中心議題：
解決方案：
- 利用l700v,，200～300A的IGBT的驅動電路
- 實現了對兩個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用,。IGBT集雙極型功率晶體管和功率MOSFET的優(yōu)點于一體，具有電壓控制,、輸入阻抗大,、驅動功率小、控制電路簡單,、開關損耗小,、通斷速度快和工作頻率高等優(yōu)點。
但是,，IGBT和其它電力電子器件一樣,，其應用還依賴于電路條件和開關環(huán)境。因此,，IGBT的驅動和保護電路是電路設計的難點和重點,，是整個裝置運行的關鍵環(huán)節(jié),。
為解決IGBT的可靠驅動問題，國外各IGBT生產廠家或從事IGBT應用的企業(yè)開發(fā)出了眾多的IGBT驅動集成電路或模塊,，如國內常用的日本富士公司生產的EXB8系列，三菱電機公司生產的M579系列,，美國IR公司生產的IR21系列等,。但是，EXB8系列,、M579系列和IR21系列沒有軟關斷和電源電壓欠壓保護功能,，而惠普生產的HCLP一316J有過流保護、欠壓保護和1GBT軟關斷的功能,，且價格相對便宜,，因此，本文將對其進行研究,，并給出1700V,，200～300A IGBT的驅動和保護電路。
1 IGBT的工作特性
IGBT是一種電壓型控制器件,，它所需要的驅動電流" title="驅動電流">驅動電流與驅動功率非常小,，可直接與模擬或數字功能塊相接而不須加任何附加接口電路。IGBT的導通與關斷是由柵極電壓UGE來控制的,，當UGE大于開啟電壓UGE(th)時IGBT導通,，當柵極和發(fā)射極間施加反向或不加信號時，IGBT被關斷,。
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),，其主要作為開關器件應用,。在驅動電路中主要研究IGBT的飽和導通和截止兩個狀態(tài)，使其開通上升沿和關斷下降沿都比較陡峭,。
2 IGBT驅動電路要求
在設計IGBT驅動時必須注意以下幾點,。
1)柵極正向驅動電壓的大小將對電路性能產生重要影響，必須正確選擇,。當正向驅動電壓增大時,，．IGBT的導通電阻下降，使開通損耗減??；但若正向驅動電壓過大則負載短路時其短路電流IC隨UGE增大而增大，可能使IGBT出現擎住效應,，導致門控失效,，從而造成IGBT的損壞,；若正向驅動電壓過小會使IGBT退出飽和導通區(qū)而進入線性放大區(qū)域，使IGBT過熱損壞,；使用中選12V≤UGE≤18V為好,。柵極負偏置電壓可防止由于關斷時浪涌電流過大而使IGBT誤導通，一般負偏置電壓選一5V為宜,。另外,，IGBT開通后驅動電路應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通區(qū)而損壞,。
2)IGBT快速開通和關斷有利于提高工作頻率,，減小開關損耗。但在大電感負載下IGBT的開關頻率不宜過大,，因為高速開通和關斷時,，會產生很高的尖峰電壓，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的驅動相當重要,。RG較小，柵射極之間的充放電時間常數比較小,，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的開關時間和開關損耗。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IGBT關斷時,，柵射電壓很容易受IGBT和電路寄生參數的干擾，使柵射電壓引起器件誤導通,，為防止這種現象發(fā)生,，可以在柵射間并接一個電阻。此外,，在實際應用中為防止柵極驅動電路出現高壓尖峰,，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)壓值應與正負柵壓相同,。
3.1 HCPL-316J內部結構及工作原理
若IGBT出現過流信號(腳14檢測到IGBT集電極上電壓=7V),，而輸入驅動信號繼續(xù)加在腳1，欠壓信號為低電平,，B點輸出低電平,，三級達林頓管被關斷,，1×DMOS導通，IGBT柵射集之間的電壓慢慢放掉,，實現慢降柵壓,。當VOUT=2V時，即VOUT輸出低電平,，C點變?yōu)榈碗娖?，B點為高電平，50×DMOS導通,，IGBT柵射集迅速放電。故障線上信號通過光耦,，再經過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驅動電路設計
HCPL-316J左邊的VIN+，FAULT和RESET分別與微機相連,。R7,，R8，R9,，D5,，D6和C12 起輸入保護作用，防止過高的輸入電壓損壞IGBT,，但是保護電路會產生約1μs延時,，在開關頻率超過100kHz時不適合使用。Q3最主要起互鎖作用,，當兩路PWM信號(同一橋臂)都為高電平時,，Q3導通，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,，當有干擾信號后，能讓微機正確接受信息,。
在輸出端,，R5和C7關系到IGBT開通的快慢和開關損耗，增加C7可以明顯地減小dic／dt,。首先計算柵極電阻：其中ION為開通時注入IGBT的柵極電流,。為使IGBT迅速開通,，設計，IONMAX值為20A,。輸出低電平VOL=2v,。C3是一個非常重要的參數，最主要起充電延時作用,。當系統(tǒng)啟動,，芯片開始工作時，由于IGBT的集電極C端電壓還遠遠大于7V,，若沒有C3,，則會錯誤地發(fā)出短路故障信號，使輸出直接關斷,。當芯片正常工作以后,，假使集電極電壓瞬間升高，之后立刻恢復正常,，若沒有C3,，則也會發(fā)出錯誤的故障信號，使IGBT誤關斷,。但是,，C3的取值過大會使系統(tǒng)反應變慢，而且在飽和情況下,，也可能使IGBT在延時時間內就被燒壞,，起不到正確的保護作用， 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，從而能夠提高驅動電壓等級,，但二極管的反向恢復時間要很小,，且每個反向耐壓等級要為1000V，一般選取BYV261E,，反向恢復時間75 ns,。R4和C5的作用是保留HCLP-316J出現過流信號后具有的軟關斷特性，其原理是C5通過內部MOSFET的放電來實現軟關斷,。圖3中輸出電壓VOUT經過兩個快速三極管推挽輸出,，使驅動電流最大能達到20A，能夠快速驅動1700v,、200-300A的IGBT,。
3．3驅動電源設計
在驅動設計中，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,，副邊不加濾波電感，輸入阻抗低,，使在重負載情況下電源輸出電壓仍然比較穩(wěn)定,。
當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過整流輸出。當S關斷時,，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,，實現變壓器磁芯的復位。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的開通和關斷,。+12v經過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)。
變壓器按下述參數進行設計：原邊接+12v,，頻率為60kHz,，工作磁感應強度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Km為O．5,，磁芯填充系數Kc為1,，線圈導線電流密度d為3 A／mm2。則輸出功率 PT=(15+O．6)×2×2+(5+O．6)×1×2=64W,。
由于帶載后驅動電源輸出電壓會有所下降,，所以，在實際應用中考慮提高頻率和占空比來穩(wěn)定輸出電壓,。
4 結語
本文設計了一個可驅動l700v,，200～300A的IGBT的驅動電路。硬件上實現了對兩個IGBT(同一橋臂)的互鎖，并設計了可以直接給兩個IGBT供電的驅動電源,。
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)芯片復位輸入端,；
腳6(FAULT)
故障輸出，當發(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)輸出驅動信號以驅動IGBT,；
腳12(VC)三級達林頓管集電極電源；
腳13(VCC2)驅動電壓源,；
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即輸出正向驅動電壓正常,，驅動信號輸出高電平，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點低電平，B點也為低電平,，50×DMOS處于關斷狀態(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點高電平,，驅動三級達林頓管導通,，IGBT也隨之開通。