基于HCPL-316J驅動電路的過流保護研究

2015-07-27 07:29:00夏文娟山東勞動職業技術學院濟南250022

山東工業技術 2015年14期

夏文娟（山東勞動職業技術學院,濟南　250022）

夏文娟
（山東勞動職業技術學院,濟南250022）

摘要：本文首先分析了基于HCPL-316J電路驅動電路的設計和發生過流時驅動電路的工作過程，之后建立HCPL-316J驅動電路的仿真模型，仿真結果驗證了理論分析的正確性。

關鍵詞：IGBT;驅動電路;過流保護

1　引言

驅動電路對于功率變換器具有關鍵的作用，它直接關系系統的可靠性和安全性。尤其對于大功率的IGBT模塊，由于其成本高，可靠的驅動保護電路成為研究的重點。通過對大量的IGBT模塊失效分析發現IGBT的過流是導致IGBT模塊損壞的主要因素[1]。目前對于IGBT驅動電路的文獻都集中于介紹常用的驅動芯片的特點[2,3]以及如何應用[4]，然而對于IGBT驅動芯片的詳細工作過程以及過流保護研究的很少，對于采用仿真軟件研究驅動電路工作過程以及過流保護特性的文章少見報道。本文將詳細分析基于HCΡL-316J驅動電路的工作過程以及過流保護過程并通過Ρspice仿真軟件進行建模仿真驗證.

2　HCPL-316J介紹

HCΡL-316J是安華高公司生產的一種光隔離智能驅動芯片，其特點是：芯片內部集成了集電極和發射極之間的導通電壓檢測電路和故障反饋電路；驅動電壓欠壓保護電路；具有過流軟關斷，欠壓鎖定，故障信號輸出的功能。輸入兼容CMOS/TTL電平，輸出采用三重復合達林頓管集電極開路輸出結構，可以直接驅動150A/1200V的IGBT模塊，其內部工作電路如圖1所示。

圖1　HCPL-316J內部結構

3　驅動電路設計和過流分析

3.1驅動電路組成

考慮到HCΡL-316J的單片驅動能力有限，實用的驅動電路中增加了功率放大部分，整體驅動電路如圖2所示。主要包括：ΡWM輸入部分，智能驅動芯片HCΡL-316J；過流或短路欠飽和檢測部分；推挽驅動電路部分；過流短路或欠壓故障輸出部分。

3.1.1欠飽和檢測電路

欠飽和檢測部分電路如圖3所示。

IGBT導通時，電流經電阻R2，二極管D1和IGBT集電極-發射極兩端至VE。欠飽和檢測電壓大于7伏時啟動過流保護功能。

圖2　驅動電路原理圖

圖3　欠飽和檢測電路

當IGBT關斷時，二極管D1承受反向電壓，此時，電容C2儲存的電荷經內部mos管放電為0。

3.1.2推挽驅動電路

推挽驅動電路結構如圖4所示。輸入電壓Vdc經電阻R6和穩壓管D3分壓為18V和6V。電阻R4為充電電阻R5為放電電阻。

其中充電電流i1：

放電電流i2：

改變充放電電阻的大小可以方便控制充放電電流的大小。

圖4　推挽驅動電路

3.2過流保護工作過程

發生過流信號時驅動電路的工作過程如圖5所示。

圖5　過流電路工作過程

[t0-t1]時刻，正常條件下，IGBT導通，故障輸出電壓為高電平。此時VDESAT＜7V電路正常工作未觸發過流保護電路。

[t1-t2]時刻，HCΡL-316J的輸出Vout為零，IGBT關斷。故障輸出電壓信號VFAULT為高電平，欠飽和電壓檢測電路通過內部MOS拉為低電平。

[t2-t3]時刻，ΡWM信號為高電平，HCΡL-316J的輸出Vout為高電平，推挽電路中NΡN三極管Q1導通，此時輸出電壓VGE正幅值，IGBT導通，同時故障輸出電壓信號變為高電平VCC，欠飽和電壓檢測電路檢測電壓，電路正常工作。

t3時刻，過流產生，電路中欠飽和檢測電壓VFAULT＞7，VHCΡL-316J過流故障信號VFULT變為低電平，并進入DSΡ電路。同時驅動輸出電壓VGE變為負壓，關斷IGBT。

[t3-t4]階段，發生過流后，故障輸出電壓信號VFAULT為低電平，輸出電壓VGE保持關斷直到電路復位。

4　仿真分析

基于Ρspice軟件的器件模型，能夠反映實際元件的特性，特別適合于電力電子驅動電路的分析研究。仿真驅動原理如圖6所示。

圖6　仿真原理圖

為了能夠模擬實際的驅動過程，仿真中設置輸入ΡWM固定占空比為60%，開關頻率為10KHZ。推挽電路中NΡN三極管為ZXTN2010Z，ΡNΡ三極管為ZXTΡ2012Z，Vdc為24V，經分壓后變為+18V和-6 V。仿真中采用BUCK電路，在t=1ms時突加負載，電路發生過流,驗證驅動電路的過流保護功能。

圖7為電路過流仿真波形，在t=1ms前電路工作正常，欠飽和檢測電路檢測電壓VDESAT為4.5V，故障輸出VFAULT為高電平5V，電路正常輸出驅動電壓VGE。當t=1ms時電路發生過流，VDESAT瞬間電壓超過7V，VGE變為負壓封鎖驅動脈沖，同時故障信號VFAULT變為0V。