基于光耦HCPL316J的大功率IGBT驅(qū)動(dòng)電路研究

1、基于光耦HCPL316J的大功率IGBT驅(qū)動(dòng)電路研究IGBT驅(qū)動(dòng)電阻光耦1引言絕緣柵型雙極性晶體管(InsulatedGateBipolarTransistor-IGBT)是一種電壓控制型功率器件，需要的驅(qū)動(dòng)功率小，控制電路簡(jiǎn)單，導(dǎo)通壓降低，且具有較大的安全工作區(qū)和短路承受能力，在中功率以上的逆變器中逐漸取代了POWERMOSFET和POWERBJT成為功率開關(guān)器件的重要一員。IGBT等功率器件占到逆變器整體成本60%以上，如何有效地驅(qū)動(dòng)和保護(hù)IGBT,使其安全高效地工作，成了當(dāng)前電力電子領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。本文以光耦HCPL316J為核心，從IGBT功率與驅(qū)動(dòng)電路輸出功率的關(guān)系，驅(qū)動(dòng)電路電源

2、以及保護(hù)電路設(shè)計(jì)等方面對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)具有保護(hù)功能的驅(qū)動(dòng)電路，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。圖1IGBT驅(qū)動(dòng)原理圖2 IGBT門極驅(qū)動(dòng)電壓IGBT是電壓控制型器件，開通和關(guān)斷由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定，當(dāng)在柵極和發(fā)射極加一大于開啟電壓UGE(th)的正電壓時(shí)，IGBT導(dǎo)通，當(dāng)柵極施加一負(fù)偏壓或者柵壓低于門限電壓時(shí)，IGBT就關(guān)斷1。典型的IGBT驅(qū)動(dòng)原理圖如圖1所示，+UGE為正向開通電壓，-UGE為關(guān)斷電壓。當(dāng)UGE較小時(shí)，IGBT通態(tài)壓降會(huì)變大，IGBT就容易發(fā)熱，隨著UGE增大，通態(tài)壓降就降低，IGBT的通態(tài)損耗就降低，當(dāng)UGE很大時(shí)，容易造成柵極的擊穿，并且還容易產(chǎn)生擎住效應(yīng)，

3、無(wú)法關(guān)斷IGBT,損壞器件。根據(jù)器件手冊(cè)，一般UGE=±20V選取范圍為15V18V。當(dāng)關(guān)斷IGBT時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)快速關(guān)斷，-UGE取負(fù)偏壓，為了降低關(guān)斷損耗和du/dt誤觸發(fā)，-UGE不應(yīng)該太小，一般在-5V以下，典型的取值為-5V、-8V和-10V。3 IGBT門極驅(qū)動(dòng)電阻的計(jì)算IGBT是通過門極電容的充放電來控制開通和關(guān)斷，門極電容的充放電通過門極驅(qū)動(dòng)電阻來控制。門極驅(qū)動(dòng)電阻的大小影響IGBT的開關(guān)時(shí)間、開關(guān)損耗、反向偏壓安全工作區(qū)、短路安全工作區(qū)等23,還與電路的EMI、du/dt、di/dt等有著密切的關(guān)系，門極驅(qū)動(dòng)電阻的選擇是驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的重要部分。附表3是驅(qū)動(dòng)電阻的變化與

4、驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)的關(guān)系。從附表可以看出，門極驅(qū)動(dòng)電阻越大，開關(guān)損耗和驅(qū)動(dòng)脈沖上升下降時(shí)間就減少，相反，減少驅(qū)動(dòng)電阻,開關(guān)損耗和脈沖上升下降時(shí)間就會(huì)增加。門極驅(qū)動(dòng)電流的峰值可以表示為：v-VT_'G所GMDD%十八臼int)其中：IGM是門極驅(qū)動(dòng)電路輸出的峰值電流；VG(on)正偏壓電源電壓；VG(off)負(fù)偏壓電源電壓；RG驅(qū)動(dòng)電路門極電阻；RG(int)模塊內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)電阻。Gtmin-彳總之，IGBT門極驅(qū)動(dòng)電阻可以參考以下要求：(1)額定電流大的器件門極驅(qū)動(dòng)電阻較小，額定電流小的器件，門極驅(qū)動(dòng)電阻比較大。(2)驅(qū)動(dòng)電阻的最優(yōu)選值可以取IGBT手冊(cè)標(biāo)注的電阻值的兩倍。由于手冊(cè)標(biāo)注的電阻往

5、往是最小的電阻，所以可以考慮選取兩倍的電阻作為參考電阻，這樣可以保證IGBT發(fā)生特殊情況時(shí)可靠關(guān)斷。1/2開通電阻RG(on)往往比關(guān)斷電阻RG(off)小，一般開通電阻可以取到關(guān)斷電阻的4驅(qū)動(dòng)電路的輸出功率計(jì)算當(dāng)IGBT工作在高頻開關(guān)狀態(tài)下時(shí)，電路通過驅(qū)動(dòng)電阻對(duì)IGBT的門極電容進(jìn)行充放電，開關(guān)IGBT,圖2是IGBT門極充電電荷特性圖。根據(jù)門極特性，IGBT開通的過程是從0V充電到UGE,充電過程與輸入電容充電過程等效，關(guān)斷過程則是放電的過程，充放電電流平均值可以通過以下近似公式來計(jì)算：其中：fc是開關(guān)頻率；Qg是IGBT的充電電荷；Cies是IGBT的輸入電容。設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，輸出電流應(yīng)

6、該滿足以上公式計(jì)算的電流。由于驅(qū)動(dòng)電流流過門極驅(qū)動(dòng)電阻，驅(qū)動(dòng)的消耗可以按照門極電阻消耗來計(jì)算，由P=1XU進(jìn)一步計(jì)算IGBT驅(qū)動(dòng)所需要的功率4,開通需要的功率為：2和一1Glct臉xlRE關(guān)斷需要的功率為:P矽=/加加X卜I(6)因此需要的總功耗P為:P，）5保護(hù)電路的設(shè)計(jì)當(dāng)IGBT發(fā)生短路時(shí)，額定電流會(huì)在短時(shí)間達(dá)到額定電流的56倍，此時(shí)必'須關(guān)斷IGBT,否則會(huì)造成IGBT不可修復(fù)的損壞。為了保護(hù)功率器件不被損壞，需要設(shè)計(jì)保護(hù)電路。當(dāng)發(fā)生過流時(shí)，UGE會(huì)迅速增加，通過監(jiān)控UGE可以判斷是否發(fā)生過流，當(dāng)發(fā)生過流時(shí)，關(guān)斷IGBTodu/dt,力口于當(dāng)IGBT工作在感性負(fù)載狀態(tài)，發(fā)生關(guān)斷時(shí)

7、，反并二極管處在反向恢復(fù)狀態(tài)，就會(huì)有很大的集電極和發(fā)射極兩端。由于密勒電容的存在，du/dt將在電容上產(chǎn)生瞬間電流，流向柵極驅(qū)動(dòng)電路。該電流與門極驅(qū)動(dòng)電阻RG作用，使UGE超過門限值，器件就會(huì)被誤觸發(fā)導(dǎo)通。為了防止門極電壓過高，可以在門極驅(qū)動(dòng)電路的末端安裝兩只反向串聯(lián)的穩(wěn)壓管，其穩(wěn)壓值與正負(fù)柵壓相同，就可以保證柵極電壓穩(wěn)定，不被損壞。圖2門極充放電電荷特性圖6基于HCPL316J勺IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)HCPL316J是美國(guó)安捷倫公司生產(chǎn)的一種2.0A的門極驅(qū)動(dòng)光電耦合器，具有集電極-發(fā)射極電壓欠飽和檢測(cè)和故障狀態(tài)反饋，在故障發(fā)生時(shí)，可實(shí)現(xiàn)IGBT軟關(guān)斷，可驅(qū)動(dòng)150A/1200V的IGBTo實(shí)

8、驗(yàn)用IGBT選取EUPEC公司的FF400R12KE4,額定電流400A,耐壓1200V,開關(guān)頻率為3kHz,三相全橋逆變主回路一共需要6路驅(qū)動(dòng)，每路驅(qū)動(dòng)的電源都是單獨(dú)隔離，經(jīng)過變換，輸出15V和-5V兩路電源對(duì)光耦進(jìn)行供電。由于IGBT的容量超過光耦驅(qū)動(dòng)能力，采用最大輸出電流可以達(dá)到8A的MJD44H11和MJD45H11組成的推挽電路，增加驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流。原理圖如圖3所示，圖中的光耦的輸入部分采用故障自動(dòng)封鎖，當(dāng)產(chǎn)生故障之后，自動(dòng)封鎖PWM輸入信號(hào)。根據(jù)公式計(jì)算最小門極驅(qū)動(dòng)電阻為：開通電阻RG(on)最小取2.5Q考慮到實(shí)際應(yīng)用中的du/dt,取值為2Q。由于開通和關(guān)斷的電流峰值相同，

9、均為8A,關(guān)斷電阻RG(off)最小取2.5Q,取彳！為4.5Q。由手冊(cè)6可知，門極充電電荷為Qg=3.7“C,門極充電電容為Cies=28nF,計(jì)算門極驅(qū)動(dòng)功率為：P=+E獷=0.185+0.058=0.241F驅(qū)動(dòng)電路的每路電源至少輸出功率為0.243W,考慮到電路其他元件自身消耗的功率以及裕量，每一路IGBT的驅(qū)動(dòng)功率應(yīng)該大于0.5W,驅(qū)動(dòng)波形如圖4所示。圖3驅(qū)動(dòng)電路原理圖圖4驅(qū)動(dòng)波形圖5短路試驗(yàn)波形t=500ns/divHCPL316J帶有過流檢測(cè)電路，可以通過DESAT管腳來監(jiān)控UGE,UDESAT=UGE+UF,(其中UDESAT是DESAT管腳的輸入電壓，UF是快速恢復(fù)二極管正向?qū)ê蟮膲航?，根據(jù)IGBT手冊(cè)標(biāo)注的正向?qū)▔航?，調(diào)整快速恢復(fù)二極管的數(shù)量，就可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)電壓的匹配。根據(jù)FF400R13KE4手冊(cè)可知，IGBT工作在額定電流情況下UGE為2V,快速恢復(fù)二極管型號(hào)為MURS160T3,正向的導(dǎo)通壓降為1.25V,所以串聯(lián)的二極管數(shù)量n=(7-2)/1.25,為4個(gè)。圖5為發(fā)生短路故障時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。其中波形C1為UCE波形，波形C2為故障輸出信號(hào)波形，波形C3為IC波形，從圖中可以看出，當(dāng)發(fā)生短路以后，HCPL316J逐漸關(guān)斷IGBT