通過對功率器件IGBT的工作特性分析、驅動要求和保護方法等討論，介紹了的一種可驅動高壓大功率igbt的集成驅動模塊hcpl-3i6j的應用

　　igbt在以變頻器及各類電源為代表的電力電子裝置中得到了廣泛應用。igbt集雙極型功率晶體管和功率mosfet的優點于一體，具有電壓控制、輸入阻抗大、驅動功率小、控制電路簡單、開關損耗小、通斷速度快和工作頻率高等優點。

　　但是，igbt和其它電力電子器件一樣，其應用還依賴于電路條件和開關環境。因此，igbt的驅動和保護電路是電路設計的難點和重點，是整個裝置運行的關鍵環節。

　　為解決igbt的可靠驅動問題，國外各igbt生產廠家或從事igbt應用的企業開發出了眾多的igbt驅動集成電路或模塊，如國內常用的日本富士公司生產的exb8系列，三菱電機公司生產的m579系列，美國ir公司生產的ir21系列等。但是，exb8系列、m579系列和ir21系列沒有軟關斷和電源電壓欠壓保護功能，而惠普生產的hclp一316j有過流保護、欠壓保護和1gbt軟關斷的功能，且價格相對便宜，因此，本文將對其進行研究，并給出1700v，200～300a igbt的驅動和保護電路。

　　1 igbt的工作特性

　　igbt是一種電壓型控制器件，它所需要的驅動電流與驅動功率非常小，可直接與模擬或數字功能塊相接而不須加任何附加接口電路。igbt的導通與關斷是由柵極電壓uge來控制的，當uge大于開啟電壓uge(th)時igbt導通，當柵極和發射極間施加反向或不加信號時，igbt被關斷。

　　igbt與普通晶體三極管一樣，可工作在線性放大區、飽和區和截止區，其主要作為開關器件應用。在驅動電路中主要研究igbt的飽和導通和截止兩個狀態，使其開通上升沿和關斷下降沿都比較陡峭。

　　2 igbt驅動電路要求

　　在設計igbt驅動時必須注意以下幾點。

　　1)柵極正向驅動電壓的大小將對電路性能產生重要影響，必須正確選擇。當正向驅動電壓增大時，.igbt的導通電阻下降，使開通損耗減小;但若正向驅動電壓過大則負載短路時其短路電流ic隨uge增大而增大，可能使igbt出現擎住效應，導致門控失效，從而造成igbt的損壞;若正向驅動電壓過小會使igbt退出飽和導通區而進入線性放大區域，使igbt過熱損壞;使用中選12v≤uge≤18v為好。柵極負偏置電壓可防止由于關斷時浪涌電流過大而使igbt誤導通，一般負偏置電壓選一5v為宜。另外，igbt開通后驅動電路應提供足夠的電壓和電流幅值，使igbt在正常工作及過載情況下不致退出飽和導通區而損壞。

　　2)igbt快速開通和關斷有利于提高工作頻率，減小開關損耗。但在大電感負載下igbt的開關頻率不宜過大，因為高速開通和關斷時，會產生很高的尖峰電壓，極有可能造成igbt或其他元器件被擊穿。

　　3)選擇合適的柵極串聯電阻rg和柵射電容cg對igbt的驅動相當重要。rg較小，柵射極之間的充放電時間常數比較小，會使開通瞬間電流較大，從而損壞igbt;rg較大，有利于抑制dvce/dt，但會增加igbt的開關時間和開關損耗。合適的cg有利于抑制dic/dt，cg太大，開通時間延時，cg太小對抑制dic/dt效果不明顯。

　　4)當igbt關斷時，柵射電壓很容易受igbt和電路寄生參數的干擾，使柵射電壓引起器件誤導通，為防止這種現象發生，可以在柵射間并接一個電阻。此外，在實際應用中為防止柵極驅動電路出現高壓尖峰，最好在柵射間并接兩只反向串聯的穩壓二極管，其穩壓值應與正負柵壓相同。

　　3 hcpl-316j驅動電路

　　3.1 hcpl-316j內部結構及工作原理

　　hcpl-316j的內部結構如圖1所示，其外部引腳如圖2所示。

　　從圖1可以看出，hcpl-316j可分為輸入ic(左邊)和輸出ic(右邊)二部分，輸入和輸出之間完全能滿足高壓大功率igbt驅動的要求。

　　各引腳功能如下：

　　腳1(vin+)正向信號輸入;

　　腳2(vin-)反向信號輸入;

　　腳3(vcg1)接輸入電源;

　　腳4(gnd)輸入端的地;

　　腳5(resert)芯片復位輸入端;

　　腳6(fault) 故障輸出，當發生故障(輸出正向電壓欠壓或igbt短路)時，通過光耦輸出故障信號;

　　腳7(vled1+)光耦測試引腳，懸掛;

　　腳8(vled1-)接地;

　　腳9，腳10(vee)給igbt提供反向偏置電壓;

　　腳11(vout)輸出驅動信號以驅動igbt;

　　腳12(vc)三級達林頓管集電極電源;

　　腳13(vcc2)驅動電壓源;

　　腳14(desat) igbt短路電流檢測;

　　腳15(vled2+)光耦測試引腳，懸掛;

　　腳16(ve)輸出基準地。

　　其工作原理如圖1所示。若vin+正常輸入，腳14沒有過流信號，且vcc2-ve=12v即輸出正向驅動電壓正常，驅動信號輸出高電平，故障信號和欠壓信號輸出低電平。首先3路信號共同輸入到jp3，d點低電平，b點也為低電平，50×dmos處于關斷狀態。此時jp1的輸入的4個狀態從上至下依次為低、高、低、低，a點高電平，驅動三級達林頓管導通，igbt也隨之開通。

　　若igbt出現過流信號(腳14檢測到igbt集電極上電壓=7v)，而輸入驅動信號繼續加在腳1，欠壓信號為低電平，b點輸出低電平，三級達林頓管被關斷，1×dmos導通，igbt柵射集之間的電壓慢慢放掉，實現慢降柵壓。當vout=2v時，即vout輸出低電平，c點變為低電平，b點為高電平，50×dmos導通，igbt柵射集迅速放電。故障線上信號通過光耦，再經過rs觸發器，q輸出高電平，使輸入光耦被封鎖。同理可以分析只欠壓的情況和即欠壓又過流的情況。

　　3.2驅動電路設計

　　驅動電路及參數如圖3所示。

　　hcpl-316j左邊的vin+，fault和reset分別與微機相連。r7，r8，r9，d5，d6和c12 起輸入保護作用，防止過高的輸入電壓損壞igbt，但是保護電路會產生約1μs延時，在開關頻率超過100khz時不適合使用。q3最主要起互鎖作用，當兩路pwm信號(同一橋臂)都為高電平時，q3導通，把輸入電平拉低，使輸出端也為低電平。圖3中的互鎖信號interlock，和interlock2分別與另外一個316j interlock2和interlock1相連。r1和c2起到了對故障信號的放大和濾波，當有干擾信號后，能讓微機正確接受信息。

　　在輸出端，r5和c7關系到igbt開通的快慢和開關損耗，增加c7可以明顯地減小dic/dt。首先計算柵極電阻：其中ion為開通時注入igbt的柵極電流。為使igbt迅速開通，設計，ionmax值為20a。輸出低電平vol=2v？傻曼/P>

　　c3是一個非常重要的參數，最主要起充電延時作用。當系統啟動，芯片開始工作時，由于igbt的集電極c端電壓還遠遠大于7v，若沒有c3，則會錯誤地發出短路故障信號，使輸出直接關斷。當芯片正常工作以后，假使集電極電壓瞬間升高，之后立刻恢復正常，若沒有c3，則也會發出錯誤的故障信號，使igbt誤關斷。但是，c3的取值過大會使系統反應變慢，而且在飽和情況下，也可能使igbt在延時時間內就被燒壞，起不到正確的保護作用， c3取值100pf，其延時時間

　　在集電極檢測電路用兩個二極管串連，能夠提高總體的反向耐壓，從而能夠提高驅動電壓等級，但二極管的反向恢復時間要很小，且每個反向耐壓等級要為1000v，一般選取byv261e，反向恢復時間75 ns。r4和c5的作用是保留hclp-316j出現過流信號后具有的軟關斷特性，其原理是c5通過內部mosfet的放電來實現軟關斷。圖3中輸出電壓vout經過兩個快速三極管推挽輸出，使驅動電流最大能達到20a，能夠快速驅動1700v、200-300a的igbt。

　　3.3驅動電源設計

　　在驅動設計中，穩定的電源是igbt能否正常工作的保證。如圖4所示。電源采用正激變換，抗干擾能力較強，副邊不加濾波電感，輸入阻抗低，使在重負載情況下電源輸出電壓仍然比較穩定。

　　當s開通時，+12v(為比較穩定的電源，精度很高)電壓便加到變壓器原邊和s相連的繞組，通過能量耦合使副邊經過整流輸出。當s關斷時，通過原邊二極管和其相連的繞組把磁芯的能量回饋到電源，實現變壓器磁芯的復位。555定時器接成多諧振蕩器，通過對c1的充放電使腳2和腳6的電位在4～8v之間變換，使腳3輸出電壓方波信號，并用方波信號來控制s的開通和關斷。+12v經過r1，d2給c1充電，其充電時間t1≈r1c2ln2;放電時間t2=r2c1ln2，充電時輸出高電平，放電時輸出低電平。所以占空比=t1/(t1+t2)。

　　變壓器按下述參數進行設計：原邊接+12v，頻率為60khz，工作磁感應強度bw為o.15t，副邊+15v輸出2a，-5v輸出1 a，效率n=80%，窗口填充系數km為o.5，磁芯填充系數kc為1，線圈導線電流密度d為3 a/mm2。則輸出功率

　　pt=(15+o.6)×2×2+(5+o.6)×1×2=64w。

　　變壓器磁芯參數

　　由于帶載后驅動電源輸出電壓會有所下降，所以，在實際應用中考慮提高頻率和占空比來穩定輸出電壓。

　　4 結語

　　本文設計了一個可驅動l700v，200～300a的igbt的驅動電路。硬件上實現了對兩個igbt(同一橋臂)的互鎖，并設計了可以直接給兩個igbt供電的驅動電源。