IGBT高压大功率驱动和保护电路的应用研究

摘  要：通过对功率器件IGBT的工作特性分析、驱动要求和保护方法等讨论，介绍了的一种可驱动高压大功率IGBT的集成驱动模块HCPL-3I6J的应用
关键词：IGBT；驱动保护电路；电源

0 引言
    IGBT在以变频器及各类电源为代表的电力电子装置中得到了广泛应用。IGBT集双极型功率晶体管和功率MOSFET的优点于一体，具有电压控制、输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快和工作频率高等优点。

    但是，IGBT和其它电力电子器件一样，其应用还依赖于电路条件和开关环境。因此，IGBT的驱动和保护电路是电路设计的难点和重点，是整个装置运行的关键环节。

    为解决IGBT的可靠驱动问题，国外各IGBT生产厂家或从事IGBT应用的企业开发出了众多的IGBT驱动集成电路或模块，如国内常用的日本富士公司生产的EXB8系列，三菱电机公司生产的M579系列，美国IR公司生产的IR21系列等。但是，EXB8系列、M579系列和IR21系列没有软关断和电源电压欠压保护功能，而惠普生产的HCLP一316J有过流保护、欠压保护和1GBT软关断的功能，且价格相对便宜，因此，本文将对其进行研究，并给出1700V，200～300A IGBT的驱动和保护电路。

1 IGBT的工作特性
    IGBT是一种电压型控制器件，它所需要的驱动电流与驱动功率非常小，可直接与模拟或数字功能块相接而不须加任何附加接口电路。IGBT的导通与关断是由栅极电压UGE来控制的，当UGE大于开启电压UGE(th)时IGBT导通，当栅极和发射极间施加反向或不加信号时，IGBT被关断。

    IGBT与普通晶体三极管一样，可工作在线性放大区、饱和区和截止区，其主要作为开关器件应用。在驱动电路中主要研究IGBT的饱和导通和截止两个状态，使其开通上升沿和关断下降沿都比较陡峭。

2 IGBT驱动电路要求
    在设计IGBT驱动时必须注意以下几点。

    1)栅极正向驱动电压的大小将对电路性能产生重要影响，必须正确选择。当正向驱动电压增大时，．IGBT的导通电阻下降，使开通损耗减小；但若正向驱动电压过大则负载短路时其短路电流IC随UGE增大而增大，可能使IGBT出现擎住效应，导致门控失效，从而造成IGBT的损坏；若正向驱动电压过小会使IGBT退出饱和导通区而进入线性放大区域，使IGBT过热损坏；使用中选12V≤UGE≤18V为好。栅极负偏置电压可防止由于关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通，一般负偏置电压选一5V为宜。另外，IGBT开通后驱动电路应提供足够的电压和电流幅值，使IGBT在正常工作及过载情况下不致退出饱和导通区而损坏。

    2)IGBT快速开通和关断有利于提高工作频率，减小开关损耗。但在大电感负载下IGBT的开关频率不宜过大，因为高速开通和关断时，会产生很高的尖峰电压，极有可能造成IGBT或其他元器件被击穿。

    3)选择合适的栅极串联电阻RG和栅射电容CG对IGBT的驱动相当重要。RG较小，栅射极之间的充放电时间常数比较小，会使开通瞬间电流较大，从而损坏IGBT；RG较大，有利于抑制dvce／dt，但会增加IGBT的开关时间和开关损耗。合适的CG有利于抑制dic／dt，CG太大，开通时间延时，CG太小对抑制dic／dt效果不明显。

    4)当IGBT关断时，栅射电压很容易受IGBT和电路寄生参数的干扰，使栅射电压引起器件误导通，为防止这种现象发生，可以在栅射间并接一个电阻。此外，在实际应用中为防止栅极驱动电路出现高压尖峰，最好在栅射间并接两只反向串联的稳压二极管，其稳压值应与正负栅压相同。

3 HCPL-316J驱动电路
3.1 HCPL-316J内部结构及工作原理
    HCPL-316J的内部结构如图1所示，其外部引脚如图2所示。

    从图1可以看出，HCPL-316J可分为输入IC(左边)和输出IC(右边)二部分，输入和输出之间完全能满足高压大功率IGBT驱动的要求。

    各引脚功能如下：
    脚1(VIN+)正向信号输入；
    脚2(VIN-)反向信号输入；
    脚3(VCG1)接输入电源；
    脚4(GND)输入端的地；
    脚5(RESERT)芯片复位输入端；
    脚6(FAULT) 故障输出，当发生故障(输出正向电压欠压或IGBT短路)时，通过光耦输出故障信号；
    脚7(VLED1+)光耦测试引脚，悬挂；
    脚8(VLED1-)接地；
    脚9，脚10(VEE)给IGBT提供反向偏置电压；
    脚11(VOUT)输出驱动信号以驱动IGBT；
    脚12(VC)三级达林顿管集电极电源；
    脚13(VCC2)驱动电压源；
    脚14(DESAT) IGBT短路电流检测；
    脚15(VLED2+)光耦测试引脚，悬挂；
    脚16(VE)输出基准地。

    其工作原理如图1所示。若VIN+正常输入，脚14没有过流信号，且VCC2-VE=12v即输出正向驱动电压正常，驱动信号输出高电平，故障信号和欠压信号输出低电平。首先3路信号共同输入到JP3，D点低电平，B点也为低电平，50×DMOS处于关断状态。此时JP1的输入的4个状态从上至下依次为低、高、低、低，A点高电平，驱动三级达林顿管导通，IGBT也随之开通。

    若IGBT出现过流信号(脚14检测到IGBT集电极上电压=7V)，而输入驱动信号继续加在脚1，欠压信号为低电平，B点输出低电平，三级达林顿管被关断，1×DMOS导通，IGBT栅射集之间的电压慢慢放掉，实现慢降栅压。当VOUT=2V时，即VOUT输出低电平，C点变为低电平，B点为高电平，50×DMOS导通，IGBT栅射集迅速放电。故障线上信号通过光耦，再经过RS触发器，Q输出高电平，使输入光耦被封锁。同理可以分析只欠压的情况和即欠压又过流的情况。

3．2驱动电路设计
    驱动电路及参数如图3所示。

    HCPL-316J左边的VIN+，FAULT和RESET分别与微机相连。R7，R8，R9，D5，D6和C12 起输入保护作用，防止过高的输入电压损坏IGBT，但是保护电路会产生约1µs延时，在开关频率超过100kHz时不适合使用。Q3最主要起互锁作用，当两路PWM信号(同一桥臂)都为高电平时，Q3导通，把输入电平拉低，使输出端也为低电平。图3中的互锁信号Interlock，和Interlock2分别与另外一个316J Interlock2和Interlock1相连。R1和C2起到了对故障信号的放大和滤波，当有干扰信号后，能让微机正确接受信息。

    在输出端，R5和C7关系到IGBT开通的快慢和开关损耗，增加C7可以明显地减小dic／dt。首先计算栅极电阻：其中ION为开通时注入IGBT的栅极电流。为使IGBT迅速开通，设计，IONMAX值为20A。输出低电平VOL=2v。可得

    C3是一个非常重要的参数，最主要起充电延时作用。当系统启动，芯片开始工作时，由于IGBT的集电极C端电压还远远大于7V，若没有C3，则会错误地发出短路故障信号，使输出直接关断。当芯片正常工作以后，假使集电极电压瞬间升高，之后立刻恢复正常，若没有C3，则也会发出错误的故障信号，使IGBT误关断。但是，C3的取值过大会使系统反应变慢，而且在饱和情况下，也可能使IGBT在延时时间内就被烧坏，起不到正确的保护作用， C3取值100pF，其延时时间

    在集电极检测电路用两个二极管串连，能够提高总体的反向耐压，从而能够提高驱动电压等级，但二极管的反向恢复时间要很小，且每个反向耐压等级要为1000V，一般选取BYV261E，反向恢复时间75 ns。R4和C5的作用是保留HCLP-316J出现过流信号后具有的软关断特性，其原理是C5通过内部MOSFET的放电来实现软关断。图3中输出电压VOUT经过两个快速三极管推挽输出，使驱动电流最大能达到20A，能够快速驱动1700v、200-300A的IGBT。 

3．3驱动电源设计
    在驱动设计中，稳定的电源是IGBT能否正常工作的保证。如图4所示。电源采用正激变换，抗干扰能力较强，副边不加滤波电感，输入阻抗低，使在重负载情况下电源输出电压仍然比较稳定。

    当s开通时，+12v(为比较稳定的电源，精度很高)电压便加到变压器原边和S相连的绕组，通过能量耦合使副边经过整流输出。当S关断时，通过原边二极管和其相连的绕组把磁芯的能量回馈到电源，实现变压器磁芯的复位。555定时器接成多谐振荡器，通过对C1的充放电使脚2和脚6的电位在4～8v之间变换，使脚3输出电压方波信号，并用方波信号来控制S的开通和关断。+12v经过R1，D2给C1充电，其充电时间t1≈R1C2ln2；放电时间t2=R2C1ln2，充电时输出高电平，放电时输出低电平。所以占空比=t1／(t1+t2)。

    变压器按下述参数进行设计：原边接+12v，频率为60kHz，工作磁感应强度Bw为O．15T，副边+15v输出2A，-5v输出1 A，效率n=80％，窗口填充系数Km为O．5，磁芯填充系数Kc为1，线圈导线电流密度d为3 A／mm2。则输出功率
PT=(15+O．6)×2×2+(5+O．6)×1×2=64W。

变压器磁芯参数

    由于带载后驱动电源输出电压会有所下降，所以，在实际应用中考虑提高频率和占空比来稳定输出电压。

4 结语
    本文设计了一个可驱动l700v，200～300A的IGBT的驱动电路。硬件上实现了对两个IGBT(同一桥臂)的互锁，并设计了可以直接给两个IGBT供电的驱动电源。