关键词：变频器；逆变器；IGBT；驱动电路

1  引言

IGBT因有着高频通断、高耐压、低导通阻抗、驱动方便等特点^[1]，在行业内被广泛应用，尤其是在变频器行业^[2]。而IGBT的正确运行取决于驱动电路的合理性，良好的驱动电路可以做到集驱动、保护于一体，大大简化了电路设计，提高了产品的安全性、可靠性^[3]。HCPL-316J的应用电路如图1所示。

图1  HCPL-316J与FP50R12KT4应用的结构框图

FP50R12KT4是英飞凌公司EconoPIM™ 2系列产品，该种型号IGBT集成了三相整流桥、一个制动用斩波器、一个三相逆变桥和一个用于测量温度的NTC热敏电阻，阻断电压为1200V。HCPL-316J是Agilent公司推出的一款输出高达2A且带过流保护的IGBT驱动光耦^[4]，可驱动IGBT最高为150A/1200V级，光学隔离，带故障反馈输出，软关断技术，集成过流，欠压保护^[5]。

2  驱动电路设计

2.1  316J的工作原理

HCPL-316J的内部结构如图2所示。

图2  HCPL-316J的内部结构图

316J有两种触发模式，一种是低电平有效，V_IN+保持高电平，VIN-触发，另一种是高电平有效，V_IN-保持低电平，V_IN+触发。该芯片有三个内部信号控制设备输出的状态：信号LED的状态、UVLO和故障信号。如果在IGBT集电极上没有检测到故障，且电源电压高于UVLO阈值，则LED信号将控制设备输出状态。设备逻辑级包括一个互锁，以确保输出级中的上拉和下拉器件不会同时处于开启状态。如果检测到欠压情况，无论LED的状态如何，输出将被50倍DMOS器件主动拉低。如果在信号LED亮起时检测到IGBT饱和故障，则故障信号将锁定在高电平状态。达林顿和50倍DMOS器件被禁用，一个较小的1倍DMOS下拉器件被激活，使IGBT栅极缓慢放电。当输出下降到2V以下时，50×DMOS器件再次导通，将IGBT栅极稳固地夹在V_EE上。故障信号保持锁定在高电平状态，直到信号LED熄灭。

2.2  316J的应用电路

图3中仅给出了一相中下桥的驱动电路，其余电路与此相同。

当IGBT导通时，芯片内部的恒流源流出的电流经过电阻R13、R14和二极管D8、D9所产生的压降VR13、VR14、VD8、VD9，加上IGBT导通时的管压降V_CE，当时，即IGBT出现过电流情况：首先，Vout输出变低，关断IGBT并且锁定，防止流过IGBT的电流进一步上升。同时，引脚6的故障信号立即变为低电平发送到控制器，控制器再根据此信号对PWM信号进行控制。控制器在接收到故障信号后的下一PWM周期开始，若发出PWM信号，则会以低电平时的PWM信号作为RESET复位信号，允许再次开通IGBT。如此周而复始的循环，实现电流保护。

图3  HCPL-316J应用电路

3  实验分析

将上述电路在Altium Designer16上绘制PCB电路图，然后投产。在电路板做好后手工焊接元器件，用IGBT驱动板测试工具（该设备用来模拟控制器发出PWM波形和产生故障提示），以及万用表、24V开关电源、示波器等设备进行试验，所使用的部分设备如图4(a)所示，图4(b)和(c)分别为IGBT驱动板的正反面。

IGBT驱动板包含U、V、W三相的驱动电路，本次试验连接的是IGBT的下桥，用双路示波器测量W相的相关波形。首先按照图4(a)连接电路，将示波器的其中一路夹在驱动板的W相输出端，即IGBT的基极，另一路夹在IGBT的C、E两端，然后便可以进行测试了。

先把24V开关电源通上电，然后按下测试设备上“Start”按钮，测量设备开始发出PWM信号给驱动板，即模拟变频器中控制系统所发出的PWM信号，在电路连接正常的情况下，驱动板会根据收到的PWM状态发出控制IGBT基极的信号，从而改变IGBT导通和关断的状态。

此时运行的状态波形如图5所示，其中黄色波形测量的是W相的输出信号，即IGBT基极的控制信号，蓝色波形测量的是驱动板过电压检测波形。

图4  实验设备和PCB电路板

图5  W相运行波形

由图5黄色波形可以看出，IGBT基极的导通电压在10V左右，关断电压在-7V左右。之所以采用负电压，一是为了缩短IGBT关断时间，二是避免基极电压有波动时IGBT误动作。蓝色波形即为过电压检测波形，当该波形的电压超过7V时，就会产生过电压故障。该波形会随着G极的导通，而产生一个上升沿，此处的电压容易泵升，若处理不好则会产生过电流的错误故障。图6将该细节进行了放大处理，可以看出，该波形在上升的瞬间会产生一个下拉电压，避免在IGBT导通瞬间产生泵升波形，从而避免了不必要的错误故障。

图6 过电压检测波形

当发生故障时，如欠电压、过电流等故障，要求IGBT可以在最短的时间内关闭，避免严重事故发生。图7中显示了在IGBT烧坏的情况下运行该驱动所产生的的故障波形。在IGBT导通的瞬间，该驱动会像正常一样工作，当检测电路发现IGBT故障时，电压立马下降，同时控制IGBT的G极电压下降，直至完全关断，整个工作的过程被控制在20微妙内。

图7  故障波形

4  结束语

该电路的设计优化了IGBT的驱动波形，尤其是在IGBT导通瞬间，使得检测电路的电压瞬间降低，避免了由泵升电压干扰而产生的误动作，其次是在故障响应的时间上有很大的优势，提高了保护效率，可以极大地降低重大事故的发生率。再者，该驱动电路可以适应不同功率的IGBT，通过调节稳压二极管，即可改变过电流检测的等级，极大地提高了适应性。实验证明，该驱动电路可靠性高，可以在行业内得到很好的应用