集成电路中的基于HCPL-316J的IGBT驱动电路设计
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2020-10-19
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集成电路中的基于集成电路中的基于HCPL-316J的的IGBT驱动电路设计驱动电路设计
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。 引言 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0.5s，有过流检测和欠电压封锁输出。当过
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。
引言引言
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0.5s，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。
1 应用电路设计应用电路设计
1.1 设计思路
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。
1.2 应用电路实现
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。
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