IBGT驱动电路设计

2 IGBT 的驱动条件
         IGBT 的驱动条件与它的静态和动态特性密切相关。栅极的正偏压+VGE、负偏压-VGE 和栅极电阻RG 的大小，对IGBT 的通态电压、开关时间、开关损耗、承受短路能力以及dVCE/dt等参数都有不同程度的影响。门极驱动条件与器件特性的关系如表1 所示。表1 门极驱动条件与器件特性的关系 
1、正偏压+VGE 的影响当VGS 增加时，通态电压下降，IGBT 的开通能量损耗下降，但是VGE 不能随意增加，因为VGE 增加到一定程度之后对IGBT 的负载短路能力及dVCE/dt 电流有不利影响。
2、负偏压-VGE 的影响负偏压也是很重要的门极驱动条件，它直接影响IGBT 的可靠运行。虽然-VGE 对关断能耗没有显著影响，担负偏压的增高会使漏极浪涌电流明显下降，从而避免过大的漏极浪涌电流使IGBT 发生不可控的擎住现象。
3、门极电阻RG 的影响门极电阻增加，使IGBT 的开通与关断能耗均增加，门极电阻减小又使di/dt 增大，可能引发IGBT 误导通，同时RG 上的能耗也有所增加。所以通常RG 一般取十几欧到几百欧之间。因此，为了使IGBT 能够安全可靠得到通和关断，其驱动电路必须满足一下条件：

1. 由于是容性输入阻抗，IGBT 对门极电荷集聚很敏感，因此要保证有一条低阻抗值得放电回路。

2. 门极电路中的正偏压应为+12—15V，负偏压-2—-10V。

3.  驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离。

4. 门极驱动电路应尽可能简单实用，具有对IGBT     的自保护功能，并有较强的抗干扰能力。

根据上述分析，对IGBT驱动电路提出以下要求和条件：

(1)由于是容性输出输出阻抗；因此IBGT对门极电荷集聚很敏感，驱动电路必须可靠，要保证有一条低阻抗的放电回路。

(2)用低内阻的驱动源对门极电容充放电，以保证门及控制电压uGS有足够陡峭的前、后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外，IGBT开通后，门极驱动源应提供足够的功率，使IGBT不至退出饱和而损坏。

(3)门极电路中的正偏压应为+12～+15V；负偏压应为-2V～-10V。

(4)IGBT 驱动电路中的电阻RG对工作性能有较大的影响，RG较大，有利于抑制IGBT 的电流上升率及电压上升率，但会增加IGBT 的开关时间和开关损耗；RG较小，会引起电流上升率增大，使IGBT 误导通或损坏。RG的具体数据与驱动电路的结构及IGBT 的容量有关，一般在几欧～几十欧，小容量的IGBT 其RG值较大。

(5)驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT的自保护功能。IGBT 的控制、驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配，另外，在未采取适当的防静电措施情况下，IGBT的G～E极之间不能为开路。

驱动电路分类

　　驱动电路分为：分立插脚式元件的驱动电路；光耦驱动电路；厚膜驱动电路；专用集成块驱动电路。本文设计的电路采用的是光耦驱动电路。

IGBT驱动电路分析

　　随着微处理技术的发展(包括处理器、系统结构和存储器件)，数字信号处理器以其优越的性能在交流调速、运动控制领域得到了广泛的应用。一般数字信号处理器构成的控制系统， IGBT驱动信号由处理器集成的PWM模块产生的。而PWM接口驱动能力及其与IGBT的接口电路的设计直接影响到系统工作的可靠性。因此本文采用Agilent公司的HCPL-316J门极驱动光耦合器结合DSP TMS320F2812设计出了一种可靠的IGBT驱动方案。

HCPL-316J特性

　　HCPL-316J是由Agilent公司生产的一种IGBT门极驱动光耦合器，其内部集成集电极发射极电压欠饱和检测电路及故障状态反馈电路，为驱动电路的可靠工作提供了保障。其特性为：兼容CMOS/TYL电平；光隔离，故障状态反馈；开关时间最大500ns；“软”IGBT关断；欠饱和检测及欠压锁定保护；过流保护功能；宽工作电压范围(15～30V)；用户可配置自动复位、自动关闭。DSP与该耦合器结合实现IGBT的驱动，使得IGBT VCE欠饱和检测结构紧凑，低成本且易于实现，同时满足了宽范围的安全与调节需要。

HCPL-316J保护功能的实现

　　HCPL-316J内置丰富的IGBT检测及保护功能，使驱动电路设计起来更加方便，安全可靠。其中下面详述欠压锁定保护(UVLO) 和过流保护两种保护功能的工作原理：

(1)IGBT欠压锁定保护(UVLO)功能

　　在刚刚上电的过程中，芯片供电电压由0V逐渐上升到最大值。如果此时芯片有输出会造成IGBT门极电压过低，那么它会工作在线性放大区。HCPL316J芯片的欠压锁定保护的功能(UVLO)可以解决此问题。当VCC与VE之间的电压值小于12V时，输出低电平，以防止IGBT工作在线性工作区造成发热过多进而烧毁。示意图详见图1中含UVLO部分。

图1 HCPL-316J内部原理图

(2)IGBT过流保护功能

　　HCPL-316J具有对IGBT的过流保护功能，它通过检测IGBT的导通压降来实施保护动作。同样从图上可以看出，在其内部有固定的7V电平，在检测电路工作时，它将检测到的IGBT C～E极两端的压降与内置的7V电平比较，当超过7V时，HCPL-316J芯片输出低电平关断IGBT，同时，一个错误检测信号通过片内光耦反馈给输入侧，以便于采取相应的解决措施。在IGBT关断时，其C～E极两端的电压必定是超过7V的，但此时，过流检测电路失效，HCPL-316J芯片不会报故障信号。实际上，由于二极管的管压降，在IGBT的C～E 极间电压不到7V时芯片就采取保护动作。
　　
驱动电路方案设计

　　驱动电路的主要逻辑部件是芯片HCPL-316J。它控制IGBT管的导通、关断并且保护IGBT。它的输出功能可以简略的用下面的逻辑功能表来描述。(详见表1)

表1 HCPL-316J逻辑功能表

　　表格中最后一列为输出。当输出为High时IGBT导通，否则IGBT关断。IGBT导通需要同时具备最后一行的五个条件，缺一不可，即同相输入为高；反相输入为低；欠压保护功能无效；未检测到IGBT故障，无故障反馈信号或故障反馈信号已被清除。
　　根据上述输出控制功能，设计电路如图2。

图2 IGBT驱动电路

　　整个电路板的作用相当于一个光耦隔离放大电路。它的核心部分是芯片HCPL-316J，其中由控制器(DSP-TMS320F2812)产生XPWM1及XCLEAR*信号输出给HCPL-316J，同时HCPL-316J产生的IGBT故障信号FAULT*给控制器。同时在芯片的输出端接了由NPN和PNP组成的推挽式输出电路,目的是为了提高输出电流能力，匹配IGBT驱动要求。

　　当HCPL-316J输出端VOUT输出为高电平时，推挽电路上管(T1)导通，下管(T2)截止，三端稳压块LM7915输出端加在IGBT门极(VG1)上，IGBT VCE为15V，IGBT导通。当HCPL-316J输出端VOUT输出为低电平时，上管(T1)截止，下管(T1)导通，VCE为-9V，IGBT关断。以上就是IGBT的开通关断过程。

结语

　　IGBT对驱动电路有一些特殊要求，驱动电路性能的优劣是其可靠工作、正常运行的关键所在，高性能驱动电路的开发和设计是其应用的难点。本文详细分析了IGBT栅极驱动电路的特性，设计了一个采用HCPL-316J门极驱动光耦合器为核心的IBGT驱动电路。实际中应用于驱动Eupec公司200A/600V的低损耗IGBT模块，取得了很好的效果。