在空間限制的場(chǎng)合下使用時(shí)，只需根據(jù)要求配置控制算法和參數(shù)，設(shè)計(jì)簡單的外圍電路就可以工作。因此設(shè)計(jì)集成功率模塊時(shí)要求其體積小，靈活方便，而減小驅(qū)動(dòng)電路的體積就是一條有效的途徑。

3 HCPL-316J驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

3.1 電路結(jié)構(gòu)

基于HCPL- 316J的驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，電路主要由HCPL- 316J、推挽放大電路、過流保護(hù)電路、電源等組成。

圖1 驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)電路的工作邏輯是，由微控制器發(fā)出控制信號(hào)，經(jīng)過光耦隔離，再由輸出級(jí)推挽放大電路將驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大到＋15 V驅(qū)動(dòng)IGBT。發(fā)生過流時(shí)，IGBT兩端電壓急劇增加，HCPL- 316 J檢測(cè)到過流信號(hào)時(shí)，對(duì)IGBT進(jìn)行軟關(guān)斷，最后封鎖PWM信號(hào)，同時(shí)發(fā)送故障信號(hào)給微控制器，待故障解除之后，控制器發(fā)送低電平復(fù)位信號(hào)（寬度大于100 ns），驅(qū)動(dòng)電路恢復(fù)工作。

3.2 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路主要由HPCL- 316J芯片和推挽放大電路構(gòu)成，VIN＋信號(hào)輸入端接控制信號(hào)，VIN-信號(hào)輸入端接地，HCPL- 316J驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

圖2 HCPL- 316J驅(qū)動(dòng)電路

正常工作時(shí)，HCPL- 316J的信號(hào)輸入端和信號(hào)輸出端保持同步，輸出端采用NPN型和PNP型的三極管構(gòu)成推挽放大電路，對(duì)VOUT腳的輸出信號(hào)進(jìn)行二次放大，保證驅(qū)動(dòng)功率，采用體積較小的D44VH和D45VH構(gòu)成推挽放大電路，D44VH和D45VH為一對(duì)互補(bǔ)三極管。另外配置-10 V負(fù)偏壓，可以加速IGBT的關(guān)斷過程。其具體工作原理是，當(dāng)VIN＋管腳輸入高電平信號(hào)時(shí)，VOUT管腳輸出高電平信號(hào)，Q1導(dǎo)通，Q2截止，此時(shí)UGE為＋15 V，IGBT導(dǎo)通；反之，VIN＋管腳輸入信號(hào)為低電平時(shí)，VOUT管腳輸出低電平信號(hào)，此時(shí)UGE為-10 V，Q1截止，Q2導(dǎo)通，此時(shí)UGE為10 V，IGBT關(guān)斷，其中開通速度可通過柵極電阻R3和R4來調(diào)節(jié)。

當(dāng)IGBT在感性負(fù)載狀態(tài)下工作時(shí)，IGBT反并聯(lián)的快恢復(fù)二極管在反向恢復(fù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的，由于彌勒電容的存在，電壓應(yīng)力在彌勒電容兩端產(chǎn)生電流流向柵極，與柵極電阻共同作用，柵極電壓會(huì)增大超過UGE門限值，易造成IGBT誤導(dǎo)通或柵極擊穿。為此，在柵極和發(fā)射極間并聯(lián)箝位電阻R4和15 V的雙向穩(wěn)壓管D4，同時(shí)又能防止強(qiáng)電磁干擾感應(yīng)出的高電壓和柵極電路振蕩。

3.3 過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)和參數(shù)分析

根據(jù)IGBT的輸出特性，IGBT的飽和壓降會(huì)隨著電流的急劇上升而增大，采用檢測(cè)IGBT飽和壓降的方式設(shè)計(jì)過流保護(hù)電路。

HCPL- 316J芯片內(nèi)部集成250μA的恒流源和7 V的恒壓源，當(dāng)IGBT正常導(dǎo)通時(shí)，從DESAT端輸出250μA的電流經(jīng)過R2，D1，D2和IGBT至VE腳，其中D1，D2選取反向耐壓值為1 000 V的BYV26E，反向恢復(fù)時(shí)間為75 ns。過流檢測(cè)局部電路如圖3所示。

圖3 過流保護(hù)電路

IGBT正常工作時(shí)，過流檢測(cè)電壓為：

UR2為串聯(lián)電阻R2兩端電壓；UD1，UD2分別為D1，D2導(dǎo)通時(shí)正向壓降；UCE（on）為IGBT工作時(shí)的飽和壓降.

IGBT過流或短路時(shí)，IGBT上電流瞬間上升，其導(dǎo)通壓降UCE（on）急劇增加，當(dāng)檢測(cè)到UDESAT≥7 V時(shí)，VOUT端變?yōu)榈碗娖叫盘?hào)，電容C2通過R1和芯片內(nèi)部M OS放電，實(shí)現(xiàn)緩慢降低柵壓，當(dāng)C2兩端電壓低于2 V時(shí)，柵極電壓快速下降，F(xiàn)AULT端變?yōu)榈碗娖桨l(fā)送給控制器。根據(jù)IGBT輸出特性，調(diào)節(jié)串聯(lián)電阻R2，設(shè)定保護(hù)電流的閥值，其值的大小可以根據(jù)R2調(diào)節(jié)，即

IOUT為HCPL- 316J的DESAT端輸出典型值250μA，UCE（on）＝3.5 V。

當(dāng)IGBT的電流值為150 A時(shí)，IGBT兩端壓降UCE＝3.5 V，D1和D2的導(dǎo)通壓降為0.7 V，計(jì)算得R2＝8.4 kΩ，由式（2）可知，R2越大保護(hù)電流值越小，實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)需要調(diào)節(jié)R2阻值。

除保護(hù)電流值之外，過流保護(hù)的響應(yīng)時(shí)間t也是過流保護(hù)電路的關(guān)鍵參數(shù)之一，即從IGBT正常工作狀態(tài)到軟關(guān)斷開啟的時(shí)間，其大小可以根據(jù)IGBT承受過電流的能力來確定，即

IOUT＝250μA，UDESAT為過流檢測(cè)電壓值。

一般IGBT的過流承受能力在10μs左右，所以t的值應(yīng)該低于10μs，為了提高工作可靠性，取t＝2μs，能得出電容C6＝645.2 p F，選擇500 p F，符合高集成度的設(shè)計(jì)要求。

3.4 欠壓保護(hù)

IGBT柵極驅(qū)動(dòng)的欠壓保護(hù)是必不可少的，由于IGBT自身的工作特性，當(dāng)柵極電壓小于＋12V時(shí)，易導(dǎo)致處于正常工作狀態(tài)下的IGBT退出飽和進(jìn)入線性放大區(qū)，功率損耗迅速增加，形成熱集中，嚴(yán)重影響IGBT的壽命甚至造成IGBT熱擊穿。導(dǎo)致柵極欠壓的直接原因是電源欠壓，HCPL- 316J內(nèi)部集成了＋12 V的恒壓源，實(shí)時(shí)的檢測(cè)電源電壓，當(dāng)UCC2小于12 V時(shí)，欠壓保護(hù)功能被激活，封鎖柵極信號(hào)，使VOUT端輸出低電平信號(hào)，當(dāng)UCC2高于12 V時(shí)，退出保護(hù)，IGBT恢復(fù)正常工作。

4 試驗(yàn)結(jié)果

采用MACMIC的mmG100S120B6C模塊（100 A／1200 V）搭建的三相逆變樣機(jī)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用DSP2812作為控制器，DSP輸出頻率為5 k Hz的SPWM信號(hào)。IGBT柵極輸入信號(hào)，高電平為＋15 V，低電平為-10 V，符合IGBT驅(qū)動(dòng)的要求。

柵極驅(qū)動(dòng)波形和IGBT兩端電壓波形完全同步，滿足IGBT驅(qū)動(dòng)要求。IGBT的開通波形和柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的高電平上升過程，IGBT開通時(shí)間為480 ns，IGBT的關(guān)斷過程和柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)低電平的下降過程，關(guān)斷時(shí)間為280 ns，關(guān)斷速度較快。在足夠的電壓裕量內(nèi)，慢開通快關(guān)斷對(duì)IGBT是有利的，尤其是在大容量應(yīng)用場(chǎng)合能夠有效的減小關(guān)斷損耗，避免了開通時(shí)過大的擊穿IGBT。

5 結(jié)束語

利用HCPL- 316J驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)了一種小體積的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，該電路外圍器件較少、設(shè)計(jì)成本低、可靠性高，適用于高集成度的功率模塊中。文中分析了集成功率模塊的驅(qū)動(dòng)要求和IGBT典型輸出特性及驅(qū)動(dòng)要求，在保證可靠性的基礎(chǔ)上，驅(qū)動(dòng)電路中元器件可選用貼片式，能最大限度的縮小驅(qū)動(dòng)電路的體積，進(jìn)一步提高集成功率模塊的空間利用率，最后在試驗(yàn)中驗(yàn)證了其驅(qū)動(dòng)性能，為集成功率模塊的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路提供了一種可行性較高的設(shè)計(jì)方案。

［1］ 雷小偉，姚河清，金健.一種逆變CO2焊機(jī)IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)［J］，電焊機(jī)，2012，42（6）：73- 76.

［2］ 邢巖，肖曦，王莉娜.電力電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［3］ 衛(wèi)三民，李發(fā)海.一種大功率IGBT實(shí)用驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路［J］，清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001，41（09）：55- 58.

Research on High Power Density IGBT Drive Circuit

REN Huaqing1，F(xiàn)U Qiang1，SU Guiguo2，TU Youbo2
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China；2.Mac Mic Science＆Technology Co.，Ltd.，Changzhou 213022，China）

針對(duì)集成IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)要求，以高功率密度為目標(biāo)，采用HCPL- 316J設(shè)計(jì)了一種小體積的IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路。介紹了驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的原理、計(jì)算以及試驗(yàn)分析過程，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該電路的正確性和可靠性，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

HCPL- 316J；集成功率模塊；高功率密度；驅(qū)動(dòng)保護(hù)

According to the drive requirements of integrated power module，aiming at high power density，an IGBT drive protection circuit having a small volume was designed based on HCPL- 316J.This article introduces the principle of drive protection circuit，calculation and the testing and analysis process.The actual experimental results verified the accuracy and reliability of this drive circuit，showing that it has a certain practical value.

HCPL- 316J；integrated power module；high power density；drive protection

TM464

A

1001- 2257（2015）08- 0056- 03

任華清 （1989－），男，江蘇泰興人，碩士研究生，研究方向?yàn)槿娖侥孀兤骷捌淇刂疲桓?強(qiáng) （1974－），男，江蘇常州人，副教授，研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制。

2015- 03- 30