一種基于HCPL-316J的IGBT驅動電路設計

摘要：在較復雜的變流系統中，主控系統的延滯會影響IGBT模塊故障保護的時效性，造成保護失敗。針對這種情況，本文采用光耦驅動芯片HCPL-316J和DSP芯片設計了一種IGBT驅動電路，當光耦芯片故障信號發出后立即封鎖IGBT驅動信號，完全消除了主控程序運行時長對故障保護的影響。通過模擬過流實驗和實際應用表明，本設計故障保護響應迅速，運行穩定可靠。

引言

　　光耦驅動芯片HCPL-316J是Agilent公司[編者注：2014年8月更名為keysight(是德)公司]生產的柵極驅動電路產品之一，可用于驅動150A/1200V的IGBT，開關速度為0.5μs，有過流檢測和欠電壓封鎖輸出。當過電流發生時，能輸出故障信號(供保護用)，并使IGBT軟關斷^[1]。近年來，HCPL-316J的應用研究得到了重視，從目前公開發表的文獻來看，研究主要側重于輸出電路部分，重點是過流軟關斷的原理、工作過程和實用電路設計，對故障信號反饋端和控制信號輸入端的應用研究不多。在文獻[2-7]中均提到將故障信號反饋給主控芯片，但沒有深入的研究如何充分利用該信號端提高驅動電路的整體性能。

　　光耦HCPL-316J的過流保護具有自鎖功能，并可設定保護盲區，能有效防止IGBT在工作中瞬時過流而使保護誤動作^[7]。當過流是由故障引起的，驅動電路將故障信號反饋給主控DSP，主控芯片接收到故障信號后，封鎖系統中所有驅動芯片的控制信號，實現故障保護。但在實際應用過程中，某些系統的主控程序復雜，運行時間長，造成故障信號發出后，系統不能及時封鎖所有IGBT的驅動電路，部分IGBT模塊仍然強行工作，引發嚴重的后果。

　　本文針對上述問題設計了一種IGBT驅動電路，不僅具備可靠的過流軟關斷功能，而且故障保護響應及時，不受主控程序運行時間延滯的影響。

1 應用電路設計

1.1 設計思路

　　HCPL-316J有Vin+、Vin-兩個控制信號輸入端。常見的應用思路是將PWM信號從其中一個輸入端引入，另一個輸入端的電平始終保持不變，如圖1 所示。這樣，只要主控芯片有PWM信號輸出，HCPL-316J就能驅動IGBT工作。這種應用方式實際上是在兩個輸入端中選擇一個使用，另一個端子的功能沒有得到充分的利用。

　　本文設計的IGBT驅動電路，PWM信號從Vin- 輸入，Vin+ 輸入端與HCPL-316J的故障報警反饋端相連，如圖2所示。HCPL-316J的故障報警是低電平有效，正常工作時，故障報警輸出端是高電平，Vin+ 端也是高電平，PWM信號能從Vin-輸入到HCPL-316J內部。當HCPL-316J檢測到故障時，故障報警反饋端輸出低電平，Vin+ 端電平被拉抵，PWM信號不能從Vin-輸入到HCPL-316J內部。

1.2 應用電路實現

　　圖3為IGBT驅動電路原理圖，圖中兩個光耦芯片各自驅動一個IGBT模塊，當有更多個光耦芯片時，參照此圖進行連接。以其中的HCPL-316J(1)芯片為例，其輸出電路主要分為以下三個部分：R3、R4、R5、Q1、Q2組成的柵極推挽驅動電路;R2、D2組成的過流檢測電路;D3、C2、C3、C4組成的保護電路。輸出電路主要用于實現對IGBT的推挽驅動和過流檢測，相關原理和應用在文獻[2-7]中已有詳細介紹，這里不再贅述。

　　原理圖中的PWM控制信號由主控芯片DSP生成，從光耦的Vin-端輸入，同時，所有光耦使用同一個復位信號RESET。每個光耦的故障信號輸出反饋端接一個鉗位二極管(如圖3中的D1、D4)，鉗位二極管陰極接光耦輸出端，所有鉗位二極管的陽極連接成一點，作為驅動模塊總故障信號FAULT。FAULT信號線又連接到所有光耦的Vin+端，同時經限流電路R1接+5V電源。系統正常工作時，光耦的Vin+端和FAULT信號線均呈現高電平，鉗位二極管處于截止狀態，PWM控制信號從Vin-端輸入到光耦內部，光耦在DSP的控制下驅動IGBT工作。

　　當某一個光耦芯片檢測到故障時，其故障輸出反饋端呈現低電平，端子上的鉗位二極管導通，總故障信號FAULT變低，向主控芯片發出故障報警信號，同時所有光耦芯片的Vin+端被鉗定在低電平，Vin-端子上的PWM信號無法輸入到光耦內部，在第一時間封鎖所有光耦的輸入，IGBT失去驅動信號而停止工作，實現了對IGBT模塊的故障快速保護功能。顯然，在主控芯片封鎖PWM控制信號之前，驅動電路已經阻止PWM信號的輸入，這樣就解決了主控程序運行時長對故障保護時效性的影響。

2 實驗

　　實驗電路中主控DSP選用的是TMS320F2812，IGBT選用FS100R12KT3模塊，推挽電路中的NPN管選用MJD44H11G，PNP管選用MJD45H11G，其它元件參數配置如下：R1=R2=R6=10kΩ，R3=R4=R5=R7=R8=R9=10Ω，C1=C5=330pF，C2=C3=C6=C7=0.1μF，C4=C8=100pF。

　　為驗證過流保護的時效應，在HCPL-316J(1)芯片DESAT端突加一個電壓信號，模擬系統過流故障狀態，在4通道示波器DSOX2004A上觀察到的實驗波形如圖4所示。當VDESAT1>7V時，HCPL-316J(1)芯片進入過流軟關斷的工作過程，將自身驅動的IGBT(1)軟關斷，同時發出故障報警信號， VFAULT信號由高變低。一旦VFAULT變為低電平，HCPL-316J(2)芯片的輸出VGE2電壓信號立即下降為零，第一時間關斷IGBT(2)，實現故障快速保護，而主控DSP在經過2μs后才封鎖控制信號PWM2。

3 結論

　　本文設計的基于HCPL-316J的IGBT驅動電路重點在于對HCPL-316J的信號輸入端Vin+、Vin-和故障信號反饋端FAULT的應用研究，實驗結果表明本設計能充分保證故障保護的快速性，尤其適用于控制系統復雜，主控程序運行時間較長的場所。

　　本驅動電路已成功應用于儲能變流器中蓄電池逆變電源系統，無故障時逆變模塊能穩定連續運行，過流故障時能快速實現保護，大大降低了逆變模塊關鍵元器件損壞的機率。

參考文獻：

　　[1]陳國呈.新型電力電子變換技術[M].北京：中國電力出版社，2004

　　[2]鄭飛，費樹岷，周杏鵬.基于DSP和FPGA的光伏并網控制器設計與實現[J].電力自動化設備，2011，31(2)：84-89

　　[3]蘇偉，鐘玉林，劉均，等.基于HCPL-316J的IGBT過流保護研究[J].電工電能新技術.2014，33(4)：67-70

　　[4]Nie Hui，Wei Xueye，Yuan Lei.An improved circuit based on EXB841 applicable to IGBT induction heating power[A]. International Conference on Computer，Mechatronics， Control and Electronic Engineering[C].2010：535-537

　　[5]白鑫，張莉，李琛.超級電容器恒功率放電系統中IGBT驅動的設計[J].電測與儀表.2010，47(9)：73-76

　　[6]潘江洪，蘇建微，杜雪芳.IGBT高壓大功率驅動和保護電路的應用研究[J].電源技術應用.2005，8(11)：51-55

　　[7]劉偉明，朱忠尼.光耦合器HCPL-316J在IGBT驅動電路中的應用[J].空軍雷達學院學報.2008，22(2)：110-112