IGBT模块的一种驱动设计
igbt模块的一种驱动设计
1引言
近年来，新型功率开关器件igbt已逐渐被人们所认识。与以前的各种电力电子器件相比，igbi、具有以下特点：高输入阻抗，可采用通用低成本的驱动线路；高速开关特性；导通状态低损耗。igbt在综合性能方面占有明显优势，广泛应用于工作频率为几十千赫兹，输出功率为几千瓦到几十千瓦的各类电力变换装置。在设计驱动电路时，主要考虑以下参数：igbt的额定值、短路电流特性、感性负载的关断特性、最大栅极发射极电压、栅极输入电容、安全工作区特性。
光电耦合驱动器件的输入、输出都是有源的，其正向脉冲及负向闭锁脉冲的宽度不受限制，可容易地通过检测igbt通态集电极电压实现过流及短路保护，并向微处理器发出过流报警信号。
2igbt下桥臂驱动器件hcpl-316j
hcpl-316j的主要特征：16引脚双列直插封装；可驱动150a／1200v的igbt；宽电源电压范围为15v～30v；最大开关时间为0.5μs；死区时间为2μs；兼容cmos／ttl电平；具有光隔离、故障状态反馈功能；igbt“软”关断；vce欠饱和检测及带滞环欠压锁定保护；用户可配置自动复位、自动关闭。最小共模抑制15kv／μs（vcm=1500v时）；具有过流关断、欠压封锁功能；当线路过流或vcc欠压时可自动闭锁所有输出，并发出报警信号；当高侧的悬浮偏置电压源欠压时，可通过其内部的欠压自锁电路将3路高侧输出封锁。
hcpl-316j具有过流检测和欠压闭锁输出（undervoltagelock-out）功能。过流时，输出故障信号，igbt软关断；电源电压范围为15v～30v，在vcm=1500v下，最小共模抑制（cmr）电压为15kv／μs，用户可设定正／负逻辑输入、自动复位和自动关断。
图1为hcpl-316j内部结构图。光耦管led1组成输入控制电路，vin+和vin-分别为正／负逻辑输入端。当输入负逻辑信号时，vin+置为高电平，vin-接输入信号；反之，当输入正逻辑信号时，则vin-置为低电平，vin+接输入信号。输入信号门电路由led1传送到内部驱动电路并转换为igbt的门极驱动信号。光耦管led2等组成故障信号控制电路，该驱动器7引脚悬空，8引脚接地，vcc1和gnd1为输入侧电源，vcc2和vee为输出侧电源，vc为推挽式输出三极管集电极的电源可直接与vcc2相接，或者串联一只电阻rc以限制输出导通电流，vout为门极驱动电压输出端。可以在被驱动的功率器件过流或门极驱动电路自身电源发生故障时，对被驱动的igbt进行快速有效地保护。该系列驱动器只需一个非隔离的+15v电源；具有高dv／dt容量；保护功能完善；故障记忆，通过fault信号告知控制系统；上下互锁，避免同一桥臂两只igbt同时开通；栅极电阻外部可调，使用不同功率的igbt时都能工作在较高的开关频率下，并得到高转换效率。
由led2等组成的故障保护电路，desat为过流检测输入端，通过串联电阻和箝位二极管与igbt集电极相连。正常状态下，不可能检测到过流故障，fault为低电平，rs触发器输出端q保持低电平，确保输入信号通过发光二极管led1，且故障信号输出fault为高电平，复位端reset对输入通道不起作用。若desat检测到过流信号（desat端电压超过7v），则fault为高电平。该信号经内部逻辑一方面闭锁驱动器输出及led1的输入信号，另一方面使led2导通，rs触发器输出端q为高电平，故障输出fault为低电平，通知外部微机。当igbt发生过流。驱动器输出电平下降，使igbt软关断，以避免突然关断时因产生过压而导致igbt损坏。另外，由于故障输出端fault为集电极开路，可实现多个器件的fault并联到微机上。
fault发生故障后一直保持低电平，直至reset输入复位为低电平信号。
在利用下臂驱动器驱动比150a／1200v更大的igbt时，可外接电流缓冲器，以扩大其驱动能力。由图2的工作时序可知，当desat端电压超过7v时，产生过流。igbt下桥臂的驱动电路图如图3所示。
图3中电源+5v、vb+、vb-（vb+与vb-的电压均为25v）为器件提供工作电压。与16引脚相连的电位符号igbtbe和igbt模块下桥臂的发射极相连，与11引脚相连的igbtbg1～3分别和下桥臂的门极相接，控制igbt的导通和关断。当14引脚desat的电压高于7v检测到过流信号或vcc欠压时，6引脚fault为低电平，器件自动闭锁所有输出，用于保护igbt模块，同时向微处理器发出一个报警信号。
3上桥臂驱动器hcpl-3120
上桥臂驱动hcpl-3120是由磷砷化镓光耦合器和功率输出电路组成，其主要特征：8引脚双列直插封装；驱动电路的最大输出电流峰值为2.0a；最小共模抑制比为15kv／μs；最大低电平为0.5v，无需栅极负压；最大供电电流为5ma；电源电压范围为15v～30v；最大开关速度为0．5斗s；具有滞环欠压锁定输出（uvlo）功能。hcpl-3120的内部结构框图如图4所示。hcpl-3120输出电路具有宽限工作电压范围，使其易于提供门控器件所需的驱动电压。它适于额定容量为1200v／100a的igbt。对于更高容量的igbt，可外接电流缓冲器，以扩展其驱动能力。上桥臂igbt驱动电路的原理图如图5所示。
图5中。vu+与vu-电压为25v，输出端（vo）igbttg1和igbt模块上桥臂中u项的一个门极相连接，igbtte1和发射极相连接，从而控制igbt的导通和关断。
4实验结果及分析
图6是测试时从示波器上获取的。从图中看到正向驱动电压为+16.5v，负向驱动电压为-7.5v；采用此种方式能够有效、快速地导通和关断igbt，减少了导通和关断过程中的损耗。
5结束语
该系统设计在充分利用和满足igbt模块的特点和要求的情况下，着重研究了igbt的驱动和保护特性，选用了驱动器件hcpl-316j、hcpl-3120对其驱动和保护，满足了igbt的导通和关断动态要求，使igbt具有较高的可靠性。
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hcpl-316j具有过流检测和欠压闭锁输出（undervoltagelock-out）功能。过流时，输出故障信号，igbt软关断；电源电压范围为15v～30v，在vcm=1500v下，最小共模抑制（cmr）电压为15kv／μs，用户可设定正／负逻辑输入、自动复位和自动关断。
图1为hcpl-316j内部结构图。光耦管led1组成输入控制电路，vin+和vin-分别为正／负逻辑输入端。当输入负逻辑信号时，vin+置为高电平，vin-接输入信号；反之，当输入正逻辑信号时，则vin-置为低电平，vin+接输入信号。输入信号门电路由led1传送到内部驱动电路并转换为igbt的门极驱动信号。光耦管led2等组成故障信号控制电路，该驱动器7引脚悬空，8引脚接地，vcc1和gnd1为输入侧电源，vcc2和vee为输出侧电源，vc为推挽式输出三极管集电极的电源可直接与vcc2相接，或者串联一只电阻rc以限制输出导通电流，vout为门极驱动电压输出端。可以在被驱动的功率器件过流或门极驱动电路自身电源发生故障时，对被驱动的igbt进行快速有效地保护。该系列驱动器只需一个非隔离的+15v电源；具有高dv／dt容量；保护功能完善；故障记忆，通过fault信号告知控制系统；上下互锁，避免同一桥臂两只igbt同时开通；栅极电阻外部可调，使用不同功率的igbt时都能工作在较高的开关频率下，并得到高转换效率。
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图5中。vu+与vu-电压为25v，输出端（vo）igbttg1和igbt模块上桥臂中u项的一个门极相连接，igbtte1和发射极相连接，从而控制igbt的导通和关断。
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该系统设计在充分利用和满足igbt模块的特点和要求的情况下，着重研究了igbt的驱动和保护特性，选用了驱动器件hcpl-316j、hcpl-3120对其驱动和保护，满足了igbt的导通和关断动态要求，使igbt具有较高的可靠性。
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