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 oftheoptocoupler drive chip HCPL-316J，HCPL-3120 , the use of themtodrive and protect IGBT module. Because IGBT isvoltage-drivenswitch device, its below bridge arm needs to beprotected by thefunction of overcurrent but up bridge arm does notneed, the up andbelow bridge arm adopt the different drive chips.Using chipHCPL-316J drives the below bridge arm of IGBT module andusing chipHCPL-3120 drives the up bridge arm of IGBT module. Theresult showsthat 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;導通狀態的損耗低。IGBT在綜合性能方面占有明顯的優勢,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：IGBT的額定值;短路電流特性;感性負載的關斷特性;*大柵極發射極電壓;柵極輸入電容;**工作區特性。
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通態集電極電壓實現過流及短路保護,并對外送出過流信號。因此具有使用方便,一致性及穩定性較好的優點。
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;*大開關時間：0.5us;死區時間：2us;能兼容CMOS/TTL電平;光隔離，故障狀態反饋;IGBT“軟”關斷;VCE欠飽和檢測及帶滯環欠壓鎖定保護;用戶可配置自動復位、自動關閉。*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，它會通過其內部的欠壓自鎖電路將3路高側輸出封鎖。
1.1 HCPL-316J內部結構介紹：
該驅動芯片有過電流檢測和欠電壓封鎖輸出（UnderVoltageLock-Out）。當過電流發生時，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Vcm=1500V下*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。
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圖1 HCPL-316J內部結構圖
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;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，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，通過串聯電阻和箝位二極管與IGBT集電極相連。正常狀態下，不可能檢測到過電流故障，FAULT為低電平，RS觸發器輸出端Q保持低電平，確保輸入信號通過發光二極管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。該信號經內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，可實現多個芯片的段并聯到微機上。
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圖 2 工作時序圖
端發生故障信號后，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，將產生過電流動作。IGBT下橋臂的驅動電路圖如圖3所示：
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圖3 下橋臂IGBT驅動電路原理圖
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*大輸出電流峰值為2.0A;*小共模抑制15kV/μS（在VCM=1500V時）;*大低電平電壓0.5V，不需柵極負壓;*大供電電流Icc=5mA;電源電壓范圍，15～30V;*大開關速度：0.5μS;有滯環欠電壓鎖定輸出（UVLO）。
該驅動芯片的內部結構框圖如下：
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圖 4
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。
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圖5 IGBT上橋臂的驅動電路
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
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圖6電壓輸出波形（頻率為50HZ的三相交流輸出）
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要求，使IGBT展現出了它的優點并獲得了較高的可靠性。
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文章來源：中國傳動網
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