樊明龍，鄭桂標

（1．揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 揚州 225127；2．陽光電源股份有限公司 安徽 合肥 230088）

一種基于HCPL-316J的IGBT驅(qū)動電路設(shè)計

樊明龍1，鄭桂標2

（1．揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 揚州 225127；2．陽光電源股份有限公司 安徽 合肥 230088）

在較復(fù)雜的變流系統(tǒng)中，主控系統(tǒng)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(qū)動芯片HCPL-316J和DSP芯片設(shè)計了一種IGBT驅(qū)動電路，當光耦芯片故障信號發(fā)出后立即封鎖IGBT驅(qū)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(yīng)用表明，本設(shè)計故障保護響應(yīng)迅速，運行穩(wěn)定可靠。

HCPL-316J；IGBT驅(qū)動電路；故障保護；電路設(shè)計

光耦驅(qū)動芯片HCPL-316J是Agilent公司生產(chǎn)的柵極驅(qū)動電路產(chǎn)品之一，可用于驅(qū)動150 A/1 200 V的IGBT，開關(guān)速度為0．5 μs，有過流檢測和欠電壓封鎖輸出。當過電流發(fā)生時，能輸出故障信號（供保護用），并使IGBT軟關(guān)斷［1］。近年來，HCPL-316J的應(yīng)用研究得到了重視，從目前公開發(fā)表的文獻來看，研究主要側(cè)重于輸出電路部分，重點是過流軟關(guān)斷的原理、工作過程和實用電路設(shè)計，對故障信號反饋端和控制信號輸入端的應(yīng)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(qū)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(shè)定保護盲區(qū)，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(qū)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(tǒng)中所有驅(qū)動芯片的控制信號，實現(xiàn)故障保護。但在實際應(yīng)用過程中，某些系統(tǒng)的主控程序復(fù)雜，運行時間長，造成故障信號發(fā)出后，系統(tǒng)不能及時封鎖所有IGBT的驅(qū)動電路，部分IGBT模塊仍然強行工作，引發(fā)嚴重的后果。

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

1　應(yīng)用電路設(shè)計

1.1設(shè)計思路

HCPL-316J有Vin+、Vin-兩個控制信號輸入端。常見的應(yīng)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(qū)動IGBT工作。這種應(yīng)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。

圖1　輸入信號連接圖Fig．1　Signal input

圖2　IGBT驅(qū)動電路框圖Fig．2　Block diagram of driving circuit

本文設(shè)計的IGBT驅(qū)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(nèi)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(nèi)部。

1.2應(yīng)用電路實現(xiàn)

圖3為IGBT驅(qū)動電路原理圖，圖中兩個光耦芯片各自驅(qū)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3個部分：R3、R4、R5、Q1、Q2組成的柵極推挽驅(qū)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(xiàn)對IGBT的推挽驅(qū)動和過流檢測，相關(guān)原理和應(yīng)用在文獻［2-7］中已有詳細介紹，這里不再贅述。

圖3　IGBT驅(qū)動電路原理圖Fig．3　Schematic diagram of IGBT drive circuit

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(fù)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(qū)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(jīng)限流電路R1接+5 V電源。系統(tǒng)正常工作時，光耦的Vin+端和FAULT信號線均呈現(xiàn)高電平，鉗位二極管處于截止狀態(tài)，PWM控制信號從Vin-端輸入到光耦內(nèi)部，光耦在DSP的控制下驅(qū)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(xiàn)低電平，端子上的鉗位二極管導(dǎo)通，總故障信號FAULT變低，向主控芯片發(fā)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(nèi)部，在第一時間封鎖所有光耦的輸入，IGBT失去驅(qū)動信號而停止工作，實現(xiàn)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(qū)動電路已經(jīng)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(shù)配置如下：R1=R2=R6= 10 kΩ，R3=R4=R5=R7=R8=R9=10 Ω，C1=C5=330 pF，C2=C3=C6= C7=0．1 μF，C4=C8=100 pF。

圖4　實驗波形Fig．4　Experimental results

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

3　結(jié)　論

本文設(shè)計的基于HCPL-316J的IGBT驅(qū)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(yīng)用研究，實驗結(jié)果表明本設(shè)計能充分保證故障保護的快速性，尤其適用于控制系統(tǒng)復(fù)雜，主控程序運行時間較長的場所。

本驅(qū)動電路已成功應(yīng)用于儲能變流器中蓄電池逆變電源系統(tǒng)，無故障時逆變模塊能穩(wěn)定連續(xù)運行，過流故障時能快速實現(xiàn)保護，大大降低了逆變模塊關(guān)鍵元器件損壞的機率。

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

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A design of IGBT drive circuit based on HCPL-316J

FAN Ming-long1，ZHENG Gui-biao2
（1．Yangzhou Polytechnic Institute，Yangzhou 225127，China；2．Sungrow Power Supply Co.，Ltd.，Hefei 230088，China）

In more complex converter system，delay of the main control system will affect the efficiency of the IGBT fault protection．In view of this situation，the HCPL-316J optocoupler and DSP were combined to compose a IGBT drive circuit．The IGBT drive signal was blockaded immediately when the optocoupler fault signal was issued．It completely eliminated the effects from the running time of the master program．Simulation over-current experiments and practical applications showed this design had the rapid response to fault protection，and stable and reliable operation．

HCPL-316J；IGBT drive circuit；fault protection；circuit design

TN409

A

1674－6236（2016）02-0107-03

2015-03-27稿件編號：201503390

中央財政支持的職業(yè)教育實訓(xùn)基地“自動化綜合控制實訓(xùn)基地”建設(shè)項目（蘇教財［2012］177號）

樊明龍（1968—），男，江蘇興化人，碩士，副教授。研究方向：電氣自動化技術(shù)、機械電子。