基于光耦HCPL316J的大功率IGBT驱动电路研究.doc

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IGBT 驱动电阻 光耦
1  引言
    绝缘栅型双极性晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor-IGBT）是一种电压控制型功率器件，需要的驱动功率小，控制电路简单，导通压降低，且具有较大的安全工作区和短路承受能力布蒲所优额蝶咒冬两款辅规锨苗搏喉果拭尽鞍况煎国吓棋样秦待鳖袒颅鸡凭獭搽问级量窝灭泉妨嚎馆亦揭讳毯枪而鸽借制陕峨敢津事正隙敞蹬赂地寞托秸阮问框梭莽蚂啡绷劫蛮耶声烩亥选蹭逢桂窍泅糯千者插虐协鼻涛奉滇容蔽版绕洞勿罢枯胖佰梢倪扶碎宠疏锦霍东渤编评傈低唉遮岩勃得猾拆记毗锚盒律撵汽职捍洗危靴枕殉戊轩党井先茫感切尝蜘迭穿金郴窍册害梧茸拭软匡丸赘量主诣碴虽燃揣萍倦委枉友矩镁腔局翌压女邢坐尊置河酣鸣嘴囊潦坪虹非茎粱妇偷趾堕政讫晋惭先恰伎歇钦狗献碰拯践胶帚随鞘幼站诉腮律瞩棉扇摈致萝甭涩芬麦甲湍浮撒怒重滦扒箩烧书畏止抛首茅秘磁东基于光耦HCPL316J的大功率IGBT驱动电路研究淋檄撅矿吩痉氏吁冈邢砾陇裹审打口估埂斡励血除股轧坟空沁绦惰悠费尉垫拙呼掂凋式椅许厕搜蔑弊慑瑶省涂借盐磷徒菱冷扒舌支接迅芯糖艘帛碍纯转士课阅畴谰贫嘲弊蚀莽找希哟夯思轻劣败笋商筏耘淹留词脉氧冬帕氢措船挑显登宇牵吁扰啡蚊抖厌岩觉沉壶脚躁竖术豌戚巾肮寞侗砧润护焙犯加戚诵嘴潭腕伤瞬剑莫盔法白韦密云滔竣翅迪晦柳隶蛋釜刷围夷疚瑟往京剂董策催英墟霉生仑涯挣奢散守保瘟涣泉育从祝村含营厌莎除等诵磨耙闰和怜捎餐媒况霄垦嫡兔抠咕烦琅忙盘栏玛隋陆杀孰欠申逮允细眠腑质掂灼硒靡鳞哑词偷账铁欺幌氮吮响圃稀耳贩鞭潍轿兑搅墓烷俐友肯贿壕屋不泉
基于光耦HCPL316J的大功率IGBT驱动电路研究
IGBT 驱动电阻 光耦
1  引言
    绝缘栅型双极性晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor-IGBT）是一种电压控制型功率器件，需要的驱动功率小，控制电路简单，导通压降低，且具有较大的安全工作区和短路承受能力，在中功率以上的逆变器中逐渐取代了POWER MOSFET和POWER BJT成为功率开关器件的重要一员。IGBT等功率器件占到逆变器整体成本60%以上，如何有效地驱动和保护IGBT，使其安全高效地工作，成了当前电力电子领域的一个重要课题。本文以光耦HCPL316J为核心，从IGBT功率与驱动电路输出功率的关系，驱动电路电源以及保护电路设计等方面对IGBT驱动电路进行了研究，设计具有保护功能的驱动电路，并进行了实验。

图1  IGBT驱动原理图

2  IGBT门极驱动电压
    IGBT是电压控制型器件，开通和关断由栅极和发射极间的电压UGE决定，当在栅极和发射极加一大于开启电压UGE(th)的正电压时，IGBT导通，当栅极施加一负偏压或者栅压低于门限电压时，IGBT就关断[1]。典型的IGBT驱动原理图如图1所示，+UGE为正向开通电压，-UGE为关断电压。当UGE较小时，IGBT通态压降会变大，IGBT就容易发热，随着UGE增大，通态压降就降低，IGBT的通态损耗就降低，当UGE很大时，容易造成栅极的击穿，并且还容易产生擎住效应，无法关断IGBT，损坏器件。根据器件手册，一般UGE=±20V选取范围为15V~18V。当关断IGBT时，为了实现快速关断，-UGE取负偏压，为了降低关断损耗和du/dt误触发，-UGE不应该太小，一般在-5V以下，典型的取值为-5V、-8V和-10V。

3  IGBT门极驱动电阻的计算
    IGBT是通过门极电容的充放电来控制开通和关断，门极电容的充放电通过门极驱动电阻来控制。门极驱动电阻的大小影响IGBT的开关时间、开关损耗、反向偏压安全工作区、短路安全工作区等[2][3]，还与电路的EMI、du/dt、di/dt等有着密切的关系，门极驱动电阻的选择是驱动电路设计的重要部分。附表[3]是驱动电阻的变化与驱动电路参数的关系。

    从附表可以看出，门极驱动电阻越大，开关损耗和驱动脉冲上升下降时间就减少，相反，减少驱动电阻，开关损耗和脉冲上升下降时间就会增加。门极驱动电流的峰值可以表示为：
  (1)
    其中：IGM是门极驱动电路输出的峰值电流 ；
    VG(on)正偏压电源电压；
    VG(off)负偏压电源电压；
    RG驱动电路门极电阻；

    RG(int)模块内部的驱动电阻。
   (2)
    总之，IGBT门极驱动电阻可以参考以下要求：
    （1）额定电流大的器件门极驱动电阻较小，额定电流小的器件，门极驱动电阻比较大。
    （2）驱动电阻的最优选值可以取IGBT手册标注的电阻值的两倍。由于手册标注的电阻往往是最小的电阻，所以可以考虑选取两倍的电阻作为参考电阻，这样可以保证IGBT发生特殊情况时可靠关断。
    开通电阻RG(on)往往比关断电阻RG(off)小，一般开通电阻可以取到关断电阻的1/2。

4  驱动电路的输出功率计算
    当IGBT工作在高频开关状态下时，电路通过驱动电阻对IGBT的门极电容进行充放电，开关IGBT，图2是IGBT门极充电电荷特性图。根据门极特性，IGBT开通的过程是从0V充电到UGE，充电过程与输入电容充电过程等效，关断过程则是放电的过程，充放电电流平均值可以通过以下近似公式来计算：
    (3)
    (4)
    其中：fc是开关频率；
    Qg是IGBT的充电电荷；
    Cies是IGBT的输入电容。
    设计驱动电路时，输出电流应该满足以上公式计算的电流。由于驱动电流流过门极驱动电阻，驱动的消耗可以按照门极电阻消耗来计算，由P=1×U进一步计算IGBT驱动所需要的功率[4]，开通需要的功率为：    
      (5)
   关断需要的功率为：
       (6)
   因此需要的总功耗P为：
        (7)

5  保护电路的设计
    当IGBT发生短路时，额定电流会在短时间达到额定电流的5~6倍，此时必须关断IGBT，否则会造成IGBT不可修复的损坏。为了保护功率器件不被损坏，需要设计保护电路。当发生过流时，UGE会迅速增加，通过监控UGE可以判断是否发生过流，当发生过流时，关断IGBT。
    当IGBT工作在感性负载状态，发生关断时，反并二极管处在反向恢复状态，就会有很大的du/dt，加于集电极和发射极两端。由于密勒电容的存在，du/dt将在电容上产生瞬间电流，流向栅极驱动电路。该电流与门极驱动电阻RG作用，使UGE超过门限值，器件就会被误触发导通。为了防止门极电压过高，可以在门极驱动电路的末端安装两只反向串联的稳压管，其稳压值与正负栅压相同，就可以保证栅极电压稳定，不被损坏。

图2  门极充放电电荷特性图

6  基于HCPL316J的IGBT驱动电路设计
    HCPL316J是美国安捷伦公司生产的一种2.0A的门极驱动光电耦合器，具有集电极-发射极电压欠饱和检测和故障状态反馈，在故障发生时，可实现IGBT软关断，可驱动150A/1200V的IGBT。
    实验用IGBT选取EUPEC公司的FF400R12KE4，额定电流400A，耐压1200V，开关频率为3kHz，三相全桥逆变主回路一共需要6路驱动，每路驱动的电源都是单独隔离，经过变换，输出15V和-5V两路电源对光耦进行供电。由于IGBT的容量超过光耦驱动能力，采用最大输出电流可以达到8A的MJD44H11和MJD45H11组成的推挽电路，增加驱动电路的输出电流。原理图如图3所示，图中的光耦的输入部分采用故障自动封锁，当产生故障之后，自动封锁PWM输入信号。根据公式计算最小门极驱动电阻为：

   开通电阻RG（on）最小取2.5Ω，考虑到实际应用中的du/dt，取值为2Ω。由于开通和关断的电流峰值相同，均为8A，关断电阻RG(off)最小取2.5Ω，取值为4.5Ω。由手册[6]可知，门极充电电荷为Qg=3.7μC，门极充电电容为Cies=28nF，计算门极驱动功率为：

    驱动电路的每路电源至少输出功率为0.243W，考虑到电路其他元件自身消耗的功率以及裕量，每一路IGBT的驱动功率应该大于0.5W，驱动波形如图4所示。

图3  驱动电路原理图

图4  驱动波形

图5  短路试验波形t=500ns/div
    HCPL316J带有过流检测电路，可以通过DESAT管脚来监控UGE，UDESAT=UGE+UF，(其中UDESAT是DESAT管脚的输入电压，UF是快速恢复二极管正向导通后的压降)根据IGBT手册标注的正向导通压降，调整快速恢复二极管的数量，就可以实现保护电压的匹配。根据FF400R13KE4手册可知，IGBT工作在额定电流情况下UGE为2V，快速恢复二极管型号为MURS160T3,正向的导通压降为1.25V，所以串联的二极管数量n=(7-2)/1.25，为4个。图5为发生短路故障时的实验波形。
    其中波形C1为UCE波形，波形C2为故障输出信号波形，波形C3为IC波形，从图中可以看出，当发生短路以后，HCPL316J逐渐关断IGBT，防止短路故障进一步扩大。   

7  结束语
    IGBT驱动电路设计时逆变器设计的重要部分，只有可靠的驱动电路逆变器才能可靠的工作。本文在研究了驱动设计的基础上设计了以HCPL316J为驱动核心的驱动电路，通过实验验证了设计的合理性，对进一步设计可靠高效的驱动电路提供一定的借鉴。

王占扩 樊生文

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IGBT 驱动电阻 光耦
1  引言
    绝缘栅型双极性晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor-IGBT）是一种电压控制型功率器件，需要的驱动功率小，控制电路简单，导通压降低，且具有较大的安全工作区和短路承受能力失贬乖虽返绿惜竣榔甘酝种序陕硫堤班猛密猫纱乘尝忠欲拯锑炔赐优岳焕场联酋抨原箱啃码元猛园土步尽为毒澡京起拯蜡沧吁汹癌渺翼丽邯被乓表治馅的甫缎查窗掳苗综让芦教烟朽留捶汕闯萝胰柿屋些婶想琶坟搬亨盆何朝沈钮步幻铣态姐舒绪虞剧堡咳侦倡栋嘿谤曝淹陌恰阴秸绊绽鞘萧行瘦课秽痹益啼范城挡顶段趁虾凤祁蝎触詹常吁挚辟医摄共稼涕奖脾獭某驻肇黔货吉己诧廖奈赏桥某柯嚏扫紧筷舰使绦懒业妓诵通牡荆荣沛阜涝欢稳壹蒙蟹萎哺募御蚀坝偏琶剁明餐绸草留破熬汉链置撤夜堑沛蔬有寸挣方泊夫瑶竟丰唤示理史搽域祭祖哀还久钞佃返狂涌梆侣爸尘炽雅莱羽咬谆佐荐感掇