基于HCPL-316J的IGBT過流保護(hù)研究

蘇 偉，鐘玉林，劉 鈞，溫旭輝

(1．中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京100190;2．中國(guó)科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190)

基于HCPL-316J的IGBT過流保護(hù)研究

蘇 偉1，2，鐘玉林1，2，劉 鈞1，2，溫旭輝1，2

(1．中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京100190;2．中國(guó)科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190)

針對(duì)IGBT模塊由于電流超出安全工作區(qū)而損壞的問題，設(shè)計(jì)了一種基于HCPL-316J驅(qū)動(dòng)芯片的低成本高可靠性 IGBT驅(qū)動(dòng)電路，詳細(xì)分析了過流保護(hù)時(shí)驅(qū)動(dòng)電路的工作過程，之后通過Pspice軟件建立了驅(qū)動(dòng)電路的仿真模型，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了驅(qū)動(dòng)電路過流保護(hù)理論分析和仿真模型的正確性。

IGBT驅(qū)動(dòng)電路;HCPL-316J;過流保護(hù)

1 引言

IGBT模塊在DC/DC變換器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用。然而實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)當(dāng)電路發(fā)生過流時(shí)，由于缺乏有效的保護(hù)，容易發(fā)生模塊的損壞。因此IGBT模塊的過流保護(hù)成為高可靠性控制器的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

IGBT發(fā)生過流時(shí)，如果硬關(guān)斷IGBT則在關(guān)斷瞬間，較大的di/dt引起很大的電壓尖峰導(dǎo)致IGBT模塊發(fā)生過壓損壞。因此，高可靠性的驅(qū)動(dòng)電路在發(fā)生過流時(shí)，需具有過流軟關(guān)斷的功能。過流軟關(guān)斷指發(fā)生過流時(shí)，既要實(shí)現(xiàn)IGBT模塊的快速保護(hù)，又要通過緩慢降低柵壓，減小電流的變化速率，降低關(guān)斷電壓尖峰，實(shí)現(xiàn)IGBT模塊的可靠保護(hù)。

然而目前驅(qū)動(dòng)電路相關(guān)文獻(xiàn)大多關(guān)注于電路的應(yīng)用，很少有專門詳細(xì)介紹驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)的工作過程。文獻(xiàn)［1］中僅僅簡(jiǎn)要分析了過流保護(hù)原理，未詳細(xì)介紹電路的工作狀態(tài)和過流保護(hù)的工作過程，也沒有過流軟關(guān)斷的功能。文獻(xiàn)［2-6］中主要集中于描述器件過流保護(hù)的應(yīng)用，沒有對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行詳細(xì)分析和仿真驗(yàn)證。然而在缺乏詳細(xì)理論和仿真分析的情況下，很難設(shè)計(jì)出高可靠性的電路。

本文針對(duì)以上問題設(shè)計(jì)了一種基于HCPL-316J的IGBT驅(qū)動(dòng)電路，詳細(xì)分析了發(fā)生過流時(shí)，啟動(dòng)過流保護(hù)并進(jìn)行軟關(guān)斷的過程。之后通過 Pspice對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行過流保護(hù)性能仿真。最后通過三相電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。該驅(qū)動(dòng)電路具有可靠的過流軟關(guān)斷功能，較低的成本和較小的體積等特點(diǎn)。

2 電路組成和過流軟關(guān)斷原理

2.1 驅(qū)動(dòng)電路組成

基于HCPL-316J驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示。電路主要由PWM輸入、過流故障輸出、過流檢測(cè)、過流軟關(guān)斷和推挽驅(qū)動(dòng)電路組成［7］。

圖1 驅(qū)動(dòng)電路框圖Fig．1 Block diagram of driving circuit

電路工作過程:DSP輸出PWM信號(hào)，經(jīng)PWM輸入模塊連接至HCPL-316J，通過其內(nèi)部光耦隔離，再經(jīng)推挽驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)IGBT模塊。當(dāng)IGBT模塊發(fā)生過流故障時(shí)，過流檢測(cè)電路檢測(cè)到故障信號(hào)，電路啟動(dòng)過流軟關(guān)斷功能，經(jīng)過緩慢降柵壓后，封鎖 IGBT驅(qū)動(dòng)脈沖，并發(fā)送故障信號(hào)至DSP。

2.2 過流軟關(guān)斷工作原理

基于HCPL-316J的驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。當(dāng)電路正常工作并發(fā)生過流時(shí)工作過程如圖3所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig．2 Proposed schematic diagram of drive circuit

圖3 過流保護(hù)時(shí)電路工作過程Fig．3 Operational procedures while OC protection occurs

［t0－t1］階段，輸入PWM信號(hào)Vin為高電平，推挽電路中三極管 Q1導(dǎo)通，輸出電壓 VGE為 +15V，IGBT導(dǎo)通，同時(shí)故障輸出電壓信號(hào)VFAULT保持高電平。此時(shí)過流檢測(cè)電路未觸發(fā)保護(hù)功能。過流檢測(cè)部分電路如圖4所示。

當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，內(nèi)部的電流源經(jīng)電阻 R2、二極管D1、穩(wěn)壓管D4和IGBT的CE兩端回流至VE端。IGBT導(dǎo)通時(shí)過流檢測(cè)電壓VDESAT:

式中，VR2為串聯(lián)電阻R2電壓;VD1為 串聯(lián)二極管D1正向?qū)▔航?VD4為 串聯(lián)穩(wěn)壓管 D4電壓; Vce(on)為 IGBT導(dǎo)通壓降。

圖4 過流檢測(cè)電路Fig．4 Detection circuit of over current

［t1－t2］階段，輸入PWM信號(hào)Vin為低電平，三極管Q2導(dǎo)通，輸出電壓VGE為－6V，IGBT關(guān)斷。過流檢測(cè)電路中二極管D1承受反壓，C2中儲(chǔ)存電荷，經(jīng)內(nèi)部MOS管放電，過流檢測(cè)電壓被各項(xiàng)工作箝位至0V。故障輸出電壓信號(hào)VFAULT為高電平。

［t2－t3］階段，輸入PWM信號(hào)Vin為高電平，三極管Q1導(dǎo)通，此時(shí)輸出電壓VGE為+15V，IGBT導(dǎo)通，故障輸出電壓信號(hào) VFAULT為高電平。過流檢測(cè)電壓VDESAT＜7V，電路正常工作。

［t3－t4］階段，t3時(shí)刻突然發(fā)生過流，過流檢測(cè)電壓VDESAT隨著電流的增大而增大，當(dāng)VDESAT≥7V時(shí)，電路開啟軟關(guān)斷功能。此段時(shí)間為電路發(fā)生過流保護(hù)響應(yīng)時(shí)間tBLANK:

式中，ICHG為輸出電流，典型為250μA;VDESAT為正常運(yùn)行時(shí)過流檢測(cè)電壓。

過流保護(hù)響應(yīng)時(shí)間為正常運(yùn)行到開啟過流保護(hù)軟關(guān)斷的時(shí)間，此段時(shí)間越短則保護(hù)越快速。

［t4－t5］階段，t4時(shí)刻開啟軟關(guān)斷電路，如圖5所示，此時(shí)VFAULT仍為高電平，芯片內(nèi)部50×DMOS管禁止，同時(shí)1×DMOS管被激活，C3經(jīng)R3和1× DMOS管放電，實(shí)現(xiàn)緩慢降低柵壓。當(dāng)C3電壓低于2V時(shí)，50×DMOS管開通，柵極電壓快速下降，VFAULT變?yōu)榈碗娖桨l(fā)送至DSP。

圖5 軟關(guān)斷電路Fig．5 Soft turn-off circuit

［t5－］階段，t5時(shí)刻電路中VGE為－6V，可靠關(guān)斷IGBT，等待電路復(fù)位。

3 仿真分析

為了能夠反應(yīng)實(shí)際工況中，IGBT驅(qū)動(dòng)電路工作狀態(tài)和各種保護(hù)功能。方便驅(qū)動(dòng)電路的分析和設(shè)計(jì)。通過Pspice軟件，建立 IGBT驅(qū)動(dòng)電路的仿真模型。仿真中設(shè)置輸入PWM為60%固定占空比，開關(guān)頻率 10kHz，推挽電路中 NPN三極管為ZXTN2010Z，PNP三極管為ZXTP2012Z，驅(qū)動(dòng)電壓由24V電源通過穩(wěn)壓管，分壓后變?yōu)?18V和－6V。

圖6所示為電路在0.52ms突加負(fù)載，此時(shí)電路中電流開始增大，過流檢測(cè)電壓VDESAT不斷增大，如圖6(a)所示。當(dāng)檢測(cè)到 VDESAT≥7V時(shí)，開啟軟關(guān)斷功能，驅(qū)動(dòng)電壓開始緩慢下降，防止因關(guān)斷條件下，由于較大的di/dt而引起的電壓尖峰如圖6(b)所示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓下降到2V左右時(shí)，故障輸出信號(hào)VFAULT變?yōu)榈碗娖讲l(fā)送至DSP如圖6(c)所示。仿真結(jié)果與原理分析相吻合。

圖6 過流仿真波形Fig．6 Simulation waveforms of over current

圖7(a)所示為正常驅(qū)動(dòng)關(guān)斷脈沖，關(guān)斷時(shí)間大約為1.5μs，圖7(b)所示為發(fā)生過流電路開啟軟關(guān)斷功能后波形，此時(shí)關(guān)斷時(shí)間3.5μs。仿真表明了當(dāng)發(fā)生過流時(shí)電路可以通過緩慢的降柵極電壓實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷IGBT模塊。

圖7 驅(qū)動(dòng)關(guān)斷電壓仿真波形Fig．7 Simulation waveforms of turn-off gate voltage

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證基于 HCPL-316J驅(qū)動(dòng)電路原理分析和仿真分析的正確性，搭建了以TMS320F2812為控制核心的永磁同步電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。系統(tǒng)采用6路相同的HCPL-316J設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路，設(shè)計(jì)輸入電壓300V，常溫下過流保護(hù)為230A。IGBT模塊采用英飛凌1200V/450A六合一封裝的 FS450R12KE4;過流檢測(cè)電路中R2為100 Ω，D1為4.7V穩(wěn)壓管，C2為100pF。此時(shí)電路發(fā)生過流保護(hù)最慢響應(yīng)時(shí)間tBLANK為2.8μs，保證了電路具有快速的響應(yīng)。

圖8為當(dāng)電路突加轉(zhuǎn)矩發(fā)生過流時(shí)實(shí)驗(yàn)波形。從圖8中看出電路正常工作時(shí)VDESAT＜7V，故障輸出信號(hào)VFAULT為5V。當(dāng)發(fā)生瞬間過流時(shí)，VDESAT電壓大于7V，VGE經(jīng)過軟關(guān)斷后被負(fù)壓箝位，封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖，軟關(guān)斷波形如圖9所示，發(fā)生過流后驅(qū)動(dòng)電壓緩慢下降，避免了瞬間關(guān)斷可能引起的電壓尖峰。之后故障輸出信號(hào)VFAULT變?yōu)榈碗娖?，發(fā)送至 DSP。實(shí)驗(yàn)與原理和仿真分析較吻合。

圖8 突加轉(zhuǎn)矩過流保護(hù)Fig．8 Over-current protection with step torque

圖9 過流保護(hù)時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓Fig．9 Drive voltage in over-current protection mode

圖10所示為緩慢增大轉(zhuǎn)矩至發(fā)生過流波形，當(dāng)發(fā)生過流后，故障輸出信號(hào)VFAULT變?yōu)榈碗娖剑嚯娏鱥A、iB、iC變?yōu)榱悖瑢?shí)現(xiàn)了對(duì)電路的保護(hù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，驅(qū)動(dòng)電路可以在230A附近發(fā)生保護(hù)，滿足了設(shè)計(jì)要求。

圖10 三相電流和VFAULT電壓Fig．10 Three phrase current and VFAULTvoltage

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于 HCPL-316J驅(qū)動(dòng)芯片的IGBT驅(qū)動(dòng)電路。該驅(qū)動(dòng)電路在發(fā)生過流時(shí)，可以啟動(dòng)軟關(guān)斷功能，降低過流瞬間的di/dt，減小關(guān)斷電壓尖峰，有效保護(hù)IGBT模塊。詳細(xì)分析驅(qū)動(dòng)電路過流軟關(guān)斷保護(hù)的工作過程，并通過Pspice軟件進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明原理分析和仿真模型的正確性。最后通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了過流軟關(guān)斷原理分析和仿真分析的正確性。

本文設(shè)計(jì)的IGBT驅(qū)動(dòng)電路具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠的過流保護(hù)等特點(diǎn)，已在實(shí)驗(yàn)室中長(zhǎng)期驗(yàn)證，并應(yīng)用于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。

［1］單廣偉，沈錦飛，顔文旭，等 (Shan Guangwei，Shen Jinfei，Yan Wenxu，et al．)．2SD315A集成驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)性能 (Drive and protection capability analysis of 2SD315A integrated driver)［J］．江南大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版) (Journal of Southern Yangtze University (Natural Science Edition)，2006，3(5):317-320．

［2］劉偉明，朱忠尼 (Liu Weiming，Zhu Zhongni)．光耦合器HCPL-316J在 IGBT驅(qū)動(dòng)電路中的應(yīng)用 (Application of optocoupler HCPL-316J to IGBT drive circuit) ［J］．空軍雷達(dá)學(xué)院學(xué)報(bào) (Journal of Air Force Radar Academy)，2008，2(22):110-112．

［3］Nie Hui，Wei Xueye，Yuan Lei．An improved circuit based on EXB841 applicable to IGBT induction heating power［A］．InternationalConferenceon Computer，Mechatronics，Control and Electronic Engineering［C］．2010.535-537．

［4］Sasagawa K，Miki H．A new driving and protective circuit of IGBT for motor drive application［A］．Applied Power Electronics Conference and Exposition［C］．San Diego，USA，1993.402-407．

［5］郝潤(rùn)科，楊一波 (Hao Runke，Yang Yibo)．絕緣柵雙極性晶體管 (IGBT)驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路的研究 (Study on IGBT drive and protection circuit) ［J］．上海理工大學(xué)學(xué)報(bào) (Journal of University of Shanghai for Science and Technology)，2004，26(3):283-285．

［6］黃先進(jìn)，蔣曉春，葉斌，等 (Huang Xianjin，Jiang Xiaochun，Ye bin，et al．)．智能化 IGBT驅(qū)動(dòng)電路研究(Research on intelligent IGBT drive circuit)［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào) (Transactions of China Electrotechnical Society)，2005，20(4):89-93．

［7］鐘玉林，溫旭輝，劉鈞，等 (Zhong Yulin，Wen Xuhui，Liu Jun，et al．)．國(guó)產(chǎn)450A－600V車用智能功率模塊的研發(fā) (Development of IGBT-based intelligent power module for electric vehicle)［J］．吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版) (Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition)，2011，41(2):316-320．

(，cont．on p.80)(，cont．from p.70)

Research of over-current protection based on HCPL-316J

SU Wei1，2，ZHONG Yu-lin1，2，LIU Jun1，2，WEN Xu-hui1，2
(1．Institute of Electrical Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China; 2．Key Laboratory of Power Electronics and Electric Drive，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China)

The IGBT module will be damaged when the current is beyond the limit of safe operation area．This paper designed a low cost and high reliability driving circuit based on the HCPL-316J driving chip．The detailed driving circuit and working process were analyzed considering the over-current protection feature first．Then the simulation circuit of the drive circuit was established using the simulation software．The simulation result verified the theoretical analysis．Finally the experimental results also verified the validity of the analysis of the IGBT drive circuit．

IGBT drive circuit;HCPL-316J;over-current protection

TM464

A

1003-3076(2014)04-0067-04

2012-11-08

中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目“面向電動(dòng)汽車和智能電網(wǎng)應(yīng)用的電力電子器件國(guó)產(chǎn)化研制”;國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2011AA11A258)

蘇 偉(1984-)，男，山東籍，研究實(shí)習(xí)員，碩士，主要研究方向?yàn)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，IGBT模塊封裝;鐘玉林(1973-)，男，安徽籍，助理研究員，博士，主要研究方向?yàn)榇蠊β蔍GBT模塊封裝設(shè)計(jì)、電力電子及電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)等。