高功率密度的IGBT驱动电路研究

任华清傅 强苏桂国涂有波

（1.河海大学机电工程学院，江苏常州 213022；2.江苏宏微科技股份有限公司，江苏常州 213022）

高功率密度的IGBT驱动电路研究

任华清1傅 强1苏桂国2涂有波2

（1.河海大学机电工程学院，江苏常州 213022；2.江苏宏微科技股份有限公司，江苏常州 213022）

0 引言

目前IGBT的驱动模块种类繁多，其中EXB系列和M579系列驱动应用最为广泛［1］。鉴于EXB系列存在过电流保护无自锁功能、负偏压不足；M57962L系列过流保护仅对IGBT软关断，而不能进行降栅压保护，且工作频率和控制精度受到一定限制。另外还存在电路复杂，外围电路多、体积大等缺点，不利于实现高功率密度。针对以上问题，采用HCPL- 316J设计了一种IGBT驱动电路，具有外围电路少、过流软关断、工作可靠、成本低等优点。并通过实际电路测试观察栅极驱动波形、IGBT的开通和关断波形，验证本设计的可靠性和实用性。

1 HCPL- 316J芯片介绍

HCPL- 316J是美国Agilent公司生产的一种IGBT门极驱动光耦合器，其内部集成电压欠饱和检测电路及故障状态反馈电路，为驱动电路的可靠性提供了保障。具有低压锁存、过流探测和故障状态反馈等功能，在故障发生时，可实现IGBT软关断、降栅压保护，没有外部功率放大时，最高可驱动150 A／1200 V的IGBT。

2 IGBT驱动保护电路的基本要求

根据IGBT的静态特性、开关暂态特性、其允许的安全工作区，IGBT工作时门极驱动保护电路应满足如下基本要求：

a.具有隔离功能。HCPL- 316J的隔离等级为2 500 V，满足设计要求。

b.栅极电阻RG选择要适当。RG选择过大会减小IGBT的，同时也会增加开关损耗，提高发热量；RG过小会增强IGBT工作的耐固性，也增加IGBT的及，而导致IGBT被击穿和误导通，所以栅极电阻的选取至关重要［2］。

c.驱动电压要合适。正向驱动电压过大容易导致IGBT产生擎住效应，使门极失控，最终造成器件的损坏；如果驱动电压过小会使器件因退出饱和区进入线性放大区，而导致IGBT热损坏。另外在关断时，为了快速抽出剩余载流子，一般采用5～10 V的负偏压［3］。

d.驱动电路应具有过流欠压等保护功能，并能及时反馈故障信号。

除了IGBT自身对驱动电路的要求外，还要满足集成功率模块对驱动电路的要求。集成功率模块在空间限制的场合下使用时，只需根据要求配置控制算法和参数，设计简单的外围电路就可以工作。因此设计集成功率模块时要求其体积小，灵活方便，而减小驱动电路的体积就是一条有效的途径。

3 HCPL-316J驱动电路设计

3.1 电路结构

基于HCPL- 316J的驱动电路结构如图1所示，电路主要由HCPL- 316J、推挽放大电路、过流保护电路、电源等组成。

图1 驱动电路结构

驱动电路的工作逻辑是，由微控制器发出控制信号，经过光耦隔离，再由输出级推挽放大电路将驱动信号放大到＋15 V驱动IGBT。发生过流时，IGBT两端电压急剧增加，HCPL- 316 J检测到过流信号时，对IGBT进行软关断，最后封锁PWM信号，同时发送故障信号给微控制器，待故障解除之后，控制器发送低电平复位信号（宽度大于100 ns），驱动电路恢复工作。

3.2 驱动电路的设计

驱动电路主要由HPCL- 316J芯片和推挽放大电路构成，VIN＋信号输入端接控制信号，VIN-信号输入端接地，HCPL- 316J驱动电路如图2所示。

图2 HCPL- 316J驱动电路

正常工作时，HCPL- 316J的信号输入端和信号输出端保持同步，输出端采用NPN型和PNP型的三极管构成推挽放大电路，对VOUT脚的输出信号进行二次放大，保证驱动功率，采用体积较小的D44VH和D45VH构成推挽放大电路，D44VH和D45VH为一对互补三极管。另外配置-10 V负偏压，可以加速IGBT的关断过程。其具体工作原理是，当VIN＋管脚输入高电平信号时，VOUT管脚输出高电平信号，Q1导通，Q2截止，此时UGE为＋15 V，IGBT导通；反之，VIN＋管脚输入信号为低电平时，VOUT管脚输出低电平信号，此时UGE为-10 V，Q1截止，Q2导通，此时UGE为10 V，IGBT关断，其中开通速度可通过栅极电阻R3和R4来调节。

当IGBT在感性负载状态下工作时，IGBT反并联的快恢复二极管在反向恢复时会产生很大的，由于弥勒电容的存在，电压应力在弥勒电容两端产生电流流向栅极，与栅极电阻共同作用，栅极电压会增大超过UGE门限值，易造成IGBT误导通或栅极击穿。为此，在栅极和发射极间并联箝位电阻R4和15 V的双向稳压管D4，同时又能防止强电磁干扰感应出的高电压和栅极电路振荡。

3.3 过流保护电路设计和参数分析

根据IGBT的输出特性，IGBT的饱和压降会随着电流的急剧上升而增大，采用检测IGBT饱和压降的方式设计过流保护电路。

HCPL- 316J芯片内部集成250μA的恒流源和7 V的恒压源，当IGBT正常导通时，从DESAT端输出250μA的电流经过R2，D1，D2和IGBT至VE脚，其中D1，D2选取反向耐压值为1 000 V的BYV26E，反向恢复时间为75 ns。过流检测局部电路如图3所示。

图3 过流保护电路

IGBT正常工作时，过流检测电压为：

UR2为串联电阻R2两端电压；UD1，UD2分别为D1，D2导通时正向压降；UCE（on）为IGBT工作时的饱和压降.

IGBT过流或短路时，IGBT上电流瞬间上升，其导通压降UCE（on）急剧增加，当检测到UDESAT≥7 V时，VOUT端变为低电平信号，电容C2通过R1和芯片内部M OS放电，实现缓慢降低栅压，当C2两端电压低于2 V时，栅极电压快速下降，FAULT端变为低电平发送给控制器。根据IGBT输出特性，调节串联电阻R2，设定保护电流的阀值，其值的大小可以根据R2调节，即

IOUT为HCPL- 316J的DESAT端输出典型值250μA，UCE（on）＝3.5 V。

当IGBT的电流值为150 A时，IGBT两端压降UCE＝3.5 V，D1和D2的导通压降为0.7 V，计算得R2＝8.4 kΩ，由式（2）可知，R2越大保护电流值越小，实际应用中根据需要调节R2阻值。

除保护电流值之外，过流保护的响应时间t也是过流保护电路的关键参数之一，即从IGBT正常工作状态到软关断开启的时间，其大小可以根据IGBT承受过电流的能力来确定，即

IOUT＝250μA，UDESAT为过流检测电压值。

一般IGBT的过流承受能力在10μs左右，所以t的值应该低于10μs，为了提高工作可靠性，取t＝2μs，能得出电容C6＝645.2 p F，选择500 p F，符合高集成度的设计要求。

3.4 欠压保护

IGBT栅极驱动的欠压保护是必不可少的，由于IGBT自身的工作特性，当栅极电压小于＋12V时，易导致处于正常工作状态下的IGBT退出饱和进入线性放大区，功率损耗迅速增加，形成热集中，严重影响IGBT的寿命甚至造成IGBT热击穿。导致栅极欠压的直接原因是电源欠压，HCPL- 316J内部集成了＋12 V的恒压源，实时的检测电源电压，当UCC2小于12 V时，欠压保护功能被激活，封锁栅极信号，使VOUT端输出低电平信号，当UCC2高于12 V时，退出保护，IGBT恢复正常工作。

4 试验结果

采用MACMIC的mmG100S120B6C模块（100 A／1200 V）搭建的三相逆变样机作为实验平台，采用DSP2812作为控制器，DSP输出频率为5 k Hz的SPWM信号。IGBT栅极输入信号，高电平为＋15 V，低电平为-10 V，符合IGBT驱动的要求。

栅极驱动波形和IGBT两端电压波形完全同步，满足IGBT驱动要求。IGBT的开通波形和栅极驱动信号的高电平上升过程，IGBT开通时间为480 ns，IGBT的关断过程和栅极驱动信号低电平的下降过程，关断时间为280 ns，关断速度较快。在足够的电压裕量内，慢开通快关断对IGBT是有利的，尤其是在大容量应用场合能够有效的减小关断损耗，避免了开通时过大的击穿IGBT。

5 结束语

利用HCPL- 316J驱动芯片设计了一种小体积的驱动保护电路，该电路外围器件较少、设计成本低、可靠性高，适用于高集成度的功率模块中。文中分析了集成功率模块的驱动要求和IGBT典型输出特性及驱动要求，在保证可靠性的基础上，驱动电路中元器件可选用贴片式，能最大限度的缩小驱动电路的体积，进一步提高集成功率模块的空间利用率，最后在试验中验证了其驱动性能，为集成功率模块的驱动保护电路提供了一种可行性较高的设计方案。

［1］ 雷小伟，姚河清，金健.一种逆变CO2焊机IGBT驱动电路设计［J］，电焊机，2012，42（6）：73- 76.

［2］ 邢岩，肖曦，王莉娜.电力电子技术基础［M］，北京：机械工业出版社，2008.

［3］ 卫三民，李发海.一种大功率IGBT实用驱动及保护电路［J］，清华大学学报（自然科学版），2001，41（09）：55- 58.

Research on High Power Density IGBT Drive Circuit

REN Huaqing1，FU Qiang1，SU Guiguo2，TU Youbo2
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China；2.Mac Mic Science＆Technology Co.，Ltd.，Changzhou 213022，China）

针对集成IGBT模块的驱动要求，以高功率密度为目标，采用HCPL- 316J设计了一种小体积的IGBT驱动保护电路。介绍了驱动保护电路的原理、计算以及试验分析过程，试验结果验证了该电路的正确性和可靠性，具有一定的实用价值。

HCPL- 316J；集成功率模块；高功率密度；驱动保护

According to the drive requirements of integrated power module，aiming at high power density，an IGBT drive protection circuit having a small volume was designed based on HCPL- 316J.This article introduces the principle of drive protection circuit，calculation and the testing and analysis process.The actual experimental results verified the accuracy and reliability of this drive circuit，showing that it has a certain practical value.

HCPL- 316J；integrated power module；high power density；drive protection

TM464

A

1001- 2257（2015）08- 0056- 03

任华清 （1989－），男，江苏泰兴人，硕士研究生，研究方向为三电平逆变器及其控制；傅 强 （1974－），男，江苏常州人，副教授，研究方向为自动控制。

2015- 03- 30