IBGT驅動電路設計

我們設計了一種基于光耦HCPL-316J的IGBT驅動電路。實驗證明該電路具有良好的驅動及保護能力。下面是此IBGT驅動電路的原理分析：
　　
　　絕緣門極雙極型晶體管(Isolated Gate Bipolar Transistor簡稱IGBT)是復合了功率場效應管和電力晶體管的優點而產生的一種新型復合器件，具有輸入阻抗高、工作速度快、熱穩定性好驅動電路簡單、通態電壓低、耐壓高和承受電流大等優點，因此現今應用相當廣泛。但是IGBT 良好特性的發揮往往因其柵極驅動電路設計上的不合理，制約著IGBT的推廣及應用。因此本文分析了IGBT對其柵極驅動電路的要求，設計一種可靠，穩定的IGBT驅動電路。
　　
IGBT驅動電路特性及可靠性分析

門極驅動條件

　　IGBT的門極驅動條件密切地關系到他的靜態和動態特性。門極電路的正偏壓uGS、負偏壓-uGS和門極電阻RG的大小，對IGBT的通態電壓、開關、開關損耗、承受短路能力及du/dt電流等參數有不同程度的影響。其中門極正電壓uGS的變化對IGBT的開通特性，負載短路能力和duGS/dt電流有較大的影響，而門極負偏壓對關斷特性的影響較大。同時，門極電路設計中也必須注意開通特性，負載短路能力和由duGS/dt電流引起的誤觸發等問題。

　　根據上述分析，對IGBT驅動電路提出以下要求和條件：

(1)由于是容性輸出輸出阻抗；因此IBGT對門極電荷集聚很敏感，驅動電路必須可靠，要保證有一條低阻抗的放電回路。

(2)用低內阻的驅動源對門極電容充放電，以保證門及控制電壓uGS有足夠陡峭的前、后沿，使IGBT的開關損耗盡量小。另外，IGBT開通后，門極驅動源應提供足夠的功率，使IGBT不至退出飽和而損壞。

(3)門極電路中的正偏壓應為+12～+15V；負偏壓應為-2V～-10V。

(4)IGBT 驅動電路中的電阻RG對工作性能有較大的影響，RG較大，有利于抑制IGBT 的電流上升率及電壓上升率，但會增加IGBT 的開關時間和開關損耗；RG較小，會引起電流上升率增大，使IGBT 誤導通或損壞。RG的具體數據與驅動電路的結構及IGBT 的容量有關，一般在幾歐～幾十歐，小容量的IGBT 其RG值較大。

(5)驅動電路應具有較強的抗干擾能力及對IGBT 的自保護功能。IGBT 的控制、驅動及保護電路等應與其高速開關特性相匹配，另外，在未采取適當的防靜電措施情況下，IGBT的G～E極之間不能為開路。

驅動電路分類

　　驅動電路分為：分立插腳式元件的驅動電路；光耦驅動電路；厚膜驅動電路；專用集成塊驅動電路。本文設計的電路采用的是光耦驅動電路。

IGBT驅動電路分析

　　隨著微處理技術的發展(包括處理器、系統結構和存儲器件)，數字信號處理器以其優越的性能在交流調速、運動控制領域得到了廣泛的應用。一般數字信號處理器構成的控制系統， IGBT驅動信號由處理器集成的PWM模塊產生的。而PWM接口驅動能力及其與IGBT的接口電路的設計直接影響到系統工作的可靠性。因此本文采用Agilent公司的HCPL-316J門極驅動光耦合器結合DSP TMS320F2812設計出了一種可靠的IGBT驅動方案。

HCPL-316J特性

　　HCPL-316J是由Agilent公司生產的一種IGBT門極驅動光耦合器，其內部集成集電極發射極電壓欠飽和檢測電路及故障狀態反饋電路，為驅動電路的可靠工作提供了保障。其特性為：兼容CMOS/TYL電平；光隔離，故障狀態反饋；開關時間最大500ns；“軟”IGBT關斷；欠飽和檢測及欠壓鎖定保護；過流保護功能；寬工作電壓范圍(15～30V)；用戶可配置自動復位、自動關閉。 DSP與該耦合器結合實現IGBT的驅動，使得IGBT VCE欠飽和檢測結構緊湊，低成本且易于實現，同時滿足了寬范圍的安全與調節需要。

HCPL-316J保護功能的實現

　　HCPL-316J內置豐富的IGBT檢測及保護功能，使驅動電路設計起來更加方便，安全可靠。其中下面詳述欠壓鎖定保護(UVLO) 和過流保護兩種保護功能的工作原理：

(1)IGBT欠壓鎖定保護(UVLO)功能

　　在剛剛上電的過程中，芯片供電電壓由0V逐漸上升到最大值。如果此時芯片有輸出會造成IGBT門極電壓過低，那么它會工作在線性放大區。HCPL316J芯片的欠壓鎖定保護的功能(UVLO)可以解決此問題。當VCC與VE之間的電壓值小于12V時，輸出低電平，以防止IGBT工作在線性工作區造成發熱過多進而燒毀。示意圖詳見圖1中含UVLO部分。