一种基于HCPL-316J的IGBT驱动电路设计

摘要：在较复杂的变流系统中，主控系统的延滞会影响IGBT模块故障保护的时效性，造成保护失败。针对这种情况，本文采用光耦驱动芯片HCPL-316J和DSP芯片设计了一种IGBT驱动电路，当光耦芯片故障信号发出后立即封锁IGBT驱动信号，完全消除了主控程序运行时长对故障保护的影响。通过模拟过流实验和实际应用表明，本设计故障保护响应迅速，运行稳定可靠。

引言
光耦驱动芯片HCPL-316J是Agilent公司[编者注：2014年8月更名为keysight(是德)公司]生产的栅极驱动电路产品之一，可用于驱动150A/1200V的IGBT，开关速度为0.5μs，有过流检测和欠电压封锁输出。当过电流发生时，能输出故障信号(供保护用)，并使IGBT软关断[1]。近年来，HCPL-316J的应用研究得到了重视，从目前公开发表的文献来看，研究主要侧重于输出电路部分，重点是过流软关断的原理、工作过程和实用电路设计，对故障信号反馈端和控制信号输入端的应用研究不多。在文献[2-7]中均提到将故障信号反馈给主控芯片，但没有深入的研究如何充分利用该信号端提高驱动电路的整体性能。
光耦HCPL-316J的过流保护具有自锁功能，并可设定保护盲区，能有效防止IGBT在工作中瞬时过流而使保护误动作[7]。当过流是由故障引起的，驱动电路将故障信号反馈给主控DSP，主控芯片接收到故障信号后，封锁系统中所有驱动芯片的控制信号，实现故障保护。但在实际应用过程中，某些系统的主控程序复杂，运行时间长，造成故障信号发出后，系统不能及时封锁所有IGBT的驱动电路，部分IGBT模块仍然强行工作，引发严重的后果。
本文针对上述问题设计了一种IGBT驱动电路，不仅具备可靠的过流软关断功能，而且故障保护响应及时，不受主控程序运行时间延滞的影响。

1 应用电路设计

1.1 设计思路

HCPL-316J有Vin+、Vin-两个控制信号输入端。常见的应用思路是将PWM信号从其中一个输入端引入，另一个输入端的电平始终保持不变，如图1 所示。这样，只要主控芯片有PWM信号输出，HCPL-316J就能驱动IGBT工作。这种应用方式实际上是在两个输入端中选择一个使用，另一个端子的功能没有得到充分的利用。


本文设计的IGBT驱动电路，PWM信号从Vin- 输入，Vin+ 输入端与HCPL-316J的故障报警反馈端相连，如图2所示。HCPL-316J的故障报警是低电平有效，正常工作时，故障报警输出端是高电平，Vin+ 端也是高电平，PWM信号能从Vin-输入到HCPL-316J内部。当HCPL-316J检测到故障时，故障报警反馈端输出低电平，Vin+ 端电平被拉抵，PWM信号不能从Vin-输入到HCPL-316J内部。

1.2 应用电路实现

图3为IGBT驱动电路原理图，图中两个光耦芯片各自驱动一个IGBT模块，当有更多个光耦芯片时，参照此图进行连接。以其中的HCPL-316J(1)芯片为例，其输出电路主要分为以下三个部分：R3、R4、R5、Q1、Q2组成的栅极推挽驱动电路;R2、D2组成的过流检测电路;D3、C2、C3、C4组成的保护电路。输出电路主要用于实现对IGBT的推挽驱动和过流检测，相关原理和应用在文献[2-7]中已有详细介绍，这里不再赘述。


原理图中的PWM控制信号由主控芯片DSP生成，从光耦的Vin-端输入，同时，所有光耦使用同一个复位信号RESET。每个光耦的故障信号输出反馈端接一个钳位二极管(如图3中的D1、D4)，钳位二极管阴极接光耦输出端，所有钳位二极管的阳极连接成一点，作为驱动模块总故障信号FAULT。FAULT信号线又连接到所有光耦的Vin+端，同时经限流电路R1接+5V电源。系统正常工作时，光耦的Vin+端和FAULT信号线均呈现高电平，钳位二极管处于截止状态，PWM控制信号从Vin-端输入到光耦内部，光耦在DSP的控制下驱动IGBT工作。
当某一个光耦芯片检测到故障时，其故障输出反馈端呈现低电平，端子上的钳位二极管导通，总故障信号FAULT变低，向主控芯片发出故障报警信号，同时所有光耦芯片的Vin+端被钳定在低电平，Vin-端子上的PWM信号无法输入到光耦内部，在第一时间封锁所有光耦的输入，IGBT失去驱动信号而停止工作，实现了对IGBT模块的故障快速保护功能。显然，在主控芯片封锁PWM控制信号之前，驱动电路已经阻止PWM信号的输入，这样就解决了主控程序运行时长对故障保护时效性的影响。

2 实验

实验电路中主控DSP选用的是TMS320F2812，IGBT选用FS100R12KT3模块，推挽电路中的NPN管选用MJD44H11G，PNP管选用MJD45H11G，其它元件参数配置如下：R1=R2=R6=10kΩ，R3=R4=R5=R7=R8=R9=10Ω，C1=C5=330pF，C2=C3=C6=C7=0.1μF，C4=C8=100pF。
为验证过流保护的时效应，在HCPL-316J(1)芯片DESAT端突加一个电压信号，模拟系统过流故障状态，在4通道示波器DSOX2004A上观察到的实验波形如图4所示。当VDESAT1>7V时，HCPL-316J(1)芯片进入过流软关断的工作过程，将自身驱动的IGBT(1)软关断，同时发出故障报警信号， VFAULT信号由高变低。一旦VFAULT变为低电平，HCPL-316J(2)芯片的输出VGE2电压信号立即下降为零，第一时间关断IGBT(2)，实现故障快速保护，而主控DSP在经过2μs后才封锁控制信号PWM2。


3 结论
本文设计的基于HCPL-316J的IGBT驱动电路重点在于对HCPL-316J的信号输入端Vin+、Vin-和故障信号反馈端FAULT的应用研究，实验结果表明本设计能充分保证故障保护的快速性，尤其适用于控制系统复杂，主控程序运行时间较长的场所。
本驱动电路已成功应用于储能变流器中蓄电池逆变电源系统，无故障时逆变模块能稳定连续运行，过流故障时能快速实现保护，大大降低了逆变模块关键元器件损坏的机率。

参考文献：
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