一种基于HCPL-316J的IGBT驱动电路设计

日期:2020-02-19编辑作者:技术中心

  :在较复杂的变流系统中,主控系统的延滞会影响IGBT模块故障保护的时效性,造成保护失败。针对这种情况,本文采用光耦驱动芯片HCPL-316J和DSP芯片设计了一种IGBT驱动电路,当光耦芯片故障信号发出后立即封锁IGBT驱动信号,完全消除了主控程序运行时长对故障保护的影响。通过模拟过流实验和实际应用表明,本设计故障保护响应迅速,运行稳定可靠。

  摘要:在较复杂的变流系统中,主控系统的延滞会影响IGBT模块故障保护的时效性,造成保护失败。针对这种情况,本文采用光耦驱动芯片HCPL-316J和DSP芯片设计了一种IGBT驱动电路,当光耦芯片故障信号发出后立即封锁IGBT驱动信号,完全消除了主控程序运行时长对故障保护的影响。通过模拟过流实验和实际应用表明,本设计故障保护响应迅速,运行稳定可靠。

  光耦驱动芯片HCPL-316J是Agilent公司[编者注:2014年8月更名为keysight(是德)公司]生产的栅极驱动电路产品之一,可用于驱动150A/1200V的IGBT,开关速度为0.5µs,有过流检测和欠电压封锁输出。当过电流发生时,能输出故障信号(供保护用),并使IGBT软关断[1]。近年来,HCPL-316J的应用研究得到了重视,从目前公开发表的文献来看,研究主要侧重于输出电路部分,重点是过流软关断的原理、工作过程和实用电路设计,对故障信号反馈端和控制信号输入端的应用研究不多。在文献[2-7]中均提到将故障信号反馈给主控芯片,但没有深入的研究如何充分利用该信号端提高驱动电路的整体性能。

  光耦HCPL-316J的过流保护具有自锁功能,并可设定保护盲区,能有效防止IGBT在工作中瞬时过流而使保护误动作[7]。当过流是由故障引起的,驱动电路将故障信号反馈给主控DSP,主控芯片接收到故障信号后,封锁系统中所有驱动芯片的控制信号,实现故障保护。但在实际应用过程中,某些系统的主控程序复杂,运行时间长,造成故障信号发出后,系统不能及时封锁所有IGBT的驱动电路,部分IGBT模块仍然强行工作,引发严重的后果。

  本文针对上述问题设计了一种IGBT驱动电路,不仅具备可靠的过流软关断功能,而且故障保护响应及时,不受主控程序运行时间延滞的影响。

  HCPL-316J有Vin+、Vin-两个控制信号输入端。常见的应用思路是将PWM信号从其中一个输入端引入,另一个输入端的电平始终保持不变,如图1 所示。这样,只要主控芯片有PWM信号输出,HCPL-316J就能驱动IGBT工作。这种应用方式实际上是在两个输入端中选择一个使用,另一个端子的功能没有得到充分的利用。

  本文设计的IGBT驱动电路,PWM信号从Vin- 输入,Vin+ 输入端与HCPL-316J的故障报警反馈端相连,如图2所示。HCPL-316J的故障报警是低电平有效,正常工作时,故障报警输出端是高电平,Vin+ 端也是高电平,PWM信号能从Vin-输入到HCPL-316J内部。当HCPL-316J检测到故障时,故障报警反馈端输出低电平,Vin+ 端电平被拉抵,PWM信号不能从Vin-输入到HCPL-316J内部。

  图3为IGBT驱动电路原理图,图中两个光耦芯片各自驱动一个IGBT模块,当有更多个光耦芯片时,参照此图进行连接。以其中的HCPL-316J(1)芯片为例,其输出电路主要分为以下三个部分:R3、R4、R5、Q1、Q2组成的栅极推挽驱动电路;R2、D2组成的过流检测电路;D3、C2、C3、C4组成的保护电路。输出电路主要用于实现对IGBT的推挽驱动和过流检测,相关原理和应用在文献[2-7]中已有详细介绍,这里不再赘述。

  原理图中的PWM控制信号由主控芯片DSP生成,从光耦的Vin-端输入,同时,所有光耦使用同一个复位信号RESET。每个光耦的故障信号输出反馈端接一个钳位二极管(如图3中的D1、D4),钳位二极管阴极接光耦输出端,所有钳位二极管的阳极连接成一点,作为驱动模块总故障信号FAULT。FAULT信号线又连接到所有光耦的Vin+端,同时经限流电路R1接+5V电源。系统正常工作时,光耦的Vin+端和FAULT信号线均呈现高电平,钳位二极管处于截止状态,PWM控制信号从Vin-端输入到光耦内部,光耦在DSP的控制下驱动IGBT工作。

  当某一个光耦芯片检测到故障时,其故障输出反馈端呈现低电平,端子上的钳位二极管导通,总故障信号FAULT变低,向主控芯片发出故障报警信号,同时所有光耦芯片的Vin+端被钳定在低电平,Vin-端子上的PWM信号无法输入到光耦内部,在第一时间封锁所有光耦的输入,IGBT失去驱动信号而停止工作,实现了对IGBT模块的故障快速保护功能。显然,在主控芯片封锁PWM控制信号之前,驱动电路已经阻止PWM信号的输入,这样就解决了主控程序运行时长对故障保护时效性的影响。

  为验证过流保护的时效应,在HCPL-316J(1)芯片DESAT端突加一个电压信号,模拟系统过流故障状态,在4通道示波器DSOX2004A上观察到的实验波形如图4所示。当VDESAT17V时,HCPL-316J(1)芯片进入过流软关断的工作过程,将自身驱动的IGBT(1)软关断,同时发出故障报警信号, VFAULT信号由高变低。一旦VFAULT变为低电平,HCPL-316J(2)芯片的输出VGE2电压信号立即下降为零,第一时间关断IGBT(2),实现故障快速保护,而主控DSP在经过2μs后才封锁控制信号PWM2。

  本文设计的基于HCPL-316J的IGBT驱动电路重点在于对HCPL-316J的信号输入端Vin+、Vin-和故障信号反馈端FAULT的应用研究,实验结果表明本设计能充分保证故障保护的快速性,尤其适用于控制系统复杂,主控程序运行时间较长的场所。

  本驱动电路已成功应用于储能变流器中蓄电池逆变电源系统,无故障时逆变模块能稳定连续运行,过流故障时能快速实现保护,大大降低了逆变模块关键元器件损坏的机率。

  [1]陈国呈.新型电力电子变换技术[M].北京:中国电力出版社,2004

  [2]郑飞,费树岷,周杏鹏.基于DSP和FPGA的光伏并网控制器设计与实现[J].电力自动化设备,2011,31(2):84-89

  [5]白鑫,张莉,李琛.超级电容器恒功率放电系统中IGBT驱动的设计[J].电测与仪表.2010,47(9):73-76

  [6]潘江洪,苏建微,杜雪芳.IGBT高压大功率驱动和保护电路的应用研究[J].电源技术应用.2005,8(11):51-55

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关键词: 模块保护故障

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