基于hcpl-316j的igbt驱动及保护电路的设计

时，IGBT的故障保护也是变频器(逆变器)设计过程中的重要环节。本文以HCPL-316J光耦合芯片为主，联合Infineon的

FP50R12KT4型号IGBT为例，设计IGBT的驱动及保护电路，并通过实验验证该电路的可靠性。关键词：变频器；逆变器；IGBT;驱动电路Abstract: IGBTs play an important role in frequency converter and inverters. The stability of the IGBT operation is

the guarantee of the operational reliability of the frequency converter (inverter). At the same time, the fault protection of IGBT is also an important part in the design process of frequency converter (inverter). This paper takes HCPL- 316J optical coupling chip as the main [1], and combines Infineon's FP50R12KT4 IGBT as an example to design the

driving and protection circuit of IGBT, and verify the reliability of the circuit through experiments.Key words: Frequency converter; Inverter; IGBT; Drive circuit【中图分类号】TN77【文献标识码】B【文章编号】1561 -0330(2019)07-096-041引言IGBT因有着高频通断、高耐压、低导通阻抗、驱

动方便等特点旳，在行业内被广泛应用，尤其是在变频

2驱动电路设计2.1 316J的工作原理HCPL-316J的内部结构如图2所示。器行业巾。而IGBT的正确运行取决于驱动电路的合理 性，良好的驱动电路可以做到集驱动、保护于一体，大 大简化了电路设计，提高了产品的安全性、可靠性冈。

316J有两种触发模式，一种是低电平有效，V〃+

保持高电平，Vz触发，另一种是高电平有效，Vz保 持低电平，Vm+触发。该芯片有三个内部信号控制设备 输出的状态：信号LED的状态、UVLO和故障信号。

HCPL-316J的应用电路如图1所示。FP50R12KT4是英飞凌公司EconoPIM™ 2系列产

品，该种型号IGBT集成了三相整流桥、一个制动用斩

如果在IGBT集电极上没有检测到故障，且电源电压高

于UVLO阈值，则LED信号将控制设备输出状态。设 备逻辑级包括一个互锁，以确保输出级中的上拉和下拉

波器、一个三相逆变桥和一个用于测量温度的NTC热敏 电阻，阻断电压为1200Vo HCPL-316J是Agilent公司推

器件不会同时处于开启状态。如果检测到欠压情况，

出的一款输出高达2A且带过流保护的IGBT驱动光耦[4], 无论LED的状态如何，输出将被50倍DMOS器件主 动拉低。如果在信号LED亮起时检测到IGBT饱和故 障，则故障信号将锁定在高电平状态。达林顿和50倍可驱动IGBT最高为150A/1200V级、光学隔离、带故障 反馈输出、软关断技术、集成过流、欠压保护切。96 THE WORLD OF INVERTERSTHE WORLD OF INVERTERS《变频器世界》July, 2019ISOLATION BOUNDARYISOLATION BOUNDARYISOLATION BOUNDARYHCPL - 316JIkJklk3-PHASEINPUTjk HCPL - 316JZ HCPL-316J-------|KHCPL-316JHCPL-316J-|^2tISOLATION BOUNDARYHCPL-316JISOLATION BOUNDARYHCPL - 316JISOLATION BOUNDARYISOLATION BOUNDARY-HVFAULTMICRO-CONTROLLER图1 HCPL-316J与FP50R12KT4应用的结构框图250 pA

堆(16)%+⑴ V|N-⑵VCC1 ⑶DELAY^ULT(6)RESET⑸rt

图2 HCPL-316J的内部结构图V1N+VEVIN-VLEO2+VOC1OBSATVCV2RtstrFAULTVLEDPVCTOUTVEEVEEVUEUbGND图3 HCPL-316J应用电路WWW.CA16&COM 97伺服控制SERVO CONTROL(a)(b) (c)图4实验设备和PCB电路板图5 W相运行波形图6过电压检测波形98 THE WORLD OF INVERTERSDMOS器件被禁用，一个较小的1倍DMOS下拉器件

被激活，使IGBT栅极缓慢放电。当输出下降到2V以

下时，50XDMOS器件再次导通，将IGBT栅极稳固地 夹在Vee上。故障信号保持锁定在高电平状态，直到信

号LED熄灭。2.2 316J的应用电路图3中仅给出了一相中下桥的驱动电路，其余电路 与此相同。当IGBT导通时，芯片内部的恒流源流出的电流

经过电阻R13、R14和二极管D8、D9所产生的压降

Vru、Vrm、Vd8、Vd”加上IGBT导通时的管压降 Vce，当 VR13+VR14+VD8+VD9+VCE>7V 时，即 IGBT 出现

过电流情况：首先，乂皿输出变低，关断IGBT并且锁定, 防止流过IGBT的电流进一步上升。同时，引脚6的故

障信号立即变为低电平发送到控制器，控制器再根据此

信号对PWM信号进行控制。控制器在接收到故障信号 后的下一 PWM周期开始，若发出PWM信号，则会以

低电平时的PWM信号作为RESET复位信号，允许再

次开通IGBTo如此周而复始的循环，实现电流保护。3实验分析将上述 电路在Altium Designerl6上绘制PCB电 路图，然后投产。在电路板做好后手工焊接元器件，

用IGBT驱动板测试工具(该设备用来模拟控制器发出

PWM波形和产生故障提示)，以及万用表、24V开关

电源、示波器等设备进行试验，所使用的部分设备如图

4(a)所示，图4(b)和(c)分别为IGBT驱动板的正反面。IGBT驱动板包含U、V、W三相的驱动电路，本

次试验连接的是IGBT的下桥，用双路示波器测量W相

的相关波形。首先按照图4(a)连接电路，将示波器的其 中一路夹在驱动板的W相输出端，即IGBT的基极，另

一路夹在IGBT的C、E两端，然后便可以进行测试了。先把24V开关电源通上电，然后按下测试设备上

“Start”按钮，测量设备开始发出PWM信号给驱动板，

即模拟变频器中控制系统所发出的PWM信号，在电路 连接正常的情况下，驱动板会根据收到的PWM状态发

出控制IGBT基极的信号,从而改变IGBT导通和关断 的状态。此时运行的状态波形如图5所示，其中黄色波形测量的是W相的输出信号，即IGBT基极的控制信号，蓝

色波形测量的是驱动板过电压检测波形。由图5黄色波形可以看出，IGBT基极的导通电压

在10V左右，关断电压在-7V左右。之所以采用负电压, 一是为了缩短IGBT关断时间，二是避免基极电压有波

动时IGBT误动作。蓝色波形即为过电压检测波形，当 该波形的电压超过7V时，就会产生过电压故障。该波

形会随着G极的导通，而产生一个上升沿，此处的电压 容易泵升，若处理不好则会产生过电流的错误故障。图

6将该细节进行了放大处理，可以看出，该波形在上升

的瞬间会产生一个下拉电压，避免在IGBT导通瞬间产 生泵升波形，从而避免了不必要的错误故障。当发生故障时，如欠电压、过电流等故障，要求

IGBT可以在最短的时间内关闭，避免严重事故发生。

图7中显示了在IGBT烧坏的情况下运行该驱动所产生 的的故障波形。在IGBT导通的瞬间，该驱动会像正常

一样工作，当检测电路发现IGBT故障时,电压立马下降, 同时控制IGBT的G极电压下降，直至完全关断，整个

工作的过程被控制在20微妙内。下火停止 -f--------------------0-1-----------------------上_图7故障波形4结束语该电路的设计优化了 IGBT的驱动波形，尤其是在

IGBT导通瞬间，使得检测电路的电压瞬间降低，避免

了由泵升电压干扰而产生的误动作，其次是在故障响应

的时间上有很大的优势，提高了保护效率，可以极大地

降低重大事故的发生率。再者，该驱动电路可以适应不 同功率的IGBT,通过调节稳压二极管，即可改变过电

流检测的等级，极大地提高了适应性。实验证明，该驱THE WORLD OF INVERTERS《变频器世界》July, 2019动电路可靠性高，可以在行业内得到很好的应用。参考文献：[1] 陈毓辉•光耦HCPL-346J的应用[J].电力电子器件, 2011,13(9):11-14.[2] Vinogr^dov A B, Korotkov A A. Control of a

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表技术.2010,02(20),58-60.作者简介：谷兆灿 男 硕士研究生 山东科技大学 通用变频器和矿用变

频器技术研发WWW.CA16&C0M 99