基于光耦HCPL316J的大功率IGBT驱动电路研究

基于光耦HCPL316J的大功率IGBT驱动电路研究IGBT驱动电阻光耦1引言绝缘栅型双极性晶体管（InsulatedGateBipolarTransistor-IGBT）是一种电压控制型功率器件，需要的驱动功率小，控制电路简单，导通压降低，且具有较大的安全工作区和短路承受能力，在中功率以上的逆变器中逐渐取代了POWERMOSFET和POWERBJT成为功率开关器件的重要一员。IGBT等功率器件占到逆变器整体成本60%以上，如何有效地驱动和保护IGBT，使其安全高效地工作，成了当前电力电子领域的一个重要课题。本文以光耦HCPL316J为核心，从IGBT功率与驱动电路输出功率的关系，驱动电路电源以及保护电路设计等方面对IGBT驱动电路进行了研究，设计具有保护功能的驱动电路，并进行了实验。图1IGBT驱动原理图2IGBT门极驱动电压IGBT是电压控制型器件，开通和关断由栅极和发射极间的电压UGE决定，当在栅极和发射极加一大于开启电压UGE(th)的正电压时，IGBT导通，当栅极施加一负偏压或者栅压低于门限电压时，IGBT就关断[1]。典型的IGBT驱动原理图如图1所示，+UGE为正向开通电压，-UGE为关断电压。当UGE较小时，IGBT通态压降会变大，IGBT就容易发热，随着UGE增大，通态压降就降低，IGBT的通态损耗就降低，当UGE很大时，容易造成栅极的击穿，并且还容易产生擎住效应，无法关断IGBT，损坏器件。根据器件手册，一般UGE=±20V选取范围为15V~18V。当关断IGBT时，为了实现快速关断，-UGE取负偏压，为了降低关断损耗和du/dt误触发，-UGE不应该太小，一般在-5V以下，典型的取值为-5V、-8V和-10V。3IGBT门极驱动电阻的计算IGBT是通过门极电容的充放电来控制开通和关断，门极电容的充放电通过门极驱动电阻来控制。门极驱动电阻的大小影响IGBT的开关时间、开关损耗、反向偏压安全工作区、短路安全工作区等[2][3]，还与电路的EMI、du/dt、di/dt等有着密切的关系，门极驱动电阻的选择是驱动电路设计的重要部分。附表[3]是驱动电阻的变化与驱动电路参数的关系。从附表可以看出，门极驱动电阻越大，开关损耗和驱动脉冲上升下降时间就减少，相反，减少驱动电阻，开关损耗和脉冲上升下降时间就会增加。门极驱动电流的峰值可以表示为：(1)其中：IGM是门极驱动电路输出的峰值电流；VG(on)正偏压电源电压；VG(off)负偏压电源电压；RG驱动电路门极电阻；RG(int)模块内部的驱动电阻。(2)总之，IGBT门极驱动电阻可以参考以下要求：（1）额定电流大的器件门极驱动电阻较小，额定电流小的器件，门极驱动电阻比较大。（2）驱动电阻的最优选值可以取IGBT手册标注的电阻值的两倍。由于手册标注的电阻往往是最小的电阻，所以可以考虑选取两倍的电阻作为参考电阻，这样可以保证IGBT发生特殊情况时可靠关断。开通电阻RG(on)往往比关断电阻RG(off)小，一般开通电阻可以取到关断电阻的1/2。4驱动电路的输出功率计算当IGBT工作在高频开关状态下时，电路通过驱动电阻对IGBT的门极电容进行充放电，开关IGBT，图2是IGBT门极充电电荷特性图。根据门极特性，IGBT开通的过程是从0V充电到UGE，充电过程与输入电容充电过程等效，关断过程则是放电的过程，充放电电流平均值可以通过以下近似公式来计算：(3)(4)其中：fc是开关频率；Qg是IGBT的充电电荷；Cies是IGBT的输入电容。设计驱动电路时，输出电流应该满足以上公式计算的电流。由于驱动电流流过门极驱动电阻，驱动的消耗可以按照门极电阻消耗来计算，由P=1×U进一步计算IGBT驱动所需要的功率[4]，开通需要的功率为：(5)关断需要的功率为：(6)因此需要的总功耗P为：(7)5保护电路的设计当IGBT发生短路时，额定电流会在短时间达到额定电流的5~6倍，此时必须关断IGBT，否则会造成IGBT不可修复的损坏。为了保护功率器件不被损坏，需要设计保护电路。当发生过流时，UGE会迅速增加，通过监控UGE可以判断是否发生过流，当发生过流时，关断IGBT。当IGBT工作在感性负载状态，发生关断时，反并二极管处在反向恢复状态，就会有很大的du/dt，加于集电极和发射极两端。由于密勒电容的存在，du/dt将在电容上产生瞬间电流，流向栅极驱动电路。该电流与门极驱动电阻RG作用，使UGE超过门限值，器件就会被误触发导通。为了防止门极电压过高，可以在门极驱动电路的末端安装两只反向串联的稳压管，其稳压值与正负栅压相同，就可以保证栅极电压稳定，不被损坏。图2门极充放电电荷特性图6基于HCPL316J的IGBT驱动电路设计HCPL316J是美国安捷伦公司生产的一种2.0A的门极驱动光电耦合器，具有集电极-发射极电压欠饱和检测和故障状态反馈，在故障发生时，可实现IGBT软关断，可驱动150A/1200V的IGBT。实验用IGBT选取EUPEC公司的FF400R12KE4，额定电流400A，耐压1200V，开关频率为3kHz，三相全桥逆变主回路一共需要6路驱动，每路驱动的电源都是单独隔离，经过变换，输出15V和-5V两路电源对光耦进行供电。由于IGBT的容量超过光耦驱动能力，采用最大输出电流可以达到8A的MJD44H11和MJD45H11组成的推挽电路，增加驱动电路的输出电流。原理图如图3所示，图中的光耦的输入部分采用故障自动封锁，当产生故障之后，自动封锁PWM输入信号。根据公式计算最小门极驱动电阻为：开通电阻RG（on）最小取2.5Ω，考虑到实际应用中的du/dt，取值为2Ω。由于开通和关断的电流峰值相同，均为8A，关断电阻RG(off)最小取2.5Ω，取值为4.5Ω。由手册[6]可知，门极充电电荷为Qg=3.7μC，门极充电电容为Cies=28nF，计算门极驱动功率为：驱动电路的每路电源至少输出功率为0.243W，考虑到电路其他元件自身消耗的功率以及裕量，每一路IGBT的驱动功率应该大于0.5W，驱动波形如图4所示。图3驱动电路原理图图4驱动波形图5短路试验波形t=500ns/divHCPL316J带有过流检测电路，可以通过DESAT管脚来监控UGE，UDESAT=UGE+UF，(其中UDESAT是DESAT管脚的输入电压，UF是快速恢复二极管正向导通后的压降)，根据IGBT手册标注的正向导通压降，调整快速恢复二极管的数量，就可以实现保护电压的匹配。根据FF400R13KE4手册可知，IGBT工作在额定电流情况下UGE为2V，快速恢复二极管型号为MURS160T3,正向的导通压降为1.25V，所以串联的二极管数量n=(7-2)/1.25，为4个。图5为发生短路故障时的实验波形。其中波形C1为UCE波形，波形C2为故障输出信号波形，波形C3为IC波形，从图中可以看出，当发生短路以后，HCPL316J逐渐关断IGBT，防止短路故障进一步扩大。7结束语IGBT驱动电路设计时逆变器设计的重要部分，只有可靠的驱动电路，逆变器才能可靠的工作。本文在研究了驱动设计的基础上设计了以HCPL316J为驱动核心的驱动电路，通过实验验证了设计的合理性，对进一步设计可靠高效的驱动电路提供一定的借鉴。王占扩樊生文更多请访问：中国自动化网()