一種基于HCPL-316J的IGBT驅動電路設計

樊明龍，鄭桂標

（1．揚州工業職業技術學院 江蘇 揚州 225127；2．陽光電源股份有限公司 安徽 合肥 230088）

一種基于HCPL-316J的IGBT驅動電路設計

樊明龍1，鄭桂標2

（1．揚州工業職業技術學院 江蘇 揚州 225127；2．陽光電源股份有限公司 安徽 合肥 230088）

在較復雜的變流系統中，主控系統的延滯會影響IGBT模塊故障保護的時效性，造成保護失敗。針對這種情況，本文采用光耦驅動芯片HCPL-316J和DSP芯片設計了一種IGBT驅動電路，當光耦芯片故障信號發出后立即封鎖IGBT驅動信號，完全消除了主控程序運行時長對故障保護的影響。通過模擬過流實驗和實際應用表明，本設計故障保護響應迅速，運行穩定可靠。

HCPL-316J；IGBT驅動電路；故障保護；電路設計

光耦驅動芯片HCPL-316J是Agilent公司生產的柵極驅動電路產品之一，可用于驅動150 A/1 200 V的IGBT，開關速度為0．5 μs，有過流檢測和欠電壓封鎖輸出。當過電流發生時，能輸出故障信號（供保護用），并使IGBT軟關斷［1］。近年來，HCPL-316J的應用研究得到了重視，從目前公開發表的文獻來看，研究主要側重于輸出電路部分，重點是過流軟關斷的原理、工作過程和實用電路設計，對故障信號反饋端和控制信號輸入端的應用研究不多。在文獻［2-7］中均提到將故障信號反饋給主控芯片，但沒有深入的研究如何充分利用該信號端提高驅動電路的整體性能。

光耦HCPL-316J的過流保護具有自鎖功能，并可設定保護盲區，能有效防止IGBT在工作中瞬時過流而使保護誤動作［7］。當過流是由故障引起的，驅動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芯片的控制信號，實現故障保護。但在實際應用過程中，某些系統的主控程序復雜，運行時間長，造成故障信號發出后，系統不能及時封鎖所有IGBT的驅動電路，部分IGBT模塊仍然強行工作，引發嚴重的后果。

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

1　應用電路設計

1.1設計思路

HCPL-316J有Vin+、Vin-兩個控制信號輸入端。常見的應用思路是將PWM信號從其中一個輸入端引入，另一個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IGBT工作。這種應用方式實際上是在兩個輸入端中選擇一個使用，另一個端子的功能沒有得到充分的利用。

圖1　輸入信號連接圖Fig．1　Signal input

圖2　IGBT驅動電路框圖Fig．2　Block diagram of driving circuit

本文設計的IGBT驅動電路，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，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，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應用電路實現

圖3為IGBT驅動電路原理圖，圖中兩個光耦芯片各自驅動一個IGBT模塊，當有更多個光耦芯片時，參照此圖進行連接。以其中的HCPL-316J（1）芯片為例，其輸出電路主要分為以下3個部分：R3、R4、R5、Q1、Q2組成的柵極推挽驅動電路；R2、D2組成的過流檢測電路；D3、C2、C3、C4組成的保護電路。輸出電路主要用于實現對IGBT的推挽驅動和過流檢測，相關原理和應用在文獻［2-7］中已有詳細介紹，這里不再贅述。

圖3　IGBT驅動電路原理圖Fig．3　Schematic diagram of IGBT drive circuit

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，所有光耦使用同一個復位信號RESET。每個光耦的故障信號輸出反饋端接一個鉗位二極管（如圖中的D1、D4），鉗位二極管陰極接光耦輸出端，所有鉗位二極管的陽極連接成一點，作為驅動模塊總故障信號FAULT。FAULT信號線又連接到所有光耦的Vin+端，同時經限流電路R1接+5 V電源。系統正常工作時，光耦的Vin+端和FAULT信號線均呈現高電平，鉗位二極管處于截止狀態，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IGBT工作。

當某一個光耦芯片檢測到故障時，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，向主控芯片發出故障報警信號，同時所有光耦芯片的Vin+端被鉗定在低電平，Vin-端子上的PWM信號無法輸入到光耦內部，在第一時間封鎖所有光耦的輸入，IGBT失去驅動信號而停止工作，實現了對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，驅動電路已經阻止PWM信號的輸入，這樣就解決了主控程序運行時長對故障保護時效性的影響。

2　實　驗

實驗電路中主控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= 10 kΩ，R3=R4=R5=R7=R8=R9=10 Ω，C1=C5=330 pF，C2=C3=C6= C7=0．1 μF，C4=C8=100 pF。

圖4　實驗波形Fig．4　Experimental results

為驗證過流保護的時效應，在HCPL-316J（1）芯片DESAT端突加一個電壓信號，模擬系統過流故障狀態，在4通道示波器DSOX2004A上觀察到的實驗波形如圖4所示。當VDESAT1＞7 V時，HCPL-316J（1）芯片進入過流軟關斷的工作過程，將自身驅動的IGBT（1）軟關斷，同時發出故障報警信號，VFAULT信號由高變低。一旦VFAULT變為低電平，HCPL-316J （2）芯片的輸出VGE2電壓信號立即下降為零，第一時間關斷IGBT（2），實現故障快速保護，而主控DSP在經過2 μs后才封鎖控制信號PWM2。

3　結　論

本文設計的基于HCPL-316J的IGBT驅動電路重點在于對HCPL-316J的信號輸入端Vin+、Vin-和故障信號反饋端FAULT的應用研究，實驗結果表明本設計能充分保證故障保護的快速性，尤其適用于控制系統復雜，主控程序運行時間較長的場所。

本驅動電路已成功應用于儲能變流器中蓄電池逆變電源系統，無故障時逆變模塊能穩定連續運行，過流故障時能快速實現保護，大大降低了逆變模塊關鍵元器件損壞的機率。

［1］陳國呈．新型電力電子變換技術［M］．北京：中國電力出版社，2004．

［2］鄭飛，費樹岷，周杏鵬．基于DSP和FPGA的光伏并網控制器設計與實現［J］．電力自動化設備，2011，31（2）:84-89．

［3］蘇偉，鐘玉林，劉均，等．基于HCPL-316J的IGBT過流保護研究［J］．電工電能新技術，2014，33（4）:67-70．

［4］NIE Hui，WEI Xue-ye，YUAN Lei．An improved circuit based on EXB841 applicable to IGBT induction heating power［C］// International Conference on Computer，Mechatronics，Control and Electronic Engineering，2010：535-537．

［5］白鑫，張莉，李琛．超級電容器恒功率放電系統中IGBT驅動的設計［J］．電測與儀表．2010，47（9）:73-76．

［6］潘江洪，蘇建微，杜雪芳．IGBT高壓大功率驅動和保護電路的應用研究［J］．電源技術應用，2005，8（11）：51-55．

［7］劉偉明，朱忠尼．光耦合器HCPL-316J在IGBT驅動電路中的應用［J］．空軍雷達學院學報，2008，22（2）:110-112．

A design of IGBT drive circuit based on HCPL-316J

FAN Ming-long1，ZHENG Gui-biao2
（1．Yangzhou Polytechnic Institute，Yangzhou 225127，China；2．Sungrow Power Supply Co.，Ltd.，Hefei 230088，China）

In more complex converter system，delay of the main control system will affect the efficiency of the IGBT fault protection．In view of this situation，the HCPL-316J optocoupler and DSP were combined to compose a IGBT drive circuit．The IGBT drive signal was blockaded immediately when the optocoupler fault signal was issued．It completely eliminated the effects from the running time of the master program．Simulation over-current experiments and practical applications showed this design had the rapid response to fault protection，and stable and reliable operation．

HCPL-316J；IGBT drive circuit；fault protection；circuit design

TN409

A

1674－6236（2016）02-0107-03

2015-03-27稿件編號：201503390

中央財政支持的職業教育實訓基地“自動化綜合控制實訓基地”建設項目（蘇教財［2012］177號）

樊明龍（1968—），男，江蘇興化人，碩士，副教授。研究方向：電氣自動化技術、機械電子。