基于hcpl-316j芯片的igbt驅(qū)動電路及開關(guān)電路的制作方法
【專利摘要】一種基于HCPL?316J芯片的IGBT驅(qū)動電路，包括控制器模塊、HCPL?316J芯片、過電流保護模塊和過電壓保護模塊，其中控制器模塊與HCPL?316J芯片的VIN+、和引腳相連，過電流保護模塊的輸入端與HCPL?316J芯片的第十四引腳DESAT相連而輸出端C端口與IGBT的集電極C相連，過電流保護模塊包括至少一個相互串聯(lián)的反向二極管，過電壓保護模塊包括兩個開關(guān)三極管組成的推挽電路、第一穩(wěn)壓管ZD1、第二穩(wěn)壓管ZD2、第三穩(wěn)壓管ZD3以及兩個電阻R6和R7，第一穩(wěn)壓管ZD1的正極接地，第二穩(wěn)壓管ZD2和第三穩(wěn)壓管(ZD3)的正極相連，電阻R6和R7的一端分別與兩個開關(guān)三極管的發(fā)射集相連而另一端G端口與IGBT的門極G相連，第一穩(wěn)壓管ZD1的負極E端口與IGBT的發(fā)射極E相連。具有外圍電路簡單、工作穩(wěn)定性和可靠性高的優(yōu)點。
【專利說明】
基于HCPL-316J芯片的IGBT驅(qū)動電路及開關(guān)電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及了電力電子領(lǐng)域中的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT-Insulated Gate Bipolar Transistor)的驅(qū)動技術(shù)，特別涉及到一種基于HCPL-316J芯片的IGBT驅(qū)動電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 絕緣概雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)工作安全，它集 功率晶體管GTR和功率場效應(yīng)管M0SFET的優(yōu)點于一身，具有自關(guān)斷、開關(guān)頻率高（10-40kHz) 的特點，是目前發(fā)展最為迅速的新一代電力電子器件。其中IGBT的驅(qū)動和保護是其應(yīng)用中 的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0003] 目前大多數(shù)的驅(qū)動集成電路采用直接驅(qū)動或隔離驅(qū)動的方式。常用的IGBT驅(qū)動模 塊存在外圍電路復(fù)雜、保護功能欠缺、工作穩(wěn)定性和可靠性不足等缺陷。
[0004] IGBT作為產(chǎn)品核心部件，其驅(qū)動電路是否可靠安全關(guān)系著整個設(shè)備的運行。根據(jù) IGBT的靜態(tài)特性、開關(guān)暫態(tài)特性并考慮其允許的安全工作區(qū)，IGBT工作時門極驅(qū)動保護電 路應(yīng)滿足：提供足夠的柵極電壓來開通IGBT，并在開通期間保持這個電壓；在最初開通階 段，提供足夠的柵極驅(qū)動電流來減少開通損耗和保證IGBT的開通速度;在關(guān)斷期間，提供一 個反向偏置電壓來提高IGBT抗暫態(tài)du/dt的能力和抗EMI噪聲的能力并減少關(guān)斷損耗；；在 短路故障發(fā)生時，驅(qū)動電路能通過合理的柵極電壓動作進行IGBT保護，并發(fā)出故障信號到 控制系統(tǒng)。
[0005] 因此，致力于IGBT驅(qū)動電路及其應(yīng)用電路的研究，研制出具有高性能的IGBT驅(qū)動 電路，具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值，將產(chǎn)生巨大的社會效益和經(jīng)濟效益，然而現(xiàn)有 的驅(qū)動電路具有外圍電路復(fù)雜、保護功能欠缺、工作穩(wěn)定性和可靠性不足這些缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明為解決上述問題，提出了一種基于HCPL-316 J芯片的IGBT驅(qū)動電路及含有 該電路的開關(guān)電路，利用Agilent公司生產(chǎn)的一種光電耦合IGBT門極驅(qū)動器件HCPL-316J芯 片可以提供快速本地故障檢測和關(guān)閉電路。
[0007] 一種基于HCPL-316J芯片的IGBT驅(qū)動電路，用于驅(qū)動絕緣柵雙極型晶體管IGBT，其 特征在于：
[0008] 包括控制器模塊、HCPL-316 J芯片、過電流保護模塊和過電壓保護模塊，
[0009] 控制器模塊與HCPL-316J芯片的VIN+、F/??ΤT fP RESET引腳相連，
[0010]過電流保護模塊的輸入端與HCPL-316J芯片的第十四引腳DESAT相連而輸出端C端 口與IGBT的集電極C相連，過電流保護模塊包括至少一個相互串聯(lián)的反向二極管，
[0011]過電壓保護模塊包括兩個開關(guān)三極管組成的推挽電路、第一穩(wěn)壓管ZD1、第二穩(wěn)壓 管ZD2、第三穩(wěn)壓管ZD3以及兩個電阻R6和R7,第一穩(wěn)壓管ZD1的正極接地，第二穩(wěn)壓管ZD2和 第三穩(wěn)壓管(ZD3)的正極相連，電阻R6和R7的一端分別與兩個開關(guān)三極管的發(fā)射集相連而 另一端G端口與IGBT的門極G相連，第一穩(wěn)壓管ZD1的負極E端口與IGBT的發(fā)射極E相連。
[0012]本發(fā)明提供的基于HCPL-316J芯片的IGBT驅(qū)動電路，還可以具有這樣的特征：其 中，控制器模塊為DSP或FPGA或DSP、FPGA的聯(lián)合單元，控制器模塊用于發(fā)生PWM脈沖。
[0013]本發(fā)明提供的基于HCPL-316J芯片的IGBT驅(qū)動電路，還可以具有這樣的特征：其 中，在HCPL-316J芯片和控制器模塊、HCPL-316J芯片和過電流保護模塊、HCPL-316J芯片和 過電壓保護模塊之間設(shè)置有用于提供開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中需要大量瞬態(tài)電流的旁路電容。
[0014] 本發(fā)明提供的基于HCPL-316 J芯片的IGBT驅(qū)動電路，還可以具有這樣的特征：其 中，旁路電容為陶瓷或云母電容，容值為〇. 01-0. luF。
[0015] 本發(fā)明提供的基于HCPL-316J芯片的IGBT驅(qū)動電路，還可以具有這樣的特征：其 中，HCPL-316 J芯片的第十六引腳VE和第九、十引腳VEE中串聯(lián)有電容C3，用于充電延時。 [0016]本發(fā)明還提供一種IGBT開關(guān)電路，其特征在于，包括：上述的HCPL-316J芯片的 IGBT驅(qū)動電路;至少一個IGBT，IGBT的集電極C、門極G、發(fā)射極E與IGBT驅(qū)動電路的C端口、G 端口、E端口分別連接。
[0017] 發(fā)明作用與效果
[0018] 根據(jù)本發(fā)明提供的基于HCPL-316J芯片的IGBT驅(qū)動電路，HCPL-316J芯片通過內(nèi)置 的高速、高輸出電流驅(qū)動器進行輸入和輸出，同時對相連的IGBT進行去飽和檢測和關(guān)閉，更 利用光學(xué)隔離來實現(xiàn)故障狀態(tài)反饋信號與高電壓之間的光隔離。
[0019] 進一步地，推挽電路和過電壓保護模塊的設(shè)計和引入，使得輸出電壓處于驅(qū)動電 源電壓的穩(wěn)定范圍內(nèi)，也很好地控制IGBT集電極電壓上升和下降時間。、簡易化了硬件電路 的設(shè)計工作，成本低。另外可以通過改變穩(wěn)壓管的規(guī)格來更好的控制檢測IGBT短路電流的 閾值，從而實現(xiàn)對不同規(guī)格的IGBT進行短路保護。
【附圖說明】
[0020] 圖1是為本發(fā)明的基于HCPL-316J芯片的IGBT驅(qū)動電路的電路圖；
[0021] 圖2是通過實際運行得到的輸出脈沖波形圖與計算得到的波形圖。
【具體實施方式】
[0022] 為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，以下實 施例結(jié)合附圖對本發(fā)明的基于HCPL-316J芯片的IGBT驅(qū)動電路的原理步驟使用效果作具體 闡述。
[0023] 實施例
[0024]圖1是為本發(fā)明的基于HCPL-316 J芯片的IGBT驅(qū)動電路的電路圖。
[0025] 本發(fā)明使用的芯片是Agilent公司生產(chǎn)的芯片HCPL-316J，芯片HCPL-316J通過高 速、高輸出電流驅(qū)動器，輸入和輸出，本地IGBT去飽和檢測和關(guān)閉，以及光學(xué)隔離故障狀態(tài) 反饋信號之間高電壓光隔離這些功能組合成一個16引腳的封裝芯片。當芯片正常工作時， 橋臂所需的脈沖信號由控制器發(fā)出至第二引腳V IN-，來正常驅(qū)動橋臂。
[0026]附圖1是基于HCPL-316J芯片的IGBT驅(qū)動電路。HCPL-316J內(nèi)部集成集電極-發(fā)射極 電壓(VCE)欠飽和檢測電路及故障狀態(tài)反饋電路，具備過流軟關(guān)斷、高速光耦隔離、欠壓鎖 定、故障信號輸出的功能，兼容CM0S/TTL電平，采用重復(fù)合達林頓管集電極開路輸出，可驅(qū) 動150A/1200V的IGBT，最大開關(guān)時間500ns，"軟" IGBT關(guān)斷，工作電壓范圍15~30V。
[0027] 如圖1所示，一種基于HCPL-316J芯片的IGBT驅(qū)動電路，其特征在于，利用Agilent 公司生產(chǎn)的HCPL-316J芯片設(shè)計新型的IGBT驅(qū)動模塊，由四部分組成：控制器模塊、HCPL-316 J芯片、過電流保護模塊和過電壓保護模塊。
[0028] 控制器模塊與HCPL-316J芯片20的ViN+、Μ?/ΖΤ和/?￡兌了引腳相連，可發(fā)出多路 PWM(Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）波，并接收反饋信號，同時還能重置芯片 HCPL-316 J。過電流保護模塊是HCPL-316 J芯片的第十四引腳DESAT通過四個反向二極管與 三極管的集電極相連，防止過流反向擊穿，向控制器模塊發(fā)出過流保護信號;過電壓保護模 塊是有兩個開關(guān)管、第一穩(wěn)壓管ZD1、第二穩(wěn)壓管ZD2和第三穩(wěn)壓管ZD3構(gòu)成，當Q1開通時，能 使Vge電壓鉗位在0~15V之間；當Q2開通時，由于第一穩(wěn)壓管ZD1的存在，也可達到一個快速 放電的目的。
[0029]控制器模塊可以為DSP或FPGA，現(xiàn)有的DSP最多能產(chǎn)生12路獨立的PWM脈沖，當實際 需要的PWM脈沖超過12路時，可以采用DSP和FPGA相結(jié)合的控制方法，F(xiàn)PGA負責PWM脈沖的擴 展。
[0030] HCPL-316J芯片的第十四引腳DESAT可以檢測開關(guān)管IGBT的CE間電壓VCE，輸出端C 端口與IGBT的集電極C相連。當DESAT引腳檢測電流過大時，故障信號輸出由引腳FAULT選 至PWM的關(guān)閉端，HCPL-316 J芯片及時關(guān)閉PWM輸出。
[0031] 過電壓保護模塊中由兩個三極管串聯(lián)組成的推挽電路，增大了驅(qū)動能力。電阻R6 和R7的一端分別與兩個三極管的發(fā)射極相連，另一端加在三極管的柵極，而另一端G端口與 IGBT的門極G相連，用來限制柵極充電電流和間接控制IGBT集電極電壓上升和下降時間。 [0032]過電壓保護模塊中包括三個穩(wěn)壓二極管，三個穩(wěn)壓二極管:第一穩(wěn)壓管ZD1的正極 接地，第一穩(wěn)壓管ZD1的負極E端口與IGBT的發(fā)射極E相連，第二穩(wěn)壓管ZD2和第三穩(wěn)壓管ZD3 的正極相連。當Q1開通時，能使V GE電壓鉗位在0~15V之間；當Q2開通時，由于第一穩(wěn)壓管ZD1 的存在，也可達到一個快速放電的目的。
[0033]過電壓保護模塊中可以通過改變穩(wěn)壓管的規(guī)格很好的控制檢測IGBT短路電流的 閾值，可以對不同規(guī)格的IGBT進行短路保護。
[0034] 圖2是通過實際運行得到的輸出脈沖波形圖與計算得到的波形圖。
[0035] 如圖2所示，上面為計算得到的波形圖，下面為實際運行得到的輸出脈沖波形圖， 根據(jù)本發(fā)明基于HCPL-316 J芯片的IGBT驅(qū)動電路設(shè)計，通過觀察本發(fā)明輸出波形，可以清楚 地看到本發(fā)明能夠正常的驅(qū)動IGBT開關(guān)管，滿足實際需求，解決實際問題。
[0036] 將IGBT的C、G、E與上述的IGBT驅(qū)動電路的C、G、E端口連接，即形成了對應(yīng)的IGBT開 關(guān)電路。
[0037]實施例的作用和有益效果
[0038] 根據(jù)本實施例提供的基于HCPL-316 J芯片的IGBT驅(qū)動電路，HCPL-316 J芯片通過內(nèi) 置的高速、高輸出電流驅(qū)動器進行輸入和輸出，同時對相連的IGBT進行去飽和檢測和關(guān)閉， 更利用光學(xué)隔離來實現(xiàn)故障狀態(tài)反饋信號與高電壓之間的光隔離。
[0039]進一步地，推挽電路和過電壓保護模塊的設(shè)計和引入，使得輸出電壓處于驅(qū)動電 源電壓的穩(wěn)定范圍內(nèi)，也很好地控制IGBT集電極電壓上升和下降時間。、簡易化了硬件電路 的設(shè)計工作，成本低。另外可以通過改變穩(wěn)壓管的規(guī)格來更好的控制檢測IGBT短路電流的 閾值，從而實現(xiàn)對不同規(guī)格的IGBT進行短路保護。
[0040] 進一步地，由于控制器模塊為DSP或FPGA或DSP、FPGA的聯(lián)合單元，這樣的選擇是基 于技術(shù)成熟度和成本所做的最優(yōu)選擇。
[0041] 另外，旁路電容負責提供開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中所需要大量瞬態(tài)電流，保證了整個電路 的正常運行。
【主權(quán)項】
1. 一種基于HCPL-316J芯片的IGBT驅(qū)動電路，用于驅(qū)動絕緣柵雙極型晶體管IGBT，其特 征在于： 包括控制器模塊、HCPL-316J芯片、過電流保護模塊和過電壓保護模塊， 其中，所述控制器模塊與HCPL-316J芯片的Vin+、FAULT和RESET引腳相連， 所述過電流保護模塊的輸入端與HCPL-316 J芯片的第十四引腳DESAT相連而輸出端C端 口與所述IGBT的集電極C相連，所述過電流保護模塊包括至少一個相互串聯(lián)的反向二極管， 所述過電壓保護模塊包括兩個開關(guān)三極管組成的推挽電路、第一穩(wěn)壓管ZD1、第二穩(wěn)壓 管ZD2、第三穩(wěn)壓管ZD3以及兩個電阻R6和R7,第一穩(wěn)壓管ZDl的正極接地，第二穩(wěn)壓管ZD2和 第三穩(wěn)壓管(ZD3)的正極相連，電阻R6和R7的一端分別與兩個所述開關(guān)三極管的發(fā)射集相 連而另一端G端口與IGBT的門極G相連，第一穩(wěn)壓管ZDl的負極E端口與IGBT的發(fā)射極E相連。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于HCPL-316J芯片的IGBT驅(qū)動電路，其特征在于： 其中，所述控制器模塊為DSP或FPGA或DSP、FPGA的聯(lián)合單元，所述控制器模塊用于發(fā)送 PffM脈沖。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于HCPL-316J芯片的IGBT驅(qū)動電路，其特征在于： 其中，在所述HCPL-316J芯片和所述控制器模塊、所述HCPL-316J芯片和所述過電流保 護模塊、所述HCPL-316J芯片和所述過電壓保護模塊之間設(shè)置有用于提供開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中 需要大量瞬態(tài)電流的旁路電容。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于HCPL-316J芯片的IGBT驅(qū)動電路，其特征在于： 其中，所述旁路電容為陶瓷或云母電容，容值為0.01-0. luF。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于HCPL-316J芯片的IGBT驅(qū)動電路，其特征在于： 其中，所述HCPL-316J芯片的第十六引腳VE和第九、十引腳VEE中串聯(lián)有電容C3,用于充 電延時。6. -種IGBT開關(guān)電路，其特征在于，包括： 權(quán)利要求1 -5中任意一項所述的基于HCPL-316 J芯片的IGBT驅(qū)動電路； 至少一個IGBT，所述IGBT的集電極C、門極G、發(fā)射極E與所述IGBT驅(qū)動電路的C端口、G端 口、E端口分別連接。
【文檔編號】H02M1/32GK106026620SQ201610554248
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月14日
【發(fā)明人】袁慶慶, 楊娜, 宋斌, 夏鯤, 王楠
【申請人】上海理工大學(xué)