基于HCPL-316J的IGBT驱动及保护电路的设计 Design of IGBT Drive and Protection Circuit Based on HCPL-316J
山东科技大学 谷兆灿(Gu Zhaocan )
摘要：在变频器和逆变器中，IGBT扮演着十分重要的角。IGBT运行的稳定性，是变频器（逆变器）工作可靠性的保证。同时，IGBT的故障保护也是变频器（逆变器）设计过程中的重要环节。本文以HCPL-316J光耦合芯片为主，联合Infineon的FP50R12KT4型号IGBT为例，设计IGBT的驱动及保护电路，并通过实验验证该电路的可靠性。 关键词：变频器；逆变器；IGBT；驱动电路
Abstract: IGBTs play an important role in frequency converter and inverters. The stability of the IGBT operation is the guarantee of the operational reliability of the frequency converter (inverter). At the same time, the fault protection of IGBT is also an important part in the design process of frequency converter (inverter). This paper takes HCPL-316J optical coupling chip as the main [1], and combines Infineon's FP50R12KT4 IGBT as an example to design the driving and protection circuit of IGBT, and verify the reliability of the circuit through experiments.
Key words: Frequency converter; Inverter; IGBT; Drive circuit
【中图分类号】TN77【文献标识码】B 【文章编号】1561-0330(2019)07-096-04
1 引言
IGBT因有着高频通断、高耐压、低导通阻抗、驱动方便等特点[1]，在行业内被广泛应用，尤其是在变频器行业[2]。而IGBT的正确运行取决于驱动电路的合理性，良好的驱动电路可以做到集驱动、保护于一体，大大简化了电路设计，提高了产品的安全性、可靠性[3]。HCPL-316J的应用电路如图1所示。
FP50R12KT4是英飞凌公司EconoPIM™ 2系列产品，该种型号IGBT集成了三相整流桥、一个制动用斩波器、一个三相逆变桥和一个用于测量温度的NTC热敏电阻，阻断电压为1200V。HCPL-316J是Agilent公司推出的一款输出高达2A且带过流保护的IGBT驱动光耦[4]，可驱动IGBT最高为150A/1200V级、光学隔离、带故障反馈输出、软关断技术、集成过流、欠压保护[5]。2 驱动电路设计
2.1 316J的工作原理
HCPL-316J的内部结构如图2所示。
316J有两种触发模式，一种是低电平有效，V IN+保持高电平，V IN-触发，另一种是高电平有效，V IN-保持低电平，V IN+触发。该芯片有三个内部信号控制设备输出的状态：信号LED的状态、UVLO和故障信号。如果在IGBT集电极上没有检测到故障，且电源电压高于UVLO阈值，则LED信号将控制设备输出状态。设备逻辑级包括一个互锁，以确保输出级中的上拉和下拉器件不会同时处于开启状态。如果检测到欠压情况，无论LED的状态如何，输出将被50倍DMOS器件主动拉低。如果在信号LED亮起时检测到IGBT饱和故障，则故障信号将锁定在高电平状态。达林顿和50倍 96 THE WORLD OF INVERTERS
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图1 HCPL-316J 与FP50R12KT4应用的结构框图
图2 HCPL-316J 的内部结构图
图3 HCPL-316J
应用电路
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DMOS 器件被禁用，一个较小的1倍DMOS 下拉器件被激活，使IGBT 栅极缓慢放电。当输出下降到2V 以下时，50×DMOS 器件再次导通，将IGBT 栅极稳固地夹在V EE 上。故障信号保持锁定在高电平状态，直到信号LED 熄灭。
2.2 316J 的应用电路
图3中仅给出了一相中下桥的驱动电路，其余电路与此相同。
当IGBT 导通时，芯片内部的恒流源流出的电流
经过电阻R13、R14和二极管D8、D9所产生的压降V R13、V R14、V D8、V D9，加上IGBT 导通时的管压降V CE ，当V R13+V R14+V D8+V D9+V CE >7V 时，即IGBT 出现
过电流情况：首先，V out 输出变低，关断IGBT 并且锁定，防止流过IGBT 的电流进一步上升。同时，引脚6的故障信号立即变为低电平发送到控制器，控制器再根据此信号对PWM 信号进行控制。控制器在接收到故障信号后的下一PWM 周期开始，若发出PWM 信号，则会以低电平时的PWM 信号作为RESET 复位信号，允许再
次开通IGBT 。如此周而复始的循环，实现电流保护。
3 实验分析
将上述电路在Altium Designer16上绘制PCB 电路图，然后投产。在电路板做好后手工焊接元器件，用IGBT 驱动板测试工具（该设备用来模拟控制器发出PWM 波形和产生故障提示），以及万用表、24V 开关电源、示波器等设备进行试验，所使用的部分设备如图4(a)所示，图4(b)和(c)分别为IGBT 驱动板的正反面。
IGBT 驱动板包含U 、V 、W 三相的驱动电路，本
次试验连接的是IGBT 的下桥，用双路示波器测量W 相的相关波形。首先按照图4(a)连接电路，将示波器的其中一路夹在驱动板的W 相输出端，即IGBT 的基极，另一路夹在IGBT 的C 、E 两端，然后便可以进行测试了。
先把24V 开关电源通上电，然后按下测试设备上“Start ”按钮，测量设备开始发出PWM 信号给驱动板，即模拟变频器中控制系统所发出的PWM 信号，在电路连接正常的情况下，驱动板会根据收到的PWM 状态发出控制IGBT 基极的信号，从而改变IGBT 导通和关断的状态。
此时运行的状态波形如图5
所示，其中黄波形测
(b) (c)图4 实验设备和PCB 电路板
图5 W 相运行波形
(a)
图
6 过电压检测波形
WWW.CA168.COM 99 量的是W 相的输出信号，即IGBT 基极的控制信号，蓝波形测量的是驱动板过电压检测波形。
由图5黄波形可以看出，IGBT 基极的导通电压在10V 左右，关断电压在-7V 左右。之所以采用负电压，一是为了缩短IGBT 关断时间，二是避免基极电压有波动时IGBT 误动作。蓝波形即为过电压检测波形，当该波形的电压超过7V 时，就会产生过电压故障。该波形会随着G 极的导通，而产生一个上升沿，此处的电压容易泵升，若处理不好则会产生过电流的错误故障。图6将该细节进行了放大处理，可以看出，该波形在上升的瞬间会产生一个下拉电压，避免在IGBT 导通瞬间产生泵升波形，从而避免了不必要的错误故障。
当发生故障时，如欠电压、过电流等故障，要求IGBT 可以在最短的时间内关闭，避免严重事故发生。图7中显示了在IGBT 烧坏的情况下运行该驱动所产生的的故障波形。在IGBT 导通的瞬间，该驱动会像正常一样工作，当检测电路发现IGBT 故障时，电压立马下降，同时控制IGBT 的G 极电压下降，直至完全关断，整个工作的过程被控制在20
微妙内。
图7 故障波形
4 结束语
该电路的设计优化了IGBT 的驱动波形，尤其是在IGBT 导通瞬间，使得检测电路的电压瞬间降低，避免了由泵升电压干扰而产生的误动作，其次是在故障响应的时间上有很大的优势，提高了保护效率，可以极大地降低重大事故的发生率。再者，该驱动电路可以适应不同功率的IGBT ，通过调节稳压二极管，即可改变过电流检测的等级，极大地提高了适应性。实验证明，该驱
动电路可靠性高，可以在行业内得到很好的应用。
参考文献：
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[2] V i n o g r a d o v A B , K o r o t k o v A A. C o n t r o l o f a multilevel frequency converter of a power-efficient electric drive[J]. Russian Electrical Engineering, 2017, 88(4): 212-218.
[3] R a m ír e z G , V a l e n z u e l a M A , W e a v e r M D , e t al. The impact of switching frequency on PWM AC drive efficiency[C]// 2016 IEEE Pulp, Paper & Forest Industries Conference (PPFIC). IEEE, 2016: 153-163.[4] Masaoud A, Mekhilef S, Ping H W, et al. A simplified structure for three-phase 4-level inverter employing fundamental frequency switching technique[J]. IET Power Electronics, 2017, 10(14): 1870-1877.
[5] 连孝藩. 浅谈光耦ACPL-332J 在变频器中的应用[J].仪表技术. 2010,02(20),58-60.
作者简介：
谷兆灿 男 硕士研究生 山东科技大学 通用变频器和矿用变频器技术研发
