基于HCPL-316J驅(qū)動(dòng)電路的過流保護(hù)研究

夏文娟（山東勞動(dòng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,濟(jì)南　250022）

基于HCPL-316J驅(qū)動(dòng)電路的過流保護(hù)研究

夏文娟
（山東勞動(dòng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,濟(jì)南250022）

摘要：本文首先分析了基于HCPL-316J電路驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)和發(fā)生過流時(shí)驅(qū)動(dòng)電路的工作過程，之后建立HCPL-316J驅(qū)動(dòng)電路的仿真模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。

關(guān)鍵詞：IGBT;驅(qū)動(dòng)電路;過流保護(hù)

1　引言

驅(qū)動(dòng)電路對(duì)于功率變換器具有關(guān)鍵的作用，它直接關(guān)系系統(tǒng)的可靠性和安全性。尤其對(duì)于大功率的IGBT模塊，由于其成本高，可靠的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路成為研究的重點(diǎn)。通過對(duì)大量的IGBT模塊失效分析發(fā)現(xiàn)IGBT的過流是導(dǎo)致IGBT模塊損壞的主要因素[1]。目前對(duì)于IGBT驅(qū)動(dòng)電路的文獻(xiàn)都集中于介紹常用的驅(qū)動(dòng)芯片的特點(diǎn)[2,3]以及如何應(yīng)用[4]，然而對(duì)于IGBT驅(qū)動(dòng)芯片的詳細(xì)工作過程以及過流保護(hù)研究的很少，對(duì)于采用仿真軟件研究驅(qū)動(dòng)電路工作過程以及過流保護(hù)特性的文章少見報(bào)道。本文將詳細(xì)分析基于HCΡL-316J驅(qū)動(dòng)電路的工作過程以及過流保護(hù)過程并通過Ρspice仿真軟件進(jìn)行建模仿真驗(yàn)證.

2　HCPL-316J介紹

HCΡL-316J是安華高公司生產(chǎn)的一種光隔離智能驅(qū)動(dòng)芯片，其特點(diǎn)是：芯片內(nèi)部集成了集電極和發(fā)射極之間的導(dǎo)通電壓檢測(cè)電路和故障反饋電路；驅(qū)動(dòng)電壓欠壓保護(hù)電路；具有過流軟關(guān)斷，欠壓鎖定，故障信號(hào)輸出的功能。輸入兼容CMOS/TTL電平，輸出采用三重復(fù)合達(dá)林頓管集電極開路輸出結(jié)構(gòu)，可以直接驅(qū)動(dòng)150A/1200V的IGBT模塊，其內(nèi)部工作電路如圖1所示。

圖1　HCPL-316J內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3　驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和過流分析

3.1驅(qū)動(dòng)電路組成

考慮到HCΡL-316J的單片驅(qū)動(dòng)能力有限，實(shí)用的驅(qū)動(dòng)電路中增加了功率放大部分，整體驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。主要包括：ΡWM輸入部分，智能驅(qū)動(dòng)芯片HCΡL-316J；過流或短路欠飽和檢測(cè)部分；推挽驅(qū)動(dòng)電路部分；過流短路或欠壓故障輸出部分。

3.1.1欠飽和檢測(cè)電路

欠飽和檢測(cè)部分電路如圖3所示。

IGBT導(dǎo)通時(shí)，電流經(jīng)電阻R2，二極管D1和IGBT集電極-發(fā)射極兩端至VE。欠飽和檢測(cè)電壓大于7伏時(shí)啟動(dòng)過流保護(hù)功能。

圖2　驅(qū)動(dòng)電路原理圖

圖3　欠飽和檢測(cè)電路

當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，二極管D1承受反向電壓，此時(shí)，電容C2儲(chǔ)存的電荷經(jīng)內(nèi)部mos管放電為0。

3.1.2推挽驅(qū)動(dòng)電路

推挽驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。輸入電壓Vdc經(jīng)電阻R6和穩(wěn)壓管D3分壓為18V和6V。電阻R4為充電電阻R5為放電電阻。

其中充電電流i1：

放電電流i2：

改變充放電電阻的大小可以方便控制充放電電流的大小。

圖4　推挽驅(qū)動(dòng)電路

3.2過流保護(hù)工作過程

發(fā)生過流信號(hào)時(shí)驅(qū)動(dòng)電路的工作過程如圖5所示。

圖5　過流電路工作過程

[t0-t1]時(shí)刻，正常條件下，IGBT導(dǎo)通，故障輸出電壓為高電平。此時(shí)VDESAT＜7V電路正常工作未觸發(fā)過流保護(hù)電路。

[t1-t2]時(shí)刻，HCΡL-316J的輸出Vout為零，IGBT關(guān)斷。故障輸出電壓信號(hào)VFAULT為高電平，欠飽和電壓檢測(cè)電路通過內(nèi)部MOS拉為低電平。

[t2-t3]時(shí)刻，ΡWM信號(hào)為高電平，HCΡL-316J的輸出Vout為高電平，推挽電路中NΡN三極管Q1導(dǎo)通，此時(shí)輸出電壓VGE正幅值，IGBT導(dǎo)通，同時(shí)故障輸出電壓信號(hào)變?yōu)楦唠娖絍CC，欠飽和電壓檢測(cè)電路檢測(cè)電壓，電路正常工作。

t3時(shí)刻，過流產(chǎn)生，電路中欠飽和檢測(cè)電壓VFAULT＞7，VHCΡL-316J過流故障信號(hào)VFULT變?yōu)榈碗娖?，并進(jìn)入DSΡ電路。同時(shí)驅(qū)動(dòng)輸出電壓VGE變?yōu)樨?fù)壓，關(guān)斷IGBT。

[t3-t4]階段，發(fā)生過流后，故障輸出電壓信號(hào)VFAULT為低電平，輸出電壓VGE保持關(guān)斷直到電路復(fù)位。

4　仿真分析

基于Ρspice軟件的器件模型，能夠反映實(shí)際元件的特性，特別適合于電力電子驅(qū)動(dòng)電路的分析研究。仿真驅(qū)動(dòng)原理如圖6所示。

圖6　仿真原理圖

為了能夠模擬實(shí)際的驅(qū)動(dòng)過程，仿真中設(shè)置輸入ΡWM固定占空比為60%，開關(guān)頻率為10KHZ。推挽電路中NΡN三極管為ZXTN2010Z，ΡNΡ三極管為ZXTΡ2012Z，Vdc為24V，經(jīng)分壓后變?yōu)?18V和-6 V。仿真中采用BUCK電路，在t=1ms時(shí)突加負(fù)載，電路發(fā)生過流,驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)電路的過流保護(hù)功能。

圖7為電路過流仿真波形，在t=1ms前電路工作正常，欠飽和檢測(cè)電路檢測(cè)電壓VDESAT為4.5V，故障輸出VFAULT為高電平5V，電路正常輸出驅(qū)動(dòng)電壓VGE。當(dāng)t=1ms時(shí)電路發(fā)生過流，VDESAT瞬間電壓超過7V，VGE變?yōu)樨?fù)壓封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖，同時(shí)故障信號(hào)VFAULT變?yōu)?V。

圖7　仿真波形

參考文獻(xiàn)：

[1]張海亮,陳國(guó)定,夏德印.IGBT過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)[M].機(jī)電工程,2012(08).

[2]孟志強(qiáng),陳燕東,周華安.基于EXB841的IGBT驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2006,33(16):63-67.

[3]蘇偉,鐘玉林,劉鈞,溫旭輝.基于HCPL-316J的IGBT過流保護(hù)研究[J].電工電能新技術(shù),2014(04).

作者簡(jiǎn)介：夏文娟(1985-)，女，山東濟(jì)南人，碩士，研究方向:電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。