中心議題：

• 熟悉IGBT的工作特性
• 了解IGBT電力電子裝置應用

解決方案：

• 利用l700v，200～300A的IGBT的驅動電路
• 實現了對兩個IGBT(同一橋臂)的互鎖

IGBT在以變頻器及各類電源為代表的電力電子裝置中得到了廣泛應用。IGBT集雙極型功率晶體管和功率MOSFET的優點於一體，具有電壓控製、輸入阻抗大、驅動功率小、控製電路簡單、開關損耗小


、通斷速度快和工作頻率高等優點。

但是
，IGBT和其它電力電子器件一樣
，其應用還依賴於電路條件和開關環境。因此，IGBT的驅動和保護電路是電路設計的難點和重點，是整個裝置運行的關鍵環節。

為解決IGBT的可靠驅動問題
，國外各IGBT生產廠家或從事IGBT應用的企業開發出了眾多的IGBT驅動集成電路或模塊
，如國內常用的日本富士公司生產的EXB8係列
，三菱電機公司生產的M579係列
，美國IR公司生產的IR21係列等。但是，EXB8係列、M579係列和IR21係列沒有軟關斷和電源電壓欠壓保護功能，而惠普生產的HCLP一316J有過流保護

、欠壓保護和1GBT軟關斷的功能，且價格相對便宜，因此
，本文將對其進行研究，並給出1700V
，200～300A  IGBT的驅動和保護電路。

1 IGBT的工作特性

IGBT是一種電壓型控製器件，它所需要的驅動電流與驅動功率非常小

，可直接與模擬或數字功能塊相接而不須加任何附加接口電路。IGBT的導通與關斷是由柵極電壓UGE來控製的，當UGE大於開啟電壓UGE(th)時IGBT導通
，當柵極和發射極間施加反向或不加信號時，IGBT被關斷。

IGBT與普通晶體三極管一樣，可工作在線性放大區、飽和區和截止區
，其主要作為開關器件應用。在驅動電路中主要研究IGBT的飽和導通和截止兩個狀態

，使其開通上升沿和關斷下降沿都比較陡峭。

2 IGBT驅動電路要求

在設計IGBT驅動時必須注意以下幾點。

1)柵極正向驅動電壓的大小將對電路性能產生重要影響，必須正確選擇。當正向驅動電壓增大時，．IGBT的導通電阻下降，使開通損耗減小；但若正向驅動電壓過大則負載短路時其短路電流IC隨UGE增大而增大，可能使IGBT出現擎住效應
，導致門控失效，從而造成IGBT的損壞
；若正向驅動電壓過小會使IGBT退出飽和導通區而進入線性放大區域，使IGBT過熱損壞
；使用中選12V≤UGE≤18V為好。柵極負偏置電壓可防止由於關斷時浪湧電流過大而使IGBT誤導通
，一般負偏置電壓選一5V為宜。另外
，IGBT開通後驅動電路應提供足夠的電壓和電流幅值
，使IGBT在正常工作及過載情況下不致退出飽和導通區而損壞。

2)IGBT快速開通和關斷有利於提高工作頻率，減小開關損耗。但在大電感負載下IGBT的開關頻率不宜過大，因為高速開通和關斷時
，會產生很高的尖峰電壓
，極有可能造成IGBT或其他元器件被擊穿。

3)選擇合適的柵極串聯電阻RG和柵射電容CG對IGBT的驅動相當重要。RG較小，柵射極之間的充放電時間常數比較小
，會使開通瞬間電流較大
，從而損壞IGBT
；RG較大，有利於抑製dvce／dt，但會增加IGBT的開關時間和開關損耗。合適的CG有利於抑製dic／dt
，CG太大，開通時間延時，CG太小對抑製dic／dt效果不明顯。

4)當IGBT關斷時，柵射電壓很容易受IGBT和(he)電(dian)路(lu)寄(ji)生(sheng)參(can)數(shu)的(de)幹(gan)擾(rao)，使(shi)柵(zha)射(she)電(dian)壓(ya)引(yin)起(qi)器(qi)件(jian)誤(wu)導(dao)通(tong)
，為(wei)防(fang)止(zhi)這(zhe)種(zhong)現(xian)象(xiang)發(fa)生(sheng)，可(ke)以(yi)在(zai)柵(zha)射(she)間(jian)並(bing)接(jie)一(yi)個(ge)電(dian)阻(zu)。此(ci)外(wai)，在(zai)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)為(wei)防(fang)止(zhi)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)出(chu)現(xian)高(gao)壓(ya)尖(jian)峰(feng)
，最(zui)好(hao)在(zai)柵(zha)射(she)間(jian)並(bing)接(jie)兩(liang)隻(zhi)反(fan)向(xiang)串(chuan)聯(lian)的(de)穩(wen)壓(ya)二(er)極(ji)管(guan)
，其(qi)穩(wen)壓(ya)值(zhi)應(ying)與(yu)正(zheng)負(fu)柵(zha)壓(ya)相(xiang)同(tong)。
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3 HCPL-316J驅動電路

3.1 HCPL-316J內部結構及工作原理

若IGBT出現過流信號(腳14檢測到IGBT集電極上電壓=7V)，而輸入驅動信號繼續加在腳1，欠壓信號為低電平，B點輸出低電平
，三級達林頓管被關斷

，1×DMOS導通，IGBT柵射集之間的電壓慢慢放掉，實現慢降柵壓。當VOUT=2V時，即VOUT輸出低電平，C點變為低電平
，B點為高電平，50×DMOS導通，IGBT柵射集迅速放電。故障線上信號通過光耦
，再經過RS觸發器，Q輸出高電平，使輸入光耦被封鎖。同理可以分析隻欠壓的情況和即欠壓又過流的情況。

3.2驅動電路設計

HCPL-316J左邊的VIN+，FAULT和RESET分別與微機相連。R7，R8，R9
，D5，D6和C12 起輸入保護作用
，防止過高的輸入電壓損壞IGBT，但是保護電路會產生約1μs延時

，在開關頻率超過100kHz時不適合使用。Q3最主要起互鎖作用，當兩路PWM信號(同一橋臂)都為高電平時，Q3導通，把輸入電平拉低，使輸出端也為低電平。圖3中的互鎖信號Interlock，和Interlock2分別與另外一個316J  Interlock2和Interlock1相連。R1和C2起到了對故障信號的放大和濾波，當有幹擾信號後，能讓微機正確接受信息。

在輸出端，R5和C7關係到IGBT開通的快慢和開關損耗，增加C7可以明顯地減小dic／dt。首先計算柵極電阻：其中ION為開通時注入IGBT的柵極電流。為使IGBT迅速開通
，設計，IONMAX值為20A。輸出低電平VOL=2v。C3是一個非常重要的參數，最主要起充電延時作用。當係統啟動，芯片開始工作時
，由於IGBT的集電極C端電壓還遠遠大於7V
，若沒有C3
，則會錯誤地發出短路故障信號
，使輸出直接關斷。當芯片正常工作以後
，假使集電極電壓瞬間升高，之後立刻恢複正常
，若沒有C3，則也會發出錯誤的故障信號
，使IGBT誤關斷。但是
，C3的取值過大會使係統反應變慢，而且在飽和情況下，也可能使IGBT在延時時間內就被燒壞，起不到正確的保護作用
，  C3取值100pF，其qi延yan時shi時shi間jian在zai集ji電dian極ji檢jian測ce電dian路lu用yong兩liang個ge二er極ji管guan串chuan連lian，能neng夠gou提ti高gao總zong體ti的de反fan向xiang耐nai壓ya，從cong而er能neng夠gou提ti高gao驅qu動dong電dian壓ya等deng級ji，但dan二er極ji管guan的de反fan向xiang恢hui複fu時shi間jian要yao很hen小xiao，且qie每mei個ge反fan向xiang耐nai壓ya等deng級ji要yao為wei1000V
，一般選取BYV261E
，反向恢複時間75  ns。R4和C5的作用是保留HCLP-316J出現過流信號後具有的軟關斷特性，其原理是C5通過內部MOSFET的放電來實現軟關斷。圖3中輸出電壓VOUT經過兩個快速三極管推挽輸出，使驅動電流最大能達到20A
，能夠快速驅動1700v、200-300A的IGBT。

3．3驅動電源設計

在驅動設計中，穩定的電源是IGBTnengfouzhengchanggongzuodebaozheng。dianyuancaiyongzhengjibianhuan
，kangganraonenglijiaoqiang，fubianbujialvbodiangan，shuruzukangdi

，shizaizhongfuzaiqingkuangxiadianyuanshuchudianyarengranbijiaowending。

當s開通時，+12v(為比較穩定的電源
，精度很高)電壓便加到變壓器原邊和S相連的繞組，通過能量耦合使副邊經過整流輸出。當S關斷時，通過原邊二極管和其相連的繞組把磁芯的能量回饋到電源
，實現變壓器磁芯的複位。555定時器接成多諧振蕩器


，通過對C1的充放電使腳2和腳6的電位在4～8v之間變換，使腳3輸出電壓方波信號，並用方波信號來控製S的開通和關斷。+12v經過R1，D2給C1充電，其充電時間t1≈R1C2ln2；放電時間t2=R2C1ln2，充電時輸出高電平，放電時輸出低電平。所以占空比=t1／(t1+t2)。

變壓器按下述參數進行設計：原邊接+12v，頻率為60kHz
，工作磁感應強度Bw為O．15T，副邊+15v輸出2A，-5v輸出1 A，效率n=80％

，窗口填充係數Km為O．5，磁芯填充係數Kc為1，線圈導線電流密度d為3  A／mm2。則輸出功率 PT=(15+O．6)×2×2+(5+O．6)×1×2=64W。

由於帶載後驅動電源輸出電壓會有所下降，所以，在實際應用中考慮提高頻率和占空比來穩定輸出電壓。
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4 結語

本文設計了一個可驅動l700v，200～300A的IGBT的驅動電路。硬件上實現了對兩個IGBT(同一橋臂)的互鎖
，並設計了可以直接給兩個IGBT供電的驅動電源。

HCPL-316J可分為輸入IC(左邊)和輸出IC(右邊)二部分

，輸入和輸出之間完全能滿足高壓大功率IGBT驅動的要求。

各引腳功能如下：

腳1(VIN+)正向信號輸入
；

腳2(VIN-)反向信號輸入；

腳3(VCG1)接輸入電源；

腳4(GND)輸入端的地；

腳5(RESERT)芯片複位輸入端
；

腳6(FAULT)

故障輸出，當發生故障(輸出正向電壓欠壓或IGBT短路)時
，通過光耦輸出故障信號

；

腳7(VLED1+)光耦測試引腳
，懸掛；

腳8(VLED1-)接地；

腳9
，腳10(VEE)給IGBT提供反向偏置電壓
；

腳11(VOUT)輸出驅動信號以驅動IGBT；

腳12(VC)三級達林頓管集電極電源；

腳13(VCC2)驅動電壓源
；

腳14(DESAT) IGBT短路電流檢測；

腳15(VLED2+)光耦測試引腳，懸掛；

腳16(VE)輸出基準地。

若VIN+正常輸入，腳14沒有過流信號，且VCC2-VE=12v即輸出正向驅動電壓正常
，驅動信號輸出高電平
，故障信號和欠壓信號輸出低電平。首先3路信號共同輸入到JP3，D點低電平，B點也為低電平，50×DMOS處於關斷狀態。此時JP1的輸入的4個狀態從上至下依次為低
、高、低、低，A點高電平，驅動三級達林頓管導通
，IGBT也隨之開通。