基于HCPL-316J的IGBT过流保护研究

苏 伟，钟玉林，刘 钧，温旭辉

(1．中国科学院电工研究所，北京100190;2．中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室，北京100190)

基于HCPL-316J的IGBT过流保护研究

苏 伟1，2，钟玉林1，2，刘 钧1，2，温旭辉1，2

(1．中国科学院电工研究所，北京100190;2．中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室，北京100190)

针对IGBT模块由于电流超出安全工作区而损坏的问题，设计了一种基于HCPL-316J驱动芯片的低成本高可靠性 IGBT驱动电路，详细分析了过流保护时驱动电路的工作过程，之后通过Pspice软件建立了驱动电路的仿真模型，最后通过实验验证了驱动电路过流保护理论分析和仿真模型的正确性。

IGBT驱动电路;HCPL-316J;过流保护

1 引言

IGBT模块在DC/DC变换器和电机驱动等领域已经被广泛地应用。然而实践中发现当电路发生过流时，由于缺乏有效的保护，容易发生模块的损坏。因此IGBT模块的过流保护成为高可靠性控制器的一个研究热点。

IGBT发生过流时，如果硬关断IGBT则在关断瞬间，较大的di/dt引起很大的电压尖峰导致IGBT模块发生过压损坏。因此，高可靠性的驱动电路在发生过流时，需具有过流软关断的功能。过流软关断指发生过流时，既要实现IGBT模块的快速保护，又要通过缓慢降低栅压，减小电流的变化速率，降低关断电压尖峰，实现IGBT模块的可靠保护。

然而目前驱动电路相关文献大多关注于电路的应用，很少有专门详细介绍驱动过流保护的工作过程。文献［1］中仅仅简要分析了过流保护原理，未详细介绍电路的工作状态和过流保护的工作过程，也没有过流软关断的功能。文献［2-6］中主要集中于描述器件过流保护的应用，没有对驱动电路进行详细分析和仿真验证。然而在缺乏详细理论和仿真分析的情况下，很难设计出高可靠性的电路。

本文针对以上问题设计了一种基于HCPL-316J的IGBT驱动电路，详细分析了发生过流时，启动过流保护并进行软关断的过程。之后通过 Pspice对驱动电路进行过流保护性能仿真。最后通过三相电机实验平台进行验证。该驱动电路具有可靠的过流软关断功能，较低的成本和较小的体积等特点。

2 电路组成和过流软关断原理

2.1 驱动电路组成

基于HCPL-316J驱动电路如图1所示。电路主要由PWM输入、过流故障输出、过流检测、过流软关断和推挽驱动电路组成［7］。

图1 驱动电路框图Fig．1 Block diagram of driving circuit

电路工作过程:DSP输出PWM信号，经PWM输入模块连接至HCPL-316J，通过其内部光耦隔离，再经推挽驱动电路进行功率放大，驱动IGBT模块。当IGBT模块发生过流故障时，过流检测电路检测到故障信号，电路启动过流软关断功能，经过缓慢降栅压后，封锁 IGBT驱动脉冲，并发送故障信号至DSP。

2.2 过流软关断工作原理

基于HCPL-316J的驱动电路如图2所示。当电路正常工作并发生过流时工作过程如图3所示。

图2 驱动电路原理图Fig．2 Proposed schematic diagram of drive circuit

图3 过流保护时电路工作过程Fig．3 Operational procedures while OC protection occurs

［t0－t1］阶段，输入PWM信号Vin为高电平，推挽电路中三极管 Q1导通，输出电压 VGE为 +15V，IGBT导通，同时故障输出电压信号VFAULT保持高电平。此时过流检测电路未触发保护功能。过流检测部分电路如图4所示。

当IGBT导通时，内部的电流源经电阻 R2、二极管D1、稳压管D4和IGBT的CE两端回流至VE端。IGBT导通时过流检测电压VDESAT:

式中，VR2为串联电阻R2电压;VD1为 串联二极管D1正向导通压降;VD4为 串联稳压管 D4电压; Vce(on)为 IGBT导通压降。

图4 过流检测电路Fig．4 Detection circuit of over current

［t1－t2］阶段，输入PWM信号Vin为低电平，三极管Q2导通，输出电压VGE为－6V，IGBT关断。过流检测电路中二极管D1承受反压，C2中储存电荷，经内部MOS管放电，过流检测电压被各项工作箝位至0V。故障输出电压信号VFAULT为高电平。

［t2－t3］阶段，输入PWM信号Vin为高电平，三极管Q1导通，此时输出电压VGE为+15V，IGBT导通，故障输出电压信号 VFAULT为高电平。过流检测电压VDESAT＜7V，电路正常工作。

［t3－t4］阶段，t3时刻突然发生过流，过流检测电压VDESAT随着电流的增大而增大，当VDESAT≥7V时，电路开启软关断功能。此段时间为电路发生过流保护响应时间tBLANK:

式中，ICHG为输出电流，典型为250μA;VDESAT为正常运行时过流检测电压。

过流保护响应时间为正常运行到开启过流保护软关断的时间，此段时间越短则保护越快速。

［t4－t5］阶段，t4时刻开启软关断电路，如图5所示，此时VFAULT仍为高电平，芯片内部50×DMOS管禁止，同时1×DMOS管被激活，C3经R3和1× DMOS管放电，实现缓慢降低栅压。当C3电压低于2V时，50×DMOS管开通，栅极电压快速下降，VFAULT变为低电平发送至DSP。

图5 软关断电路Fig．5 Soft turn-off circuit

［t5－］阶段，t5时刻电路中VGE为－6V，可靠关断IGBT，等待电路复位。

3 仿真分析

为了能够反应实际工况中，IGBT驱动电路工作状态和各种保护功能。方便驱动电路的分析和设计。通过Pspice软件，建立 IGBT驱动电路的仿真模型。仿真中设置输入PWM为60%固定占空比，开关频率 10kHz，推挽电路中 NPN三极管为ZXTN2010Z，PNP三极管为ZXTP2012Z，驱动电压由24V电源通过稳压管，分压后变为+18V和－6V。

图6所示为电路在0.52ms突加负载，此时电路中电流开始增大，过流检测电压VDESAT不断增大，如图6(a)所示。当检测到 VDESAT≥7V时，开启软关断功能，驱动电压开始缓慢下降，防止因关断条件下，由于较大的di/dt而引起的电压尖峰如图6(b)所示，当驱动电压下降到2V左右时，故障输出信号VFAULT变为低电平并发送至DSP如图6(c)所示。仿真结果与原理分析相吻合。

图6 过流仿真波形Fig．6 Simulation waveforms of over current

图7(a)所示为正常驱动关断脉冲，关断时间大约为1.5μs，图7(b)所示为发生过流电路开启软关断功能后波形，此时关断时间3.5μs。仿真表明了当发生过流时电路可以通过缓慢的降栅极电压实现软关断IGBT模块。

图7 驱动关断电压仿真波形Fig．7 Simulation waveforms of turn-off gate voltage

4 实验验证

为了验证基于 HCPL-316J驱动电路原理分析和仿真分析的正确性，搭建了以TMS320F2812为控制核心的永磁同步电机实验平台。系统采用6路相同的HCPL-316J设计的驱动电路，设计输入电压300V，常温下过流保护为230A。IGBT模块采用英飞凌1200V/450A六合一封装的 FS450R12KE4;过流检测电路中R2为100 Ω，D1为4.7V稳压管，C2为100pF。此时电路发生过流保护最慢响应时间tBLANK为2.8μs，保证了电路具有快速的响应。

图8为当电路突加转矩发生过流时实验波形。从图8中看出电路正常工作时VDESAT＜7V，故障输出信号VFAULT为5V。当发生瞬间过流时，VDESAT电压大于7V，VGE经过软关断后被负压箝位，封锁驱动脉冲，软关断波形如图9所示，发生过流后驱动电压缓慢下降，避免了瞬间关断可能引起的电压尖峰。之后故障输出信号VFAULT变为低电平，发送至 DSP。实验与原理和仿真分析较吻合。

图8 突加转矩过流保护Fig．8 Over-current protection with step torque

图9 过流保护时驱动电压Fig．9 Drive voltage in over-current protection mode

图10所示为缓慢增大转矩至发生过流波形，当发生过流后，故障输出信号VFAULT变为低电平，三相电流iA、iB、iC变为零，实现了对电路的保护。实验结果表明，驱动电路可以在230A附近发生保护，满足了设计要求。

图10 三相电流和VFAULT电压Fig．10 Three phrase current and VFAULTvoltage

5 结论

本文设计了一种基于 HCPL-316J驱动芯片的IGBT驱动电路。该驱动电路在发生过流时，可以启动软关断功能，降低过流瞬间的di/dt，减小关断电压尖峰，有效保护IGBT模块。详细分析驱动电路过流软关断保护的工作过程，并通过Pspice软件进行仿真，仿真结果表明原理分析和仿真模型的正确性。最后通过实验进一步验证了过流软关断原理分析和仿真分析的正确性。

本文设计的IGBT驱动电路具有成本低、结构简单、可靠的过流保护等特点，已在实验室中长期验证，并应用于电动汽车驱动系统中。

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(，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

中国科学院知识创新工程重要方向项目“面向电动汽车和智能电网应用的电力电子器件国产化研制”;国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2011AA11A258)

苏 伟(1984-)，男，山东籍，研究实习员，硕士，主要研究方向为电机驱动系统，IGBT模块封装;钟玉林(1973-)，男，安徽籍，助理研究员，博士，主要研究方向为大功率IGBT模块封装设计、电力电子及电机驱动系统设计、电磁兼容设计等。