摘 要：介紹了光電耦合驅動芯片HCPL-316J，HCPL-3120的功能特點,驅動和保護IGBT模塊的具體應用。因為IGBT是電壓驅動型開關器件，它的下橋臂需要過流保護功能而上橋臂不需要，上下橋臂采用不同的驅動芯片。采用HCPL-316J芯片驅動IGBT模塊的下橋臂，采用HCPL-3120芯片驅動IGBT模塊的上橋臂。結果表明，該方法達到了良好的驅動效果。 關鍵詞：光電耦合 驅動芯片 IGBT HCPL-316J HCPL-3120 ABSTRACT: It introduced the function and feature of the optocoupler drive chip HCPL-316J，HCPL-3120 , the use of them to drive and protect IGBT module. Because IGBT is voltage-driven switch device, its below bridge arm needs to be protected by the function of overcurrent but up bridge arm does not need, the up and below bridge arm adopt the different drive chips. Using chip HCPL-316J drives the below bridge arm of IGBT module and using chip HCPL-3120 drives the up bridge arm of IGBT module. The result shows that this method achieves the good effect. KEY WORDS: optocoupler drive chip IGBT HCPL-316J HCPL-3120 0 引言 　　近年來,新型功率開關器件IGBT 已逐漸被人們所認識。與以前的各種電力電子器件相比, IGBT具有以下特點：高的輸入阻抗，使之可采用通用低成本的驅動線路;高速開關特性;導通狀態(tài)的損耗低。 IGBT 在綜合性能方面占有明顯的優(yōu)勢,并正越來越多地應用到工作頻率為幾十千赫、輸出功率為幾千瓦到幾十千瓦的各類電力變換裝置中。在設計驅動電路時，主要考慮以下的參數(shù)：IGBT的額定值;短路電流特性;感性負載的關斷特性;最大柵極發(fā)射極電壓;柵極輸入電容;安全工作區(qū)特性。 　　光電耦合驅動芯片的特點是輸入、輸出兩側都是有源的,由它提供的正向脈沖及負向封鎖脈沖的寬度可以不受限制,而且可以較容易地通過檢測IGBT 通態(tài)集電極電壓實現(xiàn)過流及短路保護,并對外送出過流信號。因此具有使用方便,一致性及穩(wěn)定性較好的優(yōu)點。 1 IGBT下橋臂驅動芯片HCPL-316J 　　該芯片的主要特征是：16腳雙列直插芯片;可驅動150A/1200V的IGBT;寬電源電壓范圍：15～30V;最大開關時間：0.5 us;死區(qū)時間：2us;能兼容CMOS/TTL電平;光隔離，故障狀態(tài)反饋;IGBT “軟”關斷;VCE欠飽和檢測及帶滯環(huán)欠壓鎖定保護;用戶可配置自動復位、自動關閉。最小共模抑制15kV/μS（在VCM=1500V時）;具有過流關斷、欠壓封鎖功能;當線路過流或VCC欠壓時它便可自動封鎖所有輸出，并發(fā)出一報警信號;當高側的懸浮偏置電壓源欠壓時，它會通過其內(nèi)部的欠壓自鎖電路將3路高側輸出封鎖。 　　1.1 HCPL-316J內(nèi)部結構介紹： 　　該驅動芯片有過電流檢測和欠電壓封鎖輸出（Under Voltage Lock-Out）。當過電流發(fā)生時，能輸出故障信號（供保護用），并使IGBT軟關斷。電源電壓范圍為15～30V，在V cm =1500V下最小共膜抑制（CMR）電壓為15kv/us，用戶可設定正/負邏輯輸入、自動復位、自動關斷。 [align=center] 圖1 HCPL-316J內(nèi)部結構圖[/align] 　　圖1中光耦管LED1等組成了輸入控制電路，Vin+和Vin-分別為正/負邏輯輸入端。當輸入負邏輯信號時，Vin+要求置高電平，Vin-接輸入信號;反之當輸入正邏輯信號時，則要求Vin-置低電平，Vin+接輸入信號。輸入信號門電路由LED1傳送到內(nèi)部驅動電路并轉換為IGBT的門極驅動信號。光耦管LED2等組成了故障信號控制電路，該驅動器7號端子懸空，8號端子接地，Vcc1和GND1為輸入側電源，Vcc2和Vee為輸出側電源，Vc為推挽式輸出三極管集電極的電源可直接與Vcc2相接，或者串聯(lián)一個電阻Rc以限制輸出導通電流，Vout為門極驅動電壓輸出端。可以在被驅動的功率器件過流或門極驅動電路自身電源發(fā)生故障時,對被驅動的IGBT進行快速有效的保護。該系列驅動器只需一個非隔離的+15V電源;具有高dv/dt容量;保護功能完善;故障記憶，通過 信號告知控制系統(tǒng);上下互鎖，避免同一橋臂兩只IGBT同時開通;柵極電阻外部可調(diào)，使得使用不同功率容量的IGBT時都能工作于較高的開關頻率，并得到高的轉換效率。 　　由LED2等組成的故障保護電路，DESAT為過電流檢測輸入端，通過串聯(lián)電阻和箝位二極管與IGBT集電極相連。正常狀態(tài)下，不可能檢測到過電流故障，F(xiàn)AULT為低電平，RS觸發(fā)器輸出端Q保持低電平，確保輸入信號通過發(fā)光二極管LED1，且故障信號輸出 為高電平，復位端 對輸入通道不起作用。若DESAT檢測到過電流信號（DESAT端電壓超過7V），則FAULT為高電平。該信號經(jīng)內(nèi)部邏輯一方面封鎖驅動器輸出及LED1的輸入信號，另一方面使LED2導通，RS觸發(fā)器輸出端Q為高電平，故障輸出 為低電平，通知外部微機。當IGBT發(fā)生過電流后，驅動器輸出電平下降，使IGBT軟關斷，以避免突然關斷時因產(chǎn)生過電壓而導致IGBT損壞。另外，由于故障輸出端 為集電極開路，可實現(xiàn)多個芯片的 段并聯(lián)到微機上。 [align=center] 圖 2 工作時序圖[/align] 　　端發(fā)生故障信號后，將一直保持低電平，直至 端輸入復位低電平信號為止。 　　在利用下臂驅動芯片驅動比150A/1200V更大的IGBT時，可外接電流緩沖器，以擴大其驅動能力。由圖2的工作時序圖可知，當DESAT端電壓超過7V時，將產(chǎn)生過電流動作。IGBT下橋臂的驅動電路圖如圖3所示： [align=center] 圖3 下橋臂IGBT驅動電路原理圖[/align] 　　圖3中：電源+5V、VB+、VB-（VB+與VB-的電壓是25V）為芯片提供工作電壓。與芯片16腳相連的電位符號IGBTBE和IGBT模塊下橋臂的發(fā)射極相連，與芯片11腳相連的IGBTBG1～3分別和下橋臂的門極相接，可以控制IGBT的開通和關斷。當芯片14腳DESAT的端電壓高于7V檢測到過流信號或VCC欠壓時，6腳 為低電平，芯片自動封鎖所有輸出，起到保護IGBT模塊的作用，同時發(fā)出一個報警信號給微處理器。 　　2上橋臂驅動芯片HCPL-3120 　　上臂驅動芯片HCPL-3120由磷砷化鎵光耦合器和功率輸出電路組成。它的主要特征是：8腳雙列直插芯片;驅動電路的最大輸出電流峰值為2.0A;最小共模抑制15kV/μS（在VCM=1500V時）;最大低電平電壓0.5V，不需柵極負壓;最大供電電流Icc=5mA;電源電壓范圍，15～30V;最大開關速度：0.5μS;有滯環(huán)欠電壓鎖定輸出（UVLO）。 　　該驅動芯片的內(nèi)部結構框圖如下： [align=center] 圖 4[/align] 　　其輸出電路的寬限工作電壓范圍，使其易于提供門控器件所需的驅動電壓。它適合于額定容量為1200V/100A的IGBT。對于更高容量的IGBT，可外接電流緩沖器，以擴大其驅動能力。 　　圖5為上橋臂IGBT驅動電路的原理圖。 [align=center] 圖5 IGBT上橋臂的驅動電路[/align] 　　圖5中，VU+與VU-的電壓為25V，輸出端（Vo）IGBTTG1和IGBT模塊上橋臂中U項的一個門極相接，IGBTTE1和發(fā)射極相連，從而可以控制IGBT的開通和關斷。 3 實驗結果及分析 [align=center] 圖6電壓輸出波形（頻率為50HZ的三相交流輸出）[/align] 　　圖6是在測試時從示波器上得到的。從圖中可以看到：正向驅動電壓為+16.5V，負向驅動電壓為-7.5V;采用此種方式的優(yōu)點是：能夠有效、快速的使IGBT開通和關斷，減少了開通和關斷過程中的損耗。 4 結束語 　　該方法在充分利用和滿足IGBT模塊的特點、要求的情況下，著重研究了IGBT的驅動和保護特性，我們選用了對應的驅動芯片HCPL-316J、HCPL-3120來對其進行驅動和保護，滿足了IGBT的開通和關斷的動態(tài)要求，使IGBT展現(xiàn)出了它的優(yōu)點并獲得了較高的可靠性。 參考文獻： 　　[1] 王兆安，黃俊. 《電力電子技術》. 機械工業(yè)出版社 2005 　　[2] 李序葆，趙永健 《電力電子器件及其應用》. 機械工業(yè)出版社 2000 　　[3] 王仁祥，王小曼. 《通用變頻器選型、應用與維護》. 人民郵電出版社,2005 　　[4] 陳國呈. 《新型電力電子變換技術》. 中國電力出版社，2004 　　[5] Bose B K.Power Electronics and AC. Drives. Prentice Hall,1986 　　[6] TMS320C54XCode Composer Studio Tutorial. Literature Number:SPRU327C February 2000.Texas Instruments Incorporated 　　[7] Code Composer Studio Getting Started Guide. Literature Number:SPRU509C November 2001. Texas Instruments Incorporated 　　[8] TMS320C54X Code Composer Studio version 2 help