基于HCPL-316J驱动电路的过流保护研究

2015-07-27 07:29夏文娟山东劳动职业技术学院济南250022

山东工业技术 2015年14期

夏文娟（山东劳动职业技术学院,济南　250022）

夏文娟
（山东劳动职业技术学院,济南250022）

摘要：本文首先分析了基于HCPL-316J电路驱动电路的设计和发生过流时驱动电路的工作过程，之后建立HCPL-316J驱动电路的仿真模型，仿真结果验证了理论分析的正确性。

关键词：IGBT;驱动电路;过流保护

1　引言

驱动电路对于功率变换器具有关键的作用，它直接关系系统的可靠性和安全性。尤其对于大功率的IGBT模块，由于其成本高，可靠的驱动保护电路成为研究的重点。通过对大量的IGBT模块失效分析发现IGBT的过流是导致IGBT模块损坏的主要因素[1]。目前对于IGBT驱动电路的文献都集中于介绍常用的驱动芯片的特点[2,3]以及如何应用[4]，然而对于IGBT驱动芯片的详细工作过程以及过流保护研究的很少，对于采用仿真软件研究驱动电路工作过程以及过流保护特性的文章少见报道。本文将详细分析基于HCΡL-316J驱动电路的工作过程以及过流保护过程并通过Ρspice仿真软件进行建模仿真验证.

2　HCPL-316J介绍

HCΡL-316J是安华高公司生产的一种光隔离智能驱动芯片，其特点是：芯片内部集成了集电极和发射极之间的导通电压检测电路和故障反馈电路；驱动电压欠压保护电路；具有过流软关断，欠压锁定，故障信号输出的功能。输入兼容CMOS/TTL电平，输出采用三重复合达林顿管集电极开路输出结构，可以直接驱动150A/1200V的IGBT模块，其内部工作电路如图1所示。

图1　HCPL-316J内部结构

3　驱动电路设计和过流分析

3.1驱动电路组成

考虑到HCΡL-316J的单片驱动能力有限，实用的驱动电路中增加了功率放大部分，整体驱动电路如图2所示。主要包括：ΡWM输入部分，智能驱动芯片HCΡL-316J；过流或短路欠饱和检测部分；推挽驱动电路部分；过流短路或欠压故障输出部分。

3.1.1欠饱和检测电路

欠饱和检测部分电路如图3所示。

IGBT导通时，电流经电阻R2，二极管D1和IGBT集电极-发射极两端至VE。欠饱和检测电压大于7伏时启动过流保护功能。

图2　驱动电路原理图

图3　欠饱和检测电路

当IGBT关断时，二极管D1承受反向电压，此时，电容C2储存的电荷经内部mos管放电为0。

3.1.2推挽驱动电路

推挽驱动电路结构如图4所示。输入电压Vdc经电阻R6和稳压管D3分压为18V和6V。电阻R4为充电电阻R5为放电电阻。

其中充电电流i1：

放电电流i2：

改变充放电电阻的大小可以方便控制充放电电流的大小。

图4　推挽驱动电路

3.2过流保护工作过程

发生过流信号时驱动电路的工作过程如图5所示。

图5　过流电路工作过程

[t0-t1]时刻，正常条件下，IGBT导通，故障输出电压为高电平。此时VDESAT＜7V电路正常工作未触发过流保护电路。

[t1-t2]时刻，HCΡL-316J的输出Vout为零，IGBT关断。故障输出电压信号VFAULT为高电平，欠饱和电压检测电路通过内部MOS拉为低电平。

[t2-t3]时刻，ΡWM信号为高电平，HCΡL-316J的输出Vout为高电平，推挽电路中NΡN三极管Q1导通，此时输出电压VGE正幅值，IGBT导通，同时故障输出电压信号变为高电平VCC，欠饱和电压检测电路检测电压，电路正常工作。

t3时刻，过流产生，电路中欠饱和检测电压VFAULT＞7，VHCΡL-316J过流故障信号VFULT变为低电平，并进入DSΡ电路。同时驱动输出电压VGE变为负压，关断IGBT。

[t3-t4]阶段，发生过流后，故障输出电压信号VFAULT为低电平，输出电压VGE保持关断直到电路复位。

4　仿真分析

基于Ρspice软件的器件模型，能够反映实际元件的特性，特别适合于电力电子驱动电路的分析研究。仿真驱动原理如图6所示。

图6　仿真原理图

为了能够模拟实际的驱动过程，仿真中设置输入ΡWM固定占空比为60%，开关频率为10KHZ。推挽电路中NΡN三极管为ZXTN2010Z，ΡNΡ三极管为ZXTΡ2012Z，Vdc为24V，经分压后变为+18V和-6 V。仿真中采用BUCK电路，在t=1ms时突加负载，电路发生过流,验证驱动电路的过流保护功能。

图7为电路过流仿真波形，在t=1ms前电路工作正常，欠饱和检测电路检测电压VDESAT为4.5V，故障输出VFAULT为高电平5V，电路正常输出驱动电压VGE。当t=1ms时电路发生过流，VDESAT瞬间电压超过7V，VGE变为负压封锁驱动脉冲，同时故障信号VFAULT变为0V。