CN106026620A - 基于hcpl-316j芯片的igbt驱动电路及开关电路 - Google Patents

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杨娜
宋斌
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王楠
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Abstract

一种基于HCPL‑316J芯片的IGBT驱动电路，包括控制器模块、HCPL‑316J芯片、过电流保护模块和过电压保护模块，其中控制器模块与HCPL‑316J芯片的VIN+、和引脚相连，过电流保护模块的输入端与HCPL‑316J芯片的第十四引脚DESAT相连而输出端C端口与IGBT的集电极C相连，过电流保护模块包括至少一个相互串联的反向二极管，过电压保护模块包括两个开关三极管组成的推挽电路、第一稳压管ZD1、第二稳压管ZD2、第三稳压管ZD3以及两个电阻R6和R7，第一稳压管ZD1的正极接地，第二稳压管ZD2和第三稳压管(ZD3)的正极相连，电阻R6和R7的一端分别与两个开关三极管的发射集相连而另一端G端口与IGBT的门极G相连，第一稳压管ZD1的负极E端口与IGBT的发射极E相连。具有外围电路简单、工作稳定性和可靠性高的优点。

Description

基于HCPL-316J芯片的IGBT驱动电路及开关电路
技术领域
本发明涉及了电力电子领域中的绝缘栅双极型晶体管(IGBT—InsulatedGate Bipolar Transistor)的驱动技术，特别涉及到一种基于HCPL-316J芯片的IGBT驱动电路。
背景技术
绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)工作安全，它集功率晶体管GTR和功率场效应管MOSFET的优点于一身，具有自关断、开关频率高(10-40kHz)的特点，是目前发展最为迅速的新一代电力电子器件。其中IGBT的驱动和保护是其应用中的关键技术之一。
目前大多数的驱动集成电路采用直接驱动或隔离驱动的方式。常用的IGBT驱动模块存在外围电路复杂、保护功能欠缺、工作稳定性和可靠性不足等缺陷。
IGBT作为产品核心部件，其驱动电路是否可靠安全关系着整个设备的运行。根据IGBT的静态特性、开关暂态特性并考虑其允许的安全工作区，IGBT工作时门极驱动保护电路应满足：提供足够的栅极电压来开通IGBT，并在开通期间保持这个电压；在最初开通阶段，提供足够的栅极驱动电流来减少开通损耗和保证IGBT的开通速度；在关断期间，提供一个反向偏置电压来提高IGBT抗暂态du/dt的能力和抗EMI噪声的能力并减少关断损耗；；在短路故障发生时，驱动电路能通过合理的栅极电压动作进行IGBT保护，并发出故障信号到控制系统。
因此，致力于IGBT驱动电路及其应用电路的研究，研制出具有高性能的IGBT驱动电路，具有重要的理论意义和实际应用价值，将产生巨大的社会效益和经济效益，然而现有的驱动电路具有外围电路复杂、保护功能欠缺、工作稳定性和可靠性不足这些缺陷。
发明内容
本发明为解决上述问题，提出了一种基于HCPL-316J芯片的IGBT驱动电路及含有该电路的开关电路，利用Agilent公司生产的一种光电耦合IGBT门极驱动器件HCPL-316J芯片可以提供快速本地故障检测和关闭电路。
一种基于HCPL-316J芯片的IGBT驱动电路，用于驱动绝缘栅双极型晶体管IGBT，其特征在于：
包括控制器模块、HCPL-316J芯片、过电流保护模块和过电压保护模块，
控制器模块与HCPL-316J芯片的VIN+、和引脚相连，
过电流保护模块的输入端与HCPL-316J芯片的第十四引脚DESAT相连而输出端C端口与IGBT的集电极C相连，过电流保护模块包括至少一个相互串联的反向二极管，
过电压保护模块包括两个开关三极管组成的推挽电路、第一稳压管ZD1、第二稳压管ZD2、第三稳压管ZD3以及两个电阻R6和R7，第一稳压管ZD1的正极接地，第二稳压管ZD2和第三稳压管(ZD3)的正极相连，电阻R6和R7的一端分别与两个开关三极管的发射集相连而另一端G端口与IGBT的门极G相连，第一稳压管ZD1的负极E端口与IGBT的发射极E相连。
本发明提供的基于HCPL-316J芯片的IGBT驱动电路，还可以具有这样的特征：其中，控制器模块为DSP或FPGA或DSP、FPGA的联合单元，控制器模块用于发生PWM脉冲。
本发明提供的基于HCPL-316J芯片的IGBT驱动电路，还可以具有这样的特征：其中，在HCPL-316J芯片和控制器模块、HCPL-316J芯片和过电流保护模块、HCPL-316J芯片和过电压保护模块之间设置有用于提供开关转换过程中需要大量瞬态电流的旁路电容。
本发明提供的基于HCPL-316J芯片的IGBT驱动电路，还可以具有这样的特征：其中，旁路电容为陶瓷或云母电容，容值为0.01-0.1uF。
本发明提供的基于HCPL-316J芯片的IGBT驱动电路，还可以具有这样的特征：其中，HCPL-316J芯片的第十六引脚VE和第九、十引脚VEE中串联有电容C3，用于充电延时。
本发明还提供一种IGBT开关电路，其特征在于，包括：上述的HCPL-316J芯片的IGBT驱动电路；至少一个IGBT，IGBT的集电极C、门极G、发射极E与IGBT驱动电路的C端口、G端口、E端口分别连接。
发明作用与效果
根据本发明提供的基于HCPL-316J芯片的IGBT驱动电路，HCPL-316J芯片通过内置的高速、高输出电流驱动器进行输入和输出，同时对相连的IGBT进行去饱和检测和关闭，更利用光学隔离来实现故障状态反馈信号与高电压之间的光隔离。
进一步地，推挽电路和过电压保护模块的设计和引入，使得输出电压处于驱动电源电压的稳定范围内，也很好地控制IGBT集电极电压上升和下降时间。、简易化了硬件电路的设计工作，成本低。另外可以通过改变稳压管的规格来更好的控制检测IGBT短路电流的阈值，从而实现对不同规格的IGBT进行短路保护。
附图说明
图1是为本发明的基于HCPL-316J芯片的IGBT驱动电路的电路图；
图2是通过实际运行得到的输出脉冲波形图与计算得到的波形图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的基于HCPL-316J芯片的IGBT驱动电路的原理步骤使用效果作具体阐述。
实施例
图1是为本发明的基于HCPL-316J芯片的IGBT驱动电路的电路图。
本发明使用的芯片是Agilent公司生产的芯片HCPL-316J，芯片HCPL-316J通过高速、高输出电流驱动器，输入和输出，本地IGBT去饱和检测和关闭，以及光学隔离故障状态反馈信号之间高电压光隔离这些功能组合成一个16引脚的封装芯片。当芯片正常工作时，桥臂所需的脉冲信号由控制器发出至第二引脚VIN-，来正常驱动桥臂。
附图1是基于HCPL-316J芯片的IGBT驱动电路。HCPL-316J内部集成集电极-发射极电压(VCE)欠饱和检测电路及故障状态反馈电路，具备过流软关断、高速光耦隔离、欠压锁定、故障信号输出的功能，兼容CMOS/TTL电平，采用重复合达林顿管集电极开路输出，可驱动150A/1200V的IGBT，最大开关时间500ns，“软”IGBT关断，工作电压范围15～30V。
如图1所示，一种基于HCPL-316J芯片的IGBT驱动电路，其特征在于，利用Agilent公司生产的HCPL-316J芯片设计新型的IGBT驱动模块，由四部分组成：控制器模块、HCPL-316J芯片、过电流保护模块和过电压保护模块。
控制器模块与HCPL-316J芯片20的VIN+、和引脚相连，可发出多路PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)波，并接收反馈信号，同时还能重置芯片HCPL-316J。过电流保护模块是HCPL-316J芯片的第十四引脚DESAT通过四个反向二极管与三极管的集电极相连，防止过流反向击穿，向控制器模块发出过流保护信号；过电压保护模块是有两个开关管、第一稳压管ZD1、第二稳压管ZD2和第三稳压管ZD3构成，当Q1开通时，能使VGE电压钳位在0～15V之间；当Q2开通时，由于第一稳压管ZD1的存在，也可达到一个快速放电的目的。
控制器模块可以为DSP或FPGA，现有的DSP最多能产生12路独立的PWM脉冲，当实际需要的PWM脉冲超过12路时，可以采用DSP和FPGA相结合的控制方法，FPGA负责PWM脉冲的扩展。
HCPL-316J芯片的第十四引脚DESAT可以检测开关管IGBT的CE间电压VCE，输出端C端口与IGBT的集电极C相连。当DESAT引脚检测电流过大时，故障信号输出由引脚送至PWM的关闭端，HCPL-316J芯片及时关闭PWM输出。
过电压保护模块中由两个三极管串联组成的推挽电路，增大了驱动能力。电阻R6和R7的一端分别与两个三极管的发射极相连，另一端加在三极管的栅极，而另一端G端口与IGBT的门极G相连，用来限制栅极充电电流和间接控制IGBT集电极电压上升和下降时间。
过电压保护模块中包括三个稳压二极管，三个稳压二极管：第一稳压管ZD1的正极接地，第一稳压管ZD1的负极E端口与IGBT的发射极E相连，第二稳压管ZD2和第三稳压管ZD3的正极相连。当Q1开通时，能使VGE电压钳位在0～15V之间；当Q2开通时，由于第一稳压管ZD1的存在，也可达到一个快速放电的目的。
过电压保护模块中可以通过改变稳压管的规格很好的控制检测IGBT短路电流的阈值，可以对不同规格的IGBT进行短路保护。
图2是通过实际运行得到的输出脉冲波形图与计算得到的波形图。
如图2所示，上面为计算得到的波形图，下面为实际运行得到的输出脉冲波形图，根据本发明基于HCPL-316J芯片的IGBT驱动电路设计，通过观察本发明输出波形，可以清楚地看到本发明能够正常的驱动IGBT开关管，满足实际需求，解决实际问题。
将IGBT的C、G、E与上述的IGBT驱动电路的C、G、E端口连接，即形成了对应的IGBT开关电路。
实施例的作用和有益效果
根据本实施例提供的基于HCPL-316J芯片的IGBT驱动电路，HCPL-316J芯片通过内置的高速、高输出电流驱动器进行输入和输出，同时对相连的IGBT进行去饱和检测和关闭，更利用光学隔离来实现故障状态反馈信号与高电压之间的光隔离。
进一步地，推挽电路和过电压保护模块的设计和引入，使得输出电压处于驱动电源电压的稳定范围内，也很好地控制IGBT集电极电压上升和下降时间。、简易化了硬件电路的设计工作，成本低。另外可以通过改变稳压管的规格来更好的控制检测IGBT短路电流的阈值，从而实现对不同规格的IGBT进行短路保护。
进一步地，由于控制器模块为DSP或FPGA或DSP、FPGA的联合单元，这样的选择是基于技术成熟度和成本所做的最优选择。
另外，旁路电容负责提供开关转换过程中所需要大量瞬态电流，保证了整个电路的正常运行。

Claims (6)

1.一种基于HCPL-316J芯片的IGBT驱动电路，用于驱动绝缘栅双极型晶体管IGBT，其特征在于：
包括控制器模块、HCPL-316J芯片、过电流保护模块和过电压保护模块，
其中，所述控制器模块与HCPL-316J芯片的VIN+、和引脚相连，
所述过电流保护模块的输入端与HCPL-316J芯片的第十四引脚DESAT相连而输出端C端口与所述IGBT的集电极C相连，所述过电流保护模块包括至少一个相互串联的反向二极管，
所述过电压保护模块包括两个开关三极管组成的推挽电路、第一稳压管ZD1、第二稳压管ZD2、第三稳压管ZD3以及两个电阻R6和R7，第一稳压管ZD1的正极接地，第二稳压管ZD2和第三稳压管(ZD3)的正极相连，电阻R6和R7的一端分别与两个所述开关三极管的发射集相连而另一端G端口与IGBT的门极G相连，第一稳压管ZD1的负极E端口与IGBT的发射极E相连。
2.根据权利要求1所述的基于HCPL-316J芯片的IGBT驱动电路，其特征在于：
其中，所述控制器模块为DSP或FPGA或DSP、FPGA的联合单元，所述控制器模块用于发送PWM脉冲。
3.根据权利要求1所述的基于HCPL-316J芯片的IGBT驱动电路，其特征在于：
其中，在所述HCPL-316J芯片和所述控制器模块、所述HCPL-316J芯片和所述过电流保护模块、所述HCPL-316J芯片和所述过电压保护模块之间设置有用于提供开关转换过程中需要大量瞬态电流的旁路电容。
4.根据权利要求3所述的基于HCPL-316J芯片的IGBT驱动电路，其特征在于：
其中，所述旁路电容为陶瓷或云母电容，容值为0.01-0.1uF。
5.根据权利要求1所述的基于HCPL-316J芯片的IGBT驱动电路，其特征在于：
其中，所述HCPL-316J芯片的第十六引脚VE和第九、十引脚VEE中串联有电容C3，用于充电延时。
6.一种IGBT开关电路，其特征在于，包括：
权利要求1-5中任意一项所述的基于HCPL-316J芯片的IGBT驱动电路；
至少一个IGBT，所述IGBT的集电极C、门极G、发射极E与所述IGBT驱动电路的C端口、G端口、E端口分别连接。
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