IBGT驅動電路設計

我們設計了一種基于光耦HCPL-316J的IGBT驅動電路。實驗證明該電路具有良好的驅動及保護能力。下面是此IBGT驅動電路的原理分析：
　　
　　絕緣門極雙極型晶體管(Isolated Gate Bipolar Transistor簡稱IGBT)是復合了功率場效應管和電力晶體管的優(yōu)點而產(chǎn)生的一種新型復合器件，具有輸入阻抗高、工作速度快、熱穩(wěn)定性好驅動電路簡單、通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點，因此現(xiàn)今應用相當廣泛。但是IGBT 良好特性的發(fā)揮往往因其柵極驅動電路設計上的不合理，制約著IGBT的推廣及應用。因此本文分析了IGBT對其柵極驅動電路的要求，設計一種可靠，穩(wěn)定的IGBT驅動電路。
　　
IGBT驅動電路特性及可靠性分析

門極驅動條件

　　IGBT的門極驅動條件密切地關系到他的靜態(tài)和動態(tài)特性。門極電路的正偏壓uGS、負偏壓-uGS和門極電阻RG的大小，對IGBT的通態(tài)電壓、開關、開關損耗、承受短路能力及du/dt電流等參數(shù)有不同程度的影響。其中門極正電壓uGS的變化對IGBT的開通特性，負載短路能力和duGS/dt電流有較大的影響，而門極負偏壓對關斷特性的影響較大。同時，門極電路設計中也必須注意開通特性，負載短路能力和由duGS/dt電流引起的誤觸發(fā)等問題。

　　根據(jù)上述分析，對IGBT驅動電路提出以下要求和條件：

(1)由于是容性輸出輸出阻抗；因此IBGT對門極電荷集聚很敏感，驅動電路必須可靠，要保證有一條低阻抗的放電回路。

(2)用低內阻的驅動源對門極電容充放電，以保證門及控制電壓uGS有足夠陡峭的前、后沿，使IGBT的開關損耗盡量小。另外，IGBT開通后，門極驅動源應提供足夠的功率，使IGBT不至退出飽和而損壞。

(3)門極電路中的正偏壓應為+12～+15V；負偏壓應為-2V～-10V。

(4)IGBT 驅動電路中的電阻RG對工作性能有較大的影響，RG較大，有利于抑制IGBT 的電流上升率及電壓上升率，但會增加IGBT 的開關時間和開關損耗；RG較小，會引起電流上升率增大，使IGBT 誤導通或損壞。RG的具體數(shù)據(jù)與驅動電路的結構及IGBT 的容量有關，一般在幾歐～幾十歐，小容量的IGBT 其RG值較大。

(5)驅動電路應具有較強的抗干擾能力及對IGBT 的自保護功能。IGBT 的控制、驅動及保護電路等應與其高速開關特性相匹配，另外，在未采取適當?shù)姆漓o電措施情況下，IGBT的G～E極之間不能為開路。

驅動電路分類

　　驅動電路分為：分立插腳式元件的驅動電路；光耦驅動電路；厚膜驅動電路；專用集成塊驅動電路。本文設計的電路采用的是光耦驅動電路。

IGBT驅動電路分析

　　隨著微處理技術的發(fā)展(包括處理器、系統(tǒng)結構和存儲器件)，數(shù)字信號處理器以其優(yōu)越的性能在交流調速、運動控制領域得到了廣泛的應用。一般數(shù)字信號處理器構成的控制系統(tǒng)， IGBT驅動信號由處理器集成的PWM模塊產(chǎn)生的。而PWM接口驅動能力及其與IGBT的接口電路的設計直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性。因此本文采用Agilent公司的HCPL-316J門極驅動光耦合器結合DSP TMS320F2812設計出了一種可靠的IGBT驅動方案。

HCPL-316J特性

　　HCPL-316J是由Agilent公司生產(chǎn)的一種IGBT門極驅動光耦合器，其內部集成集電極發(fā)射極電壓欠飽和檢測電路及故障狀態(tài)反饋電路，為驅動電路的可靠工作提供了保障。其特性為：兼容CMOS/TYL電平；光隔離，故障狀態(tài)反饋；開關時間最大500ns；“軟”IGBT關斷；欠飽和檢測及欠壓鎖定保護；過流保護功能；寬工作電壓范圍(15～30V)；用戶可配置自動復位、自動關閉。 DSP與該耦合器結合實現(xiàn)IGBT的驅動，使得IGBT VCE欠飽和檢測結構緊湊，低成本且易于實現(xiàn)，同時滿足了寬范圍的安全與調節(jié)需要。

HCPL-316J保護功能的實現(xiàn)

　　HCPL-316J內置豐富的IGBT檢測及保護功能，使驅動電路設計起來更加方便，安全可靠。其中下面詳述欠壓鎖定保護(UVLO) 和過流保護兩種保護功能的工作原理：

(1)IGBT欠壓鎖定保護(UVLO)功能

　　在剛剛上電的過程中，芯片供電電壓由0V逐漸上升到最大值。如果此時芯片有輸出會造成IGBT門極電壓過低，那么它會工作在線性放大區(qū)。HCPL316J芯片的欠壓鎖定保護的功能(UVLO)可以解決此問題。當VCC與VE之間的電壓值小于12V時，輸出低電平，以防止IGBT工作在線性工作區(qū)造成發(fā)熱過多進而燒毀。示意圖詳見圖1中含UVLO部分。