引
蓄电池
摘要
关键词：
System
BAI
of Electrical Engineering,Dalian116023,Liaoning,China.) Abstract
circuit
0言
超级电容器是一种新型的储能器件，由于其具有超大容量和较高的储能密度，因而在混合动力汽车的启动或加速系统、脉冲功率电源系统中具有广泛的应。对超级电容器的性能评价通常建立在如下三类测试基础上：(1)恒电压方式；(2)恒电流方式；(3)恒[1-2]。而评定超级电容器输出功率的能力，通常采用的方法是恒功率放电法。目前国内市场上的放电设备主要分为两类：一类是使用可变电阻、碳棒等。该类设备需要人工调定电阻，控制精度、自动化程度低，可靠性差；另一类设备主电路采用降压电路，使用电子负载或电阻负载，此类设备由于开关管是串联在主电路中，使得超级电容器的放电电流为脉冲电流，不能做到连续。本文采用Boost升压拓扑结构作为
IGBT开通和关断的PWM波的占空比使得放电电流得以控制，进而保证恒功率放电的实现。因此，设计一种可靠、稳定的驱动电路则成为能否实现恒功率放电的关键之一。
1
恒功率放电是指储能元件在放电过程中一直保持功率P=U·I的恒定。由于储能元件（如超级电容器或）在放电过程中端电压不断的下降，为了保持恒功率放电，就要求电流随着电压的下降而上升。基于以上特点，本文以Boost升压斩波电路为基础，辅之以PIC单片机控制，设计出一种用于超级电容器恒功率放电的电路，如图1所示，其中IGBT的C、G、E端分别
超级电容器恒功率放电系统中IGBT驱动的设计*
白鑫，张莉，李琛
（大连理工大学电气工程学院，辽宁大连116023）
：根据超级电容器恒功率放电的要求，采用升压斩波拓扑结构设计恒功率放电系统。针对升压斩波电路中IGBT的驱动加以研究，采用HCPL-316J驱动光耦与PIC单片机相结合组成IGBT驱动电路。驱动芯片的输出端采用推挽结构，降低了驱动电路的输出阻抗，从而加快驱动电压的装载速度。PIC单片机产生占空比可实时调整的PWM波形作为输入，实测的输出波形符合IGBT驱动的要求，并随着输入波形的变化而变化，系统能够稳定可靠的工作。
恒功率；HCPL-316J；PWM；驱动电路
中图分类号：TM53文献标识码：B文章编号：1001-1390(2010)09-0073-04
Design of IGBT Driver in the for Supercapacitor Constant Power
Discharging
Xin,ZHANG Li,LI Chen
(School Dalian University of Technology,
：According to the requirement of constant power discharging for supercapacitor,a constant power discharge system was designed using the boost chopper topology,and analyzed the driving of IGBT in the boost chopper circuit.The HCPL-316J gate drive optocoupler and the PIC microcontroller were combined to compose a driving for IGBT.The output of the circuit was push-pull structure in order to reduce the output impedance and speed up the load of the driving voltage.The PWM waveform generated by the PIC microcontroller was used as input whose duty circle can be adjusted in real-time,the measured output waveform accommodates the demand of the IGBT driver,and has a perfect coordination with the input waveform,the entire system can work stably and reliably. Key words：constant power,HCPL-316J,PWM,driving circuit
*国家自然科学基金资助项目（50577075）
连接图3中CON1的C 、G 、E 端。
当此电路工作于稳态时，一个周期T 中电感L 积蓄的能量与释放的能量相等[3]，若设IGBT 的导通占空比为α，则：
U o =11－αU （t ）（1）
如果忽略电路中的损耗，则由超级电容器供给的
能量仅由负载R 消耗，
即：U （t ）I 1=U o I o （2）
推导出:I 1=U o U （t ）I o =U o U （t ）·U o
R =1
(1－α)2U （t ）R （3）
假设超级电容器的初始电压为E ，则电压与功率
的关系为：
E 2
－U 2
（t ）=2Pt
C
（4）
根据P=U （t ）I （t ），I （t ）=I 1，将式（3）、式（4）带入，推导出：
E 2
－
2Pt
C
=(1－α)2RP
（5）式中只有t 和α为变量，其余都为已知量。由此可得，在
不同的放电电压U
（t ）下，只要随着时间t 不断的调整开关管导通与关断即调整PWM 的占空比α就可以得到所需要的放电电流I （t ），从而达到稳定输出功率的目的。
所以，如何对IGBT 的驱动电路进行设计，使得
IGBT 的导通和关断能够根据要求快速的调整，并稳定可靠的工作，成为超级电容器能否实现恒功率放电
的关键所在。
为了满足恒功率放电系统的要求，IGBT 驱动电路的设计应从以下几个方面进行考虑：(1)能够向IGBT 提供适当的导通和关断电压；(2)根据系统的具体要求选择栅极驱动电阻R G ；(3)驱动电源提供的平均功率要满足IGBT 开关过程中消耗的功率；(4)当负载出现短路或者IGBT 出现过流情况时，必须保证在IGBT 的允许时间内相对缓慢地降低栅极电压，实现IGBT 的软关断。
2基于HCPL-316J 的驱动电路设计2.1HCPL-316J 的简介
HCPL-316J 芯片是由安捷伦公司生产的一种驱动IGBT 的光电耦合器件，
其行为级电路原理图如图2所示。该芯片内部集成U CE 欠饱和检测电路和故障反馈电路，可驱动150A/1200V 的IGBT ，具有光耦隔离，过流软关断等特点。输出采用三级达林顿管的结构，
以放大控制脉冲，最大开关时间为500ns 。
正常工作时：V in 脚输入PWM 波形，DESAT （饱和压降检测）端的输入电压小于7V ，三级达林顿管导通，Vout 输出高电平，这时FAULT （故障状态）端输出为高电平。
欠压发生时：V CC2的输入电压小于12V ，UVLO （欠压锁存）开始发挥作用，三级达林顿管关断，Vout 输出为低电平，从而防止IGBT 在电压过低的驱动信号下导通，达到保护IGBT 的目的。
过流发生时：DESAT 检测的IGBT 集电极电压大于7V 时，FAULT 端输出低电平，输入信号的光耦失效，三级达林顿管关断，IGBT 的栅极电压先通过V 1缓慢放掉，再通过V 2迅速放电并夹断在V EE ，实现对IGBT
图2行为级电路原理图Fig.2Behavioral circuit schematic
图1升压斩波电路原理图
Fig.1Boost chopper circuit schematic
ÁR 100
R
的软关断。
2.2IGBT 的驱动电路设计
图3为恒功率放电系统中IGBT 驱动电路，其中CON1中的C 、G 、E 脚分别对应IGBT 的集电极、栅极、发射极。该驱动采用PIC18F452单片机与HCPL-316J 芯片共同搭建，PIC 单片机是Microchip 公司研发的8位微控制处理器，通过软件编程使其输出一路PWM 控制信号，作为316J 的输入。而316J 的FAULT 端输出接在单片机的RE2端口，用以检测驱动电路的故障信号，来控制PWM 的输出。当故障解除后，RE1端口发送一个RESET 信号使316J 重新开始工作。
驱动芯片的输出端加装推挽电路，能够有效的降低驱动电路的输出阻抗，并且加快驱动电压的装载速度，提高驱动效率。
采用推挽电路也能够使IGBT 在开通和关断时采用不同的栅极电阻，从而IGBT 栅极的开通、关断时间由不同电阻来控制，使得电路的性能更加优良。根据系统的要求，设定输出电压的最低值V OL =1.5V ，IGBT 开通时注入其栅极的电流的峰值I OLPEAK =5A ，则开通时的栅极电阻[4]：
R ON =[V CC2-1-（V OL +V EE ）]I OLPEAK =[15V-1V-（1.5V+（-5V ））]5A
=3.5Ω（6）
为了留有一定裕量，取R ON =3.9Ω，R OFF =10Ω。在过流检测电路用一个二极管串连，用以提高驱
动电压等级，推荐选用BYV26E 二极管，其反向耐压等级为1000V ，且反向恢复时间很小，为75ns 。
根据实际的要求，通过增加二极管的数量来改变保护电压的等级。
HCPL-316J 芯片并非没有缺点，其供电电压要求
比较稳定，即V CC1端输入电压的最大值不能超过5.5V ，
最小值不能小于4.5V ，否则芯片容易损坏。为了使输入电压不发生大的波动，本系统采用REF02芯片单独对V CC1端口进行供电。3
软件设计及实验调试
驱动电路元件参数的选取如图3中标注所示。PIC
单片机产生占空比可实时调整的PWM 波及IGBT 栅极上的驱动电压波形如图4所示。
从图4中可以看出，PWM 波的占空比逐渐增大，而输出电压也能紧随PWM 波形的变化而变化，且开通及关断电压分别为+15.4V 和-5V ，符合IGBT 驱动的要求。
将此驱动电路应用到超级电容器恒功率放电系统中。
实测放电波形如图5所示，设定超级电容器进行恒功率10W 放电，当超级电容器开始放电后，其端电
压由初始电压30V 逐渐下降，这时通过PIC 单片机的控制使IGBT 的导通占空比逐渐增大，从而保持耗能电阻两端的电压保持在32V 左右。在理想状态下，放电系统中的电感与电容不耗能，超级电容器的能量基本由耗能电阻来消耗，而通过本文中放电系统的控制，耗能电阻两端的电压保持恒定，所以超级电容器的放电功率也保持恒定，达到恒功率放电的目的。通过实验波形可以得出，该IGBT 驱动电路可以满足恒
图3IGBT 驱动电路Fig.3Driving circuit of IGBT
图4IGBT 的驱动波形Fig.4Driving waveform of IGBT
PWM
IGBT
t /(250 s / )
C H 2/(10V / ),C H 1/(4V / )
功率放电系统对实时性的要求。
基于PIC单片机控制器，利用C语言编程来实现系
4结束语
本文设计了一个以PIC单片机为控制器，HCPL-316J光耦为核心的IGBT驱动电路，由于316J体积小，且内部集成欠压及过流保护，使得外部电路相对简单
。
把此驱动电路应用到超级电容器恒功率放电电路中，实验结果证明，其工作稳定可靠，可满足系统的不同要求。不足之处为系统所需电源较多，之间的电磁影响较大，应从电磁兼容的角度考虑PCB板的布线问题，使系统工作更加稳定可靠。
参考文献
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,2005.
作者简介：
图5实验波形
Fig.5Waveform of experiment
图6放电系统的软件流程图Fig.6Flow chart of discharging system
李琛（1985-），男，汉族，河南驻马店人，博士研究生，从
事超级电容器及其在电力电子技术中的应用的研究。
投稿日期:2010-06-02
(田春雨编发)白鑫（1985-），男，汉族，辽宁鞍山人，硕士研究生，从事
超级电容器程控恒功率测试技术的研究。
Email：
张莉（1964-），女，汉族，吉林长春人，博士，教授，从事电能存储与变换技术、脉冲功率与电源技术、智能检测技术等方面研究。
