中心議題：
解決方案：
- 利用l700v,，200～300A的IGBT的驅(qū)動電路
- 實(shí)現(xiàn)了對兩個IGBT(同一橋臂)的互鎖
IGBT在以變頻器及各類電源為代表的電力電子裝置中得到了廣泛應(yīng)用,。IGBT集雙極型功率晶體管和功率MOSFET的優(yōu)點(diǎn)于一體,，具有電壓控制、輸入阻抗大,、驅(qū)動功率小,、控制電路簡單、開關(guān)損耗小,、通斷速度快和工作頻率高等優(yōu)點(diǎn),。
但是，IGBT和其它電力電子器件一樣,，其應(yīng)用還依賴于電路條件和開關(guān)環(huán)境,。因此，IGBT的驅(qū)動和保護(hù)電路是電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn),，是整個裝置運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié),。
為解決IGBT的可靠驅(qū)動問題，國外各IGBT生產(chǎn)廠家或從事IGBT應(yīng)用的企業(yè)開發(fā)出了眾多的IGBT驅(qū)動集成電路或模塊,，如國內(nèi)常用的日本富士公司生產(chǎn)的EXB8系列,，三菱電機(jī)公司生產(chǎn)的M579系列，美國IR公司生產(chǎn)的IR21系列等,。但是,，EXB8系列、M579系列和IR21系列沒有軟關(guān)斷和電源電壓欠壓保護(hù)功能,，而惠普生產(chǎn)的HCLP一316J有過流保護(hù),、欠壓保護(hù)和1GBT軟關(guān)斷的功能，且價格相對便宜,，因此,，本文將對其進(jìn)行研究，并給出1700V,，200～300A IGBT的驅(qū)動和保護(hù)電路,。
1 IGBT的工作特性
IGBT是一種電壓型控制器件，它所需要的驅(qū)動電流" title="驅(qū)動電流">驅(qū)動電流與驅(qū)動功率非常小,，可直接與模擬或數(shù)字功能塊相接而不須加任何附加接口電路,。IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷是由柵極電壓UGE來控制的，當(dāng)UGE大于開啟電壓UGE(th)時IGBT導(dǎo)通,，當(dāng)柵極和發(fā)射極間施加反向或不加信號時,，IGBT被關(guān)斷。
IGBT與普通晶體三極管" title="晶體三極管">晶體三極管一樣,，可工作在線性放大區(qū),、飽和區(qū)和截止區(qū)，其主要作為開關(guān)器件應(yīng)用。在驅(qū)動電路中主要研究IGBT的飽和導(dǎo)通和截止兩個狀態(tài),，使其開通上升沿和關(guān)斷下降沿都比較陡峭,。
2 IGBT驅(qū)動電路要求
在設(shè)計(jì)IGBT驅(qū)動時必須注意以下幾點(diǎn)。
1)柵極正向驅(qū)動電壓的大小將對電路性能產(chǎn)生重要影響,，必須正確選擇,。當(dāng)正向驅(qū)動電壓增大時，．IGBT的導(dǎo)通電阻下降,，使開通損耗減?。坏粽蝌?qū)動電壓過大則負(fù)載短路時其短路電流IC隨UGE增大而增大,，可能使IGBT出現(xiàn)擎住效應(yīng),，導(dǎo)致門控失效，從而造成IGBT的損壞,；若正向驅(qū)動電壓過小會使IGBT退出飽和導(dǎo)通區(qū)而進(jìn)入線性放大區(qū)域,，使IGBT過熱損壞；使用中選12V≤UGE≤18V為好,。柵極負(fù)偏置電壓可防止由于關(guān)斷時浪涌電流過大而使IGBT誤導(dǎo)通,，一般負(fù)偏置電壓選一5V為宜。另外,，IGBT開通后驅(qū)動電路應(yīng)提供足夠的電壓和電流幅值,，使IGBT在正常工作及過載情況下不致退出飽和導(dǎo)通區(qū)而損壞。
2)IGBT快速開通和關(guān)斷有利于提高工作頻率,，減小開關(guān)損耗。但在大電感負(fù)載下IGBT的開關(guān)頻率不宜過大,，因?yàn)楦咚匍_通和關(guān)斷時,，會產(chǎn)生很高的尖峰電壓，極有可能造成IGBT或其他元器件被擊穿,。
3)選擇合適的柵極串聯(lián)電阻RG和柵射電容CG對IGBT的驅(qū)動相當(dāng)重要,。RG較小，柵射極之間的充放電時間常數(shù)比較小,，會使開通瞬間電流較大,，從而損壞IGBT；RG較大,，有利于抑制dvce／dt,，但會增加IGBT的開關(guān)時間和開關(guān)損耗。合適的CG有利于抑制dic／dt,，CG太大,，開通時間延時，CG太小對抑制dic／dt效果不明顯。
4)當(dāng)IGBT關(guān)斷時,，柵射電壓很容易受IGBT和電路寄生參數(shù)的干擾,，使柵射電壓引起器件誤導(dǎo)通，為防止這種現(xiàn)象發(fā)生,，可以在柵射間并接一個電阻,。此外，在實(shí)際應(yīng)用中為防止柵極驅(qū)動電路出現(xiàn)高壓尖峰,，最好在柵射間并接兩只反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管,，其穩(wěn)壓值應(yīng)與正負(fù)柵壓相同。
3.1 HCPL-316J內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理
若IGBT出現(xiàn)過流信號(腳14檢測到IGBT集電極上電壓=7V),，而輸入驅(qū)動信號繼續(xù)加在腳1,，欠壓信號為低電平，B點(diǎn)輸出低電平,，三級達(dá)林頓管被關(guān)斷,，1×DMOS導(dǎo)通，IGBT柵射集之間的電壓慢慢放掉,，實(shí)現(xiàn)慢降柵壓,。當(dāng)VOUT=2V時，即VOUT輸出低電平,，C點(diǎn)變?yōu)榈碗娖?，B點(diǎn)為高電平，50×DMOS導(dǎo)通,，IGBT柵射集迅速放電,。故障線上信號通過光耦，再經(jīng)過RS觸發(fā)器,，Q輸出高電平,，使輸入光耦被封鎖。同理可以分析只欠壓的情況和即欠壓又過流的情況,。
3.2驅(qū)動電路設(shè)計(jì)
HCPL-316J左邊的VIN+,，F(xiàn)AULT和RESET分別與微機(jī)相連。R7,，R8,，R9，D5,，D6和C12 起輸入保護(hù)作用,，防止過高的輸入電壓損壞IGBT，但是保護(hù)電路會產(chǎn)生約1μs延時,，在開關(guān)頻率超過100kHz時不適合使用,。Q3最主要起互鎖作用,，當(dāng)兩路PWM信號(同一橋臂)都為高電平時，Q3導(dǎo)通,，把輸入電平拉低,，使輸出端也為低電平。圖3中的互鎖信號Interlock,，和Interlock2分別與另外一個316J Interlock2和Interlock1相連,。R1和C2起到了對故障信號的放大和濾波，當(dāng)有干擾信號后,，能讓微機(jī)正確接受信息,。
在輸出端，R5和C7關(guān)系到IGBT開通的快慢和開關(guān)損耗,，增加C7可以明顯地減小dic／dt,。首先計(jì)算柵極電阻：其中ION為開通時注入IGBT的柵極電流。為使IGBT迅速開通,，設(shè)計(jì),，IONMAX值為20A。輸出低電平VOL=2v,。C3是一個非常重要的參數(shù),，最主要起充電延時作用。當(dāng)系統(tǒng)啟動,，芯片開始工作時,，由于IGBT的集電極C端電壓還遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于7V，若沒有C3,，則會錯誤地發(fā)出短路故障信號,，使輸出直接關(guān)斷。當(dāng)芯片正常工作以后,，假使集電極電壓瞬間升高,，之后立刻恢復(fù)正常，若沒有C3,，則也會發(fā)出錯誤的故障信號，使IGBT誤關(guān)斷,。但是,，C3的取值過大會使系統(tǒng)反應(yīng)變慢，而且在飽和情況下,，也可能使IGBT在延時時間內(nèi)就被燒壞,，起不到正確的保護(hù)作用， C3取值100pF,，其延時時間在集電極檢測電路用兩個二極管串連,，能夠提高總體的反向耐壓,，從而能夠提高驅(qū)動電壓等級，但二極管的反向恢復(fù)時間要很小,，且每個反向耐壓等級要為1000V,，一般選取BYV261E，反向恢復(fù)時間75 ns,。R4和C5的作用是保留HCLP-316J出現(xiàn)過流信號后具有的軟關(guān)斷特性,，其原理是C5通過內(nèi)部MOSFET的放電來實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷。圖3中輸出電壓VOUT經(jīng)過兩個快速三極管推挽輸出,，使驅(qū)動電流最大能達(dá)到20A,，能夠快速驅(qū)動1700v、200-300A的IGBT,。
3．3驅(qū)動電源設(shè)計(jì)
在驅(qū)動設(shè)計(jì)中,，穩(wěn)定的電源是IGBT能否正常工作的保證。電源采用正激變換,，抗干擾能力較強(qiáng),，副邊不加濾波電感，輸入阻抗低,，使在重負(fù)載情況下電源輸出電壓仍然比較穩(wěn)定,。
當(dāng)s開通時，+12v(為比較穩(wěn)定的電源,，精度很高)電壓便加到變壓器原邊和S相連的繞組,，通過能量耦合使副邊經(jīng)過整流輸出。當(dāng)S關(guān)斷時,，通過原邊二極管和其相連的繞組把磁芯的能量回饋到電源,，實(shí)現(xiàn)變壓器磁芯的復(fù)位。555定時器接成多諧振蕩器,，通過對C1的充放電使腳2和腳6的電位在4～8v之間變換,，使腳3輸出電壓方波信號，并用方波信號來控制S的開通和關(guān)斷,。+12v經(jīng)過R1,，D2給C1充電，其充電時間t1≈R1C2ln2,；放電時間t2=R2C1ln2,，充電時輸出高電平，放電時輸出低電平,。所以占空比=t1／(t1+t2),。
變壓器按下述參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)：原邊接+12v，頻率為60kHz,，工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bw為O．15T,，副邊+15v輸出2A,，-5v輸出1 A，效率n=80％,，窗口填充系數(shù)Km為O．5,，磁芯填充系數(shù)Kc為1，線圈導(dǎo)線電流密度d為3 A／mm2,。則輸出功率 PT=(15+O．6)×2×2+(5+O．6)×1×2=64W,。
由于帶載后驅(qū)動電源輸出電壓會有所下降，所以,，在實(shí)際應(yīng)用中考慮提高頻率和占空比來穩(wěn)定輸出電壓,。
4 結(jié)語
本文設(shè)計(jì)了一個可驅(qū)動l700v，200～300A的IGBT的驅(qū)動電路,。硬件上實(shí)現(xiàn)了對兩個IGBT(同一橋臂)的互鎖,，并設(shè)計(jì)了可以直接給兩個IGBT供電的驅(qū)動電源。
HCPL-316J可分為輸入IC(左邊)和輸出IC(右邊)二部分,，輸入和輸出之間完全能滿足高壓大功率IGBT驅(qū)動的要求,。
各引腳功能如下：
腳1(VIN+)正向信號輸入；
腳2(VIN-)反向信號輸入,；
腳3(VCG1)接輸入電源,；
腳4(GND)輸入端的地；
腳5(RESERT)芯片復(fù)位輸入端,；
腳6(FAULT)
故障輸出,，當(dāng)發(fā)生故障(輸出正向電壓欠壓或IGBT短路)時，通過光耦輸出故障信號,；
腳7(VLED1+)光耦測試引腳,，懸掛；
腳8(VLED1-)接地,；
腳9,，腳10(VEE)給IGBT提供反向偏置電壓；
腳11(VOUT)輸出驅(qū)動信號以驅(qū)動IGBT,；
腳12(VC)三級達(dá)林頓管集電極電源,；
腳13(VCC2)驅(qū)動電壓源；
腳14(DESAT) IGBT短路電流檢測,；
腳15(VLED2+)光耦測試引腳,，懸掛；
腳16(VE)輸出基準(zhǔn)地,。
若VIN+正常輸入，腳14沒有過流信號,，且VCC2-VE=12v即輸出正向驅(qū)動電壓正常,，驅(qū)動信號輸出高電平,，故障信號和欠壓信號輸出低電平。首先3路信號共同輸入到JP3,，D點(diǎn)低電平,，B點(diǎn)也為低電平，50×DMOS處于關(guān)斷狀態(tài),。此時JP1的輸入的4個狀態(tài)從上至下依次為低,、高、低,、低,，A點(diǎn)高電平，驅(qū)動三級達(dá)林頓管導(dǎo)通,，IGBT也隨之開通,。