IGBT高压大功率驱动和保护电路的应用解析

IGBT在以变频器及各类电源为代表的电力电子装置中得到了广泛应用。IGBT集双极型功率晶体管和功率MOSFET的优点于一体，具有电压控制、输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快和工作频率高等优点。
    但是，IGBT和其它电力电子器件一样，其应用还依赖于电路条件和开关环境。因此，IGBT的驱动和保护电路是电路设计的难点和重点，是整个装置运行的关键环节。
    为解决IGBT的可靠驱动问题，国外各IGBT生产厂家或从事IGBT应用的企业开发出了众多的IGBT驱动集成电路或模块，如国内常用的日本富士公司生产的EXB8系列，三菱电机公司生产的M579系列，美国IR公司生产的IR21系列等。但是，EXB8系列、M579系列和IR21系列没有软关断和电源电压欠压保护功能，而惠普生产的HCLP一316J有过流保护、欠压保护和1GBT软关断的功能，且价格相对便宜，因此，本文将对其进行研究，并给出1700V，200～300AIGBT的驱动和保护电路。
    1、IGBT的工作特性
    IGBT是一种电压型控制器件，它所需要的驱动电流与驱动功率非常小，可直接与模拟或数字功能块相接而不须加任何附加接口电路。IGBT的导通与关断是由栅极电压UGE来控制的，当UGE大于开启电压UGE（th）时IGBT导通，当栅极和发射极间施加反向或不加信号时，IGBT被关断。
    IGBT与普通晶体三极管一样，可工作在线性放大区、饱和区和截止区，其主要作为开关器件应用。在驱动电路中主要研究IGBT的饱和导通和截止两个状态，使其开通上升沿和关断下降沿都比较陡峭。
    2、IGBT驱动电路要求
    在设计IGBT驱动时必须注意以下几点。
    1）栅极正向驱动电压的大小将对电路性能产生重要影响，必须正确选择。当正向驱动电压增大时，．IGBT的导通电阻下降，使开通损耗减小；但若正向驱动电压过大则负载短路时其短路电流IC随UGE增大而增大，可能使IGBT出现擎住效应，导致门控失效，从而造成IGBT的损坏；若正向驱动电压过小会使IGBT退出饱和导通区而进入线性放大区域，使IGBT过热损坏；使用中选12V≤UGE≤18V为好。栅极负偏置电压可防止由于关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通，一般负偏置电压选一5V为宜。另外，IGBT开通后驱动电路应提供足够的电压和电流幅值，使IGBT在正常工作及过载情况下不致退出饱和导通区而损坏。
    2）IGBT快速开通和关断有利于提高工作频率，减小开关损耗。但在大电感负载下IGBT的开关频率不宜过大，因为高速开通和关断时，会产生很高的尖峰电压，极有可能造成IGBT或其他元器件被击穿。
    3）选择合适的栅极串联电阻RG和栅射电容CG对IGBT的驱动相当重要。RG较小，栅射极之间的充放电时间常数比较小，会使开通瞬间电流较大，从而损坏IGBT；RG较大，有利于抑制dvce／dt，但会增加IGBT的开关时间和开关损耗。合适的CG有利于抑制dic／dt，CG太大，开通时间延时，CG太小对抑制dic／dt效果不明显。
    4）当IGBT关断时，栅射电压很容易受IGBT和电路寄生参数的干扰，使栅射电压引起器件误导通，为防止这种现象发生，可以在栅射间并接一个电阻。此外，在实际应用中为防止栅极驱动电路出现高压尖峰，最好在栅射间并接两只反向串联的稳压二极管，其稳压值应与正负栅压相同。
3、HCPL-316J驱动电路
    3.1HCPL-316J内部结构及工作原理

HCPL-316J的内部结构如图1所示

其外部引脚如图2所示
从图1可以看出，HCPL-316J可分为输入IC（左边）和输出IC（右边）二部分，输入和输出之间完全能满足高压大功率IGBT驱动的要求。
    各引脚功能如下：
    脚1（VIN+）正向信号输入；
    脚2（VIN-）反向信号输入；
    脚3（VCG1）接输入电源；
    脚4（GND）输入端的地；
    脚5（RESERT）芯片复位输入端；
    脚6（FAULT）故障输出，当发生故障（输出正向电压欠压或IGBT短路）时，通过光耦输出故障信号；
    脚7（VLED1+）光耦测试引脚，悬挂；
    脚8（VLED1-）接地；
    脚9，脚10（VEE）给IGBT提供反向偏置电压；
    脚11（VOUT）输出驱动信号以驱动IGBT；
    脚12（VC）三级达林顿管集电极电源；
    脚13（VCC2）驱动电压源；
    脚14（DESAT）IGBT短路电流检测；
    脚15（VLED2+）光耦测试引脚，悬挂；
    脚16（VE）输出基准地。
其工作原理如图1所示。若VIN+正常输入，脚14没有过流信号，且VCC2-VE=12v即输出正向驱动电压正常，驱动信号输出高电平，故障信号和欠压信号输出低电平。首先3路信号共同输入到JP3，D点低电平，B点也为低电平，50×DMOS处于关断状态。此时JP1的输入的4个状态从上至下依次为低、高、低、低，A点高电平，驱动三级达林顿管导通，IGBT也随之开通。
    若IGBT出现过流信号（脚14检测到IGBT集电极上电压=7V），而输入驱动信号继续加在脚1，欠压信号为低电平，B点输出低电平，三级达林顿管被关断，1×DMOS导通，IGBT栅射集之间的电压慢慢放掉，实现慢降栅压。当VOUT=2V时，即VOUT输出低电平，C点变为低电平，B点为高电平，50×DMOS导通，IGBT栅射集迅速放电。故障线上信号通过光耦，再经过RS触发器，Q输出高电平，使输入光耦被封锁。同理可以分析只欠压的情况和即欠压又过流的情况。
    3．2驱动电路设计   

驱动电路及参数如图3所示。
    HCPL-316J左边的VIN+，FAULT和RESET分别与微机相连。R7，R8，R9，D5，D6和C12起输入保护作用，防止过高的输入电压损坏IGBT，但是保护电路会产生约1μs延时，在开关频率超过100kHz时不适合使用。Q3最主要起互锁作用，当两路PWM信号（同一桥臂）都为高电平时，Q3导通，把输入电平拉低，使输出端也为低电平。图3中的互锁信号Interlock，和Interlock2分别与另外一个316JInterlock2和Interlock1相连。R1和C2起到了对故障信号的放大和滤波，当有干扰信号后，能让微机正确接受信息。
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