基于光耦hcpl316j的大功率igbt驱动电路研究

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1、基于光耦HCPL316J的大功率IGBT驱动电路研究IGBT驱动电阻光耦1 引言   绝缘栅型双极性晶体管（InsulatedGateBipolarTransistor-IGBT）是一种电压控制型功率器件，需要的驱动功率小，控制电路简单，导通压降低，且具有较大的安全工作区和短路承受能力，在中功率以上的逆变器中逐渐取代了POWERMOSFET和POWERBJT成为功率开关器件的重要一员。IGBT等功率器件占到逆变器整体成本60%以上，如何有效地驱动和保护IGBT，使其安全高效地工作，成了当前电力电子领域的一个重要课题。本文以光耦HCPL316J为核心，从IGBT功率与驱动

2、电路输出功率的关系，驱动电路电源以及保护电路设计等方面对IGBT驱动电路进行了研究，设计具有保护功能的驱动电路，并进行了实验。图1  IGBT驱动原理图 2  IGBT门极驱动电压   IGBT是电压控制型器件，开通和关断由栅极和发射极间的电压UGE决定，当在栅极和发射极加一大于开启电压UGE(th)的正电压时，IGBT导通，当栅极施加一负偏压或者栅压低于门限电压时，IGBT就关断[1]。典型的IGBT驱动原理图如图1所示，+UGE为正向开通电压，-UGE为关断电压。当UGE较小时，IGBT通态压降会变大，IGBT就容易发热，随着UGE增大，通态压降就降低，IGBT的通

3、态损耗就降低，当UGE很大时，容易造成栅极的击穿，并且还容易产生擎住效应，无法关断IGBT，损坏器件。根据器件手册，一般UGE=±20V选取范围为15V~18V。当关断IGBT时，为了实现快速关断，-UGE取负偏压，为了降低关断损耗和du/dt误触发，-UGE不应该太小，一般在-5V以下，典型的取值为-5V、-8V和-10V。 3  IGBT门极驱动电阻的计算   IGBT是通过门极电容的充放电来控制开通和关断，门极电容的充放电通过门极驱动电阻来控制。门极驱动电阻的大小影响IGBT的开关时间、开关损耗、反向偏压安全工作区、短路安全工作区等[2][3]，还与电路的EMI、

4、du/dt、di/dt等有着密切的关系，门极驱动电阻的选择是驱动电路设计的重要部分。附表[3]是驱动电阻的变化与驱动电路参数的关系。   从附表可以看出，门极驱动电阻越大，开关损耗和驱动脉冲上升下降时间就减少，相反，减少驱动电阻，开关损耗和脉冲上升下降时间就会增加。门极驱动电流的峰值可以表示为： (1)   其中：IGM是门极驱动电路输出的峰值电流；   VG(on)正偏压电源电压；   VG(off)负偏压电源电压；   RG驱动电路门极电阻；   RG(int)模块内部的驱动电阻。  (2)   总之，IGBT门极驱动电阻可以参考以下要求：   （1）额定电流大的器

5、件门极驱动电阻较小，额定电流小的器件，门极驱动电阻比较大。   （2）驱动电阻的最优选值可以取IGBT手册标注的电阻值的两倍。由于手册标注的电阻往往是最小的电阻，所以可以考虑选取两倍的电阻作为参考电阻，这样可以保证IGBT发生特殊情况时可靠关断。   开通电阻RG(on)往往比关断电阻RG(off)小，一般开通电阻可以取到关断电阻的1/2。 4  驱动电路的输出功率计算   当IGBT工作在高频开关状态下时，电路通过驱动电阻对IGBT的门极电容进行充放电，开关IGBT，图2是IGBT门极充电电荷特性图。根据门极特性，IGBT开通的过程是从0V充电到UGE，充电过程与输入

6、电容充电过程等效，关断过程则是放电的过程，充放电电流平均值可以通过以下近似公式来计算：   (3)   (4)   其中：fc是开关频率；   Qg是IGBT的充电电荷；   Cies是IGBT的输入电容。   设计驱动电路时，输出电流应该满足以上公式计算的电流。由于驱动电流流过门极驱动电阻，驱动的消耗可以按照门极电阻消耗来计算，由P=1×U进一步计算IGBT驱动所需要的功率[4]，开通需要的功率为：         (5)  关断需要的功率为：      (6)  因此需要的总功耗P为：       (7) 5  保护电路的设计   当IGBT发生短路时，额定电流会在

7、短时间达到额定电流的5~6倍，此时必须关断IGBT，否则会造成IGBT不可修复的损坏。为了保护功率器件不被损坏，需要设计保护电路。当发生过流时，UGE会迅速增加，通过监控UGE可以判断是否发生过流，当发生过流时，关断IGBT。   当IGBT工作在感性负载状态，发生关断时，反并二极管处在反向恢复状态，就会有很大的du/dt，加于集电极和发射极两端。由于密勒电容的存在，du/dt将在电容上产生瞬间电流，流向栅极驱动电路。该电流与门极驱动电阻RG作用，使UGE超过门限值，器件就会被误触发导通。为了防止门极电压过高，可以在门极驱动电路的末端安装