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光耦驱动芯片实现IGBT驱动电路的应用方案

时间:2021-03-16 10:04:45来源: 作者: 点击:
光耦驱动芯片HCPL-316J是Agilent公司[编者注:2014年8月更名为keysight(是德)公司]生产的栅极驱动电路产品之一,可用于驱动150A/1200V的IGBT,开关速度为0.5?s,有过流

光耦驱动芯片HCPL-316J是Agilent公司[编者注:2014年8月更名为keysight(是德)公司]生产的栅极驱动电路产品之一,可用于驱动150A/1200V的IGBT开关速度为0.5?s,有过流检测和欠电压封锁输出。当过电流发生时,能输出故障信号(供保护用),并使IGBT软关断。近年来,HCPL-316J的应用研究得到了重视,从目前公开发表的文献来看,研究主要侧重于输出电路部分,重点是过流软关断的原理、工作过程和实用电路设计,对故障信号反馈端和控制信号输入端的应用研究不多。均提到将故障信号反馈给主控芯片,但没有深入的研究如何充分利用该信号端提高驱动电路的整体性能。

光耦HCPL-316J的过流保护具有自锁功能,并可设定保护盲区,能有效防止IGBT在工作中瞬时过流而使保护误动作。当过流是由故障引起的,驱动电路将故障信号反馈给主控DSP,主控芯片接收到故障信号后,封锁系统中所有驱动芯片的控制信号,实现故障保护。但在实际应用过程中,某些系统的主控程序复杂,运行时间长,造成故障信号发出后,系统不能及时封锁所有IGBT的驱动电路,部分IGBT模块仍然强行工作,引发严重的后果。

本文针对上述问题设计了一种IGBT驱动电路,不仅具备可靠的过流软关断功能,而且故障保护响应及时,不受主控程序运行时间延滞的影响。

1应用电路设计

1.1设计思路

HCPL-316J有Vin+、Vin-两个控制信号输入端。常见的应用思路是将PWM信号从其中一个输入端引入,另一个输入端的电平始终保持不变,如图1所示。这样,只要主控芯片有PWM信号输出,HCPL-316J就能驱动IGBT工作。这种应用方式实际上是在两个输入端中选择一个使用,另一个端子的功能没有得到充分的利用。

采用光耦驱动芯片实现IGBT驱动电路的应用方案

本文设计的IGBT驱动电路,PWM信号从Vin-输入,Vin+输入端与HCPL-316J的故障报警反馈端相连,如图2所示。HCPL-316J的故障报警是低电平有效,正常工作时,故障报警输出端是高电平,Vin+端也是高电平,PWM信号能从Vin-输入到HCPL-316J内部。当HCPL-316J检测到故障时,故障报警反馈端输出低电平,Vin+端电平被拉抵,PWM信号不能从Vin-输入到HCPL-316J内部。

1.2应用电路实现

图3为IGBT驱动电路原理图,图中两个光耦芯片各自驱动一个IGBT模块,当有更多个光耦芯片时,参照此图进行连接。以其中的HCPL-316J(1)芯片为例,其输出电路主要分为以下三个部分:R3、R4、R5、Q1、Q2组成的栅极推挽驱动电路;R2、D2组成的过流检测电路;D3、C2、C3、C4组成的保护电路。输出电路主要用于实现对IGBT的推挽驱动和过流检测,相关原理和应用在文献[2-7]中已有详细介绍,这里不再赘述。

原理图中的PWM控制信号由主控芯片DSP生成,从光耦的Vin-端输入,同时,所有光耦使用同一个复位信号RESET。每个光耦的故障信号输出反馈端接一个钳位二极管(如图3中的D1、D4),钳位二极管阴极接光耦输出端,所有钳位二极管的阳极连接成一点,作为驱动模块总故障信号FAULT。FAULT信号线又连接到所有光耦的Vin+端,同时经限流电路R1接+5V电源。系统正常工作时,光耦的Vin+端和FAULT信号线均呈现高电平,钳位二极管处于截止状态,PWM控制信号从Vin-端输入到光耦内部,光耦在DSP的控制下驱动IGBT工作。

当某一个光耦芯片检测到故障时,其故障输出反馈端呈现低电平,端子上的钳位二极管导通,总故障信号FAULT变低,向主控芯片发出故障报警信号,同时所有光耦芯片的Vin+端被钳定在低电平,Vin-端子上的PWM信号无法输入到光耦内部,在时间封锁所有光耦的输入,IGBT失去驱动信号而停止工作,实现了对IGBT模块的故障快速保护功能。显然,在主控芯片封锁PWM控制信号之前,驱动电路已经阻止PWM信号的输入,这样就解决了主控程序运行时长对故障保护时效性的影响。

2实验

实验电路中主控DSP选用的是TMS320F2812,IGBT选用FS100R12KT3模块,推挽电路中的NPN管选用MJD44H11G,PNP管选用MJD45H11G,其它元件参数配置如下:R1=R2=R6=10kΩ,R3=R4=R5=R7=R8=R9=10Ω,C1=C5=330pF,C2=C3=C6=C7=0.1μF,C4=C8=100pF。

为验证过流保护的时效应,在HCPL-316J(1)芯片DESAT端突加一个电压信号,模拟系统过流故障状态,在4通道示波器DSOX2004A上观察到的实验波形如图4所示。当VDESAT1》7V时,HCPL-316J(1)芯片进入过流软关断的工作过程,将自身驱动的IGBT(1)软关断,同时发出故障报警信号,VFAULT信号由高变低。一旦VFAULT变为低电平,HCPL-316J(2)芯片的输出VGE2电压信号立即下降为零,时间关断IGBT(2),实现故障快速保护,而主控DSP在经过2μs后才封锁控制信号PWM2。如果对本文介绍有疑问,请在文章下方评论区留言。

本文地址:http://www.dziuu.com/Components/16158603364246.shtml


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