摘 要：介紹了光電耦合驅(qū)動(dòng)芯片HCPL-316J，HCPL-3120的功能特點(diǎn),驅(qū)動(dòng)和保護(hù)IGBT模塊的具體應(yīng)用。因?yàn)镮GBT是電壓驅(qū)動(dòng)型開(kāi)關(guān)器件，它的下橋臂需要過(guò)流保護(hù)功能而上橋臂不需要，上下橋臂采用不同的驅(qū)動(dòng)芯片。采用HCPL-316J芯片驅(qū)動(dòng)IGBT模塊的下橋臂，采用HCPL-3120芯片驅(qū)動(dòng)IGBT模塊的上橋臂。結(jié)果表明，該方法達(dá)到了良好的驅(qū)動(dòng)效果。 關(guān)鍵詞：光電耦合 驅(qū)動(dòng)芯片 IGBT HCPL-316J HCPL-3120 ABSTRACT: It introduced the function and feature of the optocoupler drive chip HCPL-316J，HCPL-3120 , the use of them to drive and protect IGBT module. Because IGBT is voltage-driven switch device, its below bridge arm needs to be protected by the function of overcurrent but up bridge arm does not need, the up and below bridge arm adopt the different drive chips. Using chip HCPL-316J drives the below bridge arm of IGBT module and using chip HCPL-3120 drives the up bridge arm of IGBT module. The result shows that this method achieves the good effect. KEY WORDS: optocoupler drive chip IGBT HCPL-316J HCPL-3120 0 引言 　　近年來(lái),新型功率開(kāi)關(guān)器件IGBT 已逐漸被人們所認(rèn)識(shí)。與以前的各種電力電子器件相比, IGBT具有以下特點(diǎn)：高的輸入阻抗，使之可采用通用低成本的驅(qū)動(dòng)線路;高速開(kāi)關(guān)特性;導(dǎo)通狀態(tài)的損耗低。 IGBT 在綜合性能方面占有明顯的優(yōu)勢(shì),并正越來(lái)越多地應(yīng)用到工作頻率為幾十千赫、輸出功率為幾千瓦到幾十千瓦的各類電力變換裝置中。在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，主要考慮以下的參數(shù)：IGBT的額定值;短路電流特性;感性負(fù)載的關(guān)斷特性;最大柵極發(fā)射極電壓;柵極輸入電容;安全工作區(qū)特性。 　　光電耦合驅(qū)動(dòng)芯片的特點(diǎn)是輸入、輸出兩側(cè)都是有源的,由它提供的正向脈沖及負(fù)向封鎖脈沖的寬度可以不受限制,而且可以較容易地通過(guò)檢測(cè)IGBT 通態(tài)集電極電壓實(shí)現(xiàn)過(guò)流及短路保護(hù),并對(duì)外送出過(guò)流信號(hào)。因此具有使用方便,一致性及穩(wěn)定性較好的優(yōu)點(diǎn)。 1 IGBT下橋臂驅(qū)動(dòng)芯片HCPL-316J 　　該芯片的主要特征是：16腳雙列直插芯片;可驅(qū)動(dòng)150A/1200V的IGBT;寬電源電壓范圍：15～30V;最大開(kāi)關(guān)時(shí)間：0.5 us;死區(qū)時(shí)間：2us;能兼容CMOS/TTL電平;光隔離，故障狀態(tài)反饋;IGBT “軟”關(guān)斷;VCE欠飽和檢測(cè)及帶滯環(huán)欠壓鎖定保護(hù);用戶可配置自動(dòng)復(fù)位、自動(dòng)關(guān)閉。最小共模抑制15kV/μS（在VCM=1500V時(shí)）;具有過(guò)流關(guān)斷、欠壓封鎖功能;當(dāng)線路過(guò)流或VCC欠壓時(shí)它便可自動(dòng)封鎖所有輸出，并發(fā)出一報(bào)警信號(hào);當(dāng)高側(cè)的懸浮偏置電壓源欠壓時(shí)，它會(huì)通過(guò)其內(nèi)部的欠壓自鎖電路將3路高側(cè)輸出封鎖。 　　1.1 HCPL-316J內(nèi)部結(jié)構(gòu)介紹： 　　該驅(qū)動(dòng)芯片有過(guò)電流檢測(cè)和欠電壓封鎖輸出（Under Voltage Lock-Out）。當(dāng)過(guò)電流發(fā)生時(shí)，能輸出故障信號(hào)（供保護(hù)用），并使IGBT軟關(guān)斷。電源電壓范圍為15～30V，在V cm =1500V下最小共膜抑制（CMR）電壓為15kv/us，用戶可設(shè)定正/負(fù)邏輯輸入、自動(dòng)復(fù)位、自動(dòng)關(guān)斷。 [align=center] 圖1 HCPL-316J內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　圖1中光耦管LED1等組成了輸入控制電路，Vin+和Vin-分別為正/負(fù)邏輯輸入端。當(dāng)輸入負(fù)邏輯信號(hào)時(shí)，Vin+要求置高電平，Vin-接輸入信號(hào);反之當(dāng)輸入正邏輯信號(hào)時(shí)，則要求Vin-置低電平，Vin+接輸入信號(hào)。輸入信號(hào)門電路由LED1傳送到內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路并轉(zhuǎn)換為IGBT的門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。光耦管LED2等組成了故障信號(hào)控制電路，該驅(qū)動(dòng)器7號(hào)端子懸空，8號(hào)端子接地，Vcc1和GND1為輸入側(cè)電源，Vcc2和Vee為輸出側(cè)電源，Vc為推挽式輸出三極管集電極的電源可直接與Vcc2相接，或者串聯(lián)一個(gè)電阻Rc以限制輸出導(dǎo)通電流，Vout為門極驅(qū)動(dòng)電壓輸出端?？梢栽诒或?qū)動(dòng)的功率器件過(guò)流或門極驅(qū)動(dòng)電路自身電源發(fā)生故障時(shí),對(duì)被驅(qū)動(dòng)的IGBT進(jìn)行快速有效的保護(hù)。該系列驅(qū)動(dòng)器只需一個(gè)非隔離的+15V電源;具有高dv/dt容量;保護(hù)功能完善;故障記憶，通過(guò) 信號(hào)告知控制系統(tǒng);上下互鎖，避免同一橋臂兩只IGBT同時(shí)開(kāi)通;柵極電阻外部可調(diào)，使得使用不同功率容量的IGBT時(shí)都能工作于較高的開(kāi)關(guān)頻率，并得到高的轉(zhuǎn)換效率。 　　由LED2等組成的故障保護(hù)電路，DESAT為過(guò)電流檢測(cè)輸入端，通過(guò)串聯(lián)電阻和箝位二極管與IGBT集電極相連。正常狀態(tài)下，不可能檢測(cè)到過(guò)電流故障，F(xiàn)AULT為低電平，RS觸發(fā)器輸出端Q保持低電平，確保輸入信號(hào)通過(guò)發(fā)光二極管LED1，且故障信號(hào)輸出 為高電平，復(fù)位端 對(duì)輸入通道不起作用。若DESAT檢測(cè)到過(guò)電流信號(hào)（DESAT端電壓超過(guò)7V），則FAULT為高電平。該信號(hào)經(jīng)內(nèi)部邏輯一方面封鎖驅(qū)動(dòng)器輸出及LED1的輸入信號(hào)，另一方面使LED2導(dǎo)通，RS觸發(fā)器輸出端Q為高電平，故障輸出 為低電平，通知外部微機(jī)。當(dāng)IGBT發(fā)生過(guò)電流后，驅(qū)動(dòng)器輸出電平下降，使IGBT軟關(guān)斷，以避免突然關(guān)斷時(shí)因產(chǎn)生過(guò)電壓而導(dǎo)致IGBT損壞。另外，由于故障輸出端 為集電極開(kāi)路，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)芯片的 段并聯(lián)到微機(jī)上。 [align=center] 圖 2 工作時(shí)序圖[/align] 　　端發(fā)生故障信號(hào)后，將一直保持低電平，直至 端輸入復(fù)位低電平信號(hào)為止。 　　在利用下臂驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)比150A/1200V更大的IGBT時(shí)，可外接電流緩沖器，以擴(kuò)大其驅(qū)動(dòng)能力。由圖2的工作時(shí)序圖可知，當(dāng)DESAT端電壓超過(guò)7V時(shí)，將產(chǎn)生過(guò)電流動(dòng)作。IGBT下橋臂的驅(qū)動(dòng)電路圖如圖3所示： [align=center] 圖3 下橋臂IGBT驅(qū)動(dòng)電路原理圖[/align] 　　圖3中：電源+5V、VB+、VB-（VB+與VB-的電壓是25V）為芯片提供工作電壓。與芯片16腳相連的電位符號(hào)IGBTBE和IGBT模塊下橋臂的發(fā)射極相連，與芯片11腳相連的IGBTBG1～3分別和下橋臂的門極相接，可以控制IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷。當(dāng)芯片14腳DESAT的端電壓高于7V檢測(cè)到過(guò)流信號(hào)或VCC欠壓時(shí)，6腳 為低電平，芯片自動(dòng)封鎖所有輸出，起到保護(hù)IGBT模塊的作用，同時(shí)發(fā)出一個(gè)報(bào)警信號(hào)給微處理器。 　　2上橋臂驅(qū)動(dòng)芯片HCPL-3120 　　上臂驅(qū)動(dòng)芯片HCPL-3120由磷砷化鎵光耦合器和功率輸出電路組成。它的主要特征是：8腳雙列直插芯片;驅(qū)動(dòng)電路的最大輸出電流峰值為2.0A;最小共模抑制15kV/μS（在VCM=1500V時(shí)）;最大低電平電壓0.5V，不需柵極負(fù)壓;最大供電電流Icc=5mA;電源電壓范圍，15～30V;最大開(kāi)關(guān)速度：0.5μS;有滯環(huán)欠電壓鎖定輸出（UVLO）。 　　該驅(qū)動(dòng)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如下： [align=center] 圖 4[/align] 　　其輸出電路的寬限工作電壓范圍，使其易于提供門控器件所需的驅(qū)動(dòng)電壓。它適合于額定容量為1200V/100A的IGBT。對(duì)于更高容量的IGBT，可外接電流緩沖器，以擴(kuò)大其驅(qū)動(dòng)能力。 　　圖5為上橋臂IGBT驅(qū)動(dòng)電路的原理圖。 [align=center] 圖5 IGBT上橋臂的驅(qū)動(dòng)電路[/align] 　　圖5中，VU+與VU-的電壓為25V，輸出端（Vo）IGBTTG1和IGBT模塊上橋臂中U項(xiàng)的一個(gè)門極相接，IGBTTE1和發(fā)射極相連，從而可以控制IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷。 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 [align=center] 圖6電壓輸出波形（頻率為50HZ的三相交流輸出）[/align] 　　圖6是在測(cè)試時(shí)從示波器上得到的。從圖中可以看到：正向驅(qū)動(dòng)電壓為+16.5V，負(fù)向驅(qū)動(dòng)電壓為-7.5V;采用此種方式的優(yōu)點(diǎn)是：能夠有效、快速的使IGBT開(kāi)通和關(guān)斷，減少了開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中的損耗。 4 結(jié)束語(yǔ) 　　該方法在充分利用和滿足IGBT模塊的特點(diǎn)、要求的情況下，著重研究了IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)特性，我們選用了對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)芯片HCPL-316J、HCPL-3120來(lái)對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和保護(hù)，滿足了IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷的動(dòng)態(tài)要求，使IGBT展現(xiàn)出了它的優(yōu)點(diǎn)并獲得了較高的可靠性。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 王兆安，黃俊. 《電力電子技術(shù)》. 機(jī)械工業(yè)出版社 2005 　　[2] 李序葆，趙永健 《電力電子器件及其應(yīng)用》. 機(jī)械工業(yè)出版社 2000 　　[3] 王仁祥，王小曼. 《通用變頻器選型、應(yīng)用與維護(hù)》. 人民郵電出版社,2005 　　[4] 陳國(guó)呈. 《新型電力電子變換技術(shù)》. 中國(guó)電力出版社，2004 　　[5] Bose B K.Power Electronics and AC. Drives. Prentice Hall,1986 　　[6] TMS320C54XCode Composer Studio Tutorial. Literature Number:SPRU327C February 2000.Texas Instruments Incorporated 　　[7] Code Composer Studio Getting Started Guide. Literature Number:SPRU509C November 2001. Texas Instruments Incorporated 　　[8] TMS320C54X Code Composer Studio version 2 help