基于MC33153的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

中國船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所 丁建佳

介紹了MC33153的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)并詳細(xì)分析了其引腳功能和保護(hù)原理，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款實(shí)用的IGBT驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了驅(qū)動(dòng)電路的有效性。

引言：IGBT自進(jìn)入市場(chǎng)以來，迅速拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域，成為中、大功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。由于IGBT在電力電子行業(yè)的廣泛應(yīng)用，其運(yùn)行的可靠性變得越來越重要。IGBT的可靠性很大程度上取決于開關(guān)環(huán)境和電路條件，性能良好的驅(qū)動(dòng)電路可保證IGBT工作在較為理想的開關(guān)環(huán)境下，在過流、短路等故障發(fā)生時(shí)，迅速關(guān)斷IGBT，從而保證IGBT及設(shè)備的安全，減少損失。為了提高IGBT可靠性，研發(fā)人員更加傾向于采用專用驅(qū)動(dòng)芯片或模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。本文選用性價(jià)比較高、保護(hù)功能完善的驅(qū)動(dòng)芯片MC33153設(shè)計(jì)實(shí)用的IGBT驅(qū)動(dòng)電路。

1 MC33153內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

MC33153廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制、不間斷供電電源，可驅(qū)動(dòng)單管或模塊IGBT。

圖1所示為MC33153芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖（MC33153datasheet.From http://www.onsemi.cn）。

圖1 MC33153內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1腳為電流檢測(cè)輸入腳，可用于集成電流檢測(cè)功能IGBT的過流和短路檢測(cè)，應(yīng)用于無電流檢測(cè)功能IGBT時(shí)，應(yīng)將1腳接VCC。

2腳為開爾文地GND，應(yīng)用時(shí)此管腳接IGBT的發(fā)射極。

3腳為電源地VEE，典型IGBT驅(qū)動(dòng)電壓設(shè)計(jì)為+15V/-5V，此時(shí)3腳接-5V，若設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電壓為+15V/0V，此時(shí)3腳接0V，將2腳與3腳相連。

4腳為信號(hào)輸入腳，接收來自控制器的PWM信號(hào)，低電平有效。

5腳為驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出腳，通過驅(qū)動(dòng)電阻后連接到IGBT的柵極。

6腳為電源VCC，典型值為15V。

7腳為故障信號(hào)輸出腳，當(dāng)檢測(cè)到IGBT過流或短路故障時(shí)，7腳輸出高電平故障信號(hào)回送至控制器。

8腳為退保和檢測(cè)輸入腳，監(jiān)測(cè)IGBT的導(dǎo)通飽和狀態(tài)。

本文針對(duì)無電流檢測(cè)功能單管IGBT進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，采用退飽和原理設(shè)計(jì)保護(hù)電路。退保和檢測(cè)保護(hù)原理是（Zheng W,Meiying Q.The application of IGBT driver MC33153[C]//Information Science and Engineering(ICISE),2010 2nd International Conference on.IEEE,2010:1-3）：當(dāng)IGBT正常工作時(shí)，處于飽和狀態(tài)，其管壓降小于電壓門限（6.5V），比較器輸出低電平，7腳輸出低電平；當(dāng)IGBT過流或短路時(shí)，IGBT退出飽和工作狀態(tài)而進(jìn)入線性放大區(qū)，管壓降急劇增大，超過電壓門限時(shí)，比較器輸出高電平，經(jīng)過與門和狀態(tài)鎖存器后輸出高電平故障信息，同時(shí)關(guān)斷驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)。

2 基于MC33153驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)芯片外圍電路設(shè)計(jì)

結(jié)合MC33153數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行外圍電路設(shè)計(jì)，如圖2所示，本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電壓為+15V/-5V，由隔離DC/DC模塊供電。

由于MC33153輸入輸出不隔離，逆變電路在高壓工作時(shí)會(huì)干擾控制器，可能導(dǎo)致控制器死機(jī)，從而發(fā)生危險(xiǎn)。為了增加電路的可靠性，驅(qū)動(dòng)電路采用光纖隔離，供電電壓為5V。

圖2 驅(qū)動(dòng)芯片外圍電路設(shè)計(jì)

圖3 驅(qū)動(dòng)電路硬件工作時(shí)序

為了保證驅(qū)動(dòng)上電時(shí)序的正確性，將驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入腳（4腳）通過電阻上拉，使信號(hào)輸入為高電平。

為了優(yōu)化IGBT的工作性能，驅(qū)動(dòng)輸出采用不同的驅(qū)動(dòng)電阻設(shè)計(jì)，使得IGBT關(guān)斷時(shí)柵極快速放電。

在IGBT柵極和源極之間采用TVS進(jìn)行保護(hù)，防止IGBT由于柵極過壓而損壞。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路工作時(shí)序分析

圖3所示為IGBT正常工作和故障時(shí)驅(qū)動(dòng)電路硬件工作時(shí)序。

從圖3（b）中可以看出：硬件電路自身的保護(hù)不足以保證IGBT不損壞，因此在軟件中編寫故障保護(hù)程序，在檢測(cè)到故障信號(hào)后關(guān)斷驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)，驅(qū)動(dòng)芯片輸出低電平IGBT關(guān)斷。

3 驅(qū)動(dòng)電路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)物如圖4所示，以插拔的方式盡可能靠近IGBT安裝，減少柵極寄生電感。

圖4 驅(qū)動(dòng)電路實(shí)物圖

圖5所示為此驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用在T型三電平逆變器中的驅(qū)動(dòng)波形，可以看出驅(qū)動(dòng)電路工作狀態(tài)良好。

圖5 驅(qū)動(dòng)波形

4 總結(jié)

MC33153內(nèi)部邏輯清晰，應(yīng)用簡(jiǎn)單，保護(hù)功能完善，有利于設(shè)計(jì)出性價(jià)比高且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的驅(qū)動(dòng)電路。