基于光耦ACPL-339J的IGBT驱动电路设计

第３１卷第８期　２０１５年８月　电力科学与工程　Ｖｏ１．３１．ＮＯ．８　２５　Ａｕｇ．，２０１５　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　基于光耦ＡＣＰＬ．３３９Ｊ的ＩＧＢＴ驱动电路设计　徐斯锐　，周芝峰　，杨恩星　，徐清彬　（１．上海电机学院电气学院，上海２００２４０；２．上海电气输配电集团技术中心，上海２０００４２）　摘要：针对大功率ＩＧＢＴ对驱动和保护电路的要求，采用ＡＣＰＬ一３３９Ｊ智能ＩＧＢＴ门驱动光电耦合芯片设计　了大功率ＩＧＢＴ的驱动电路，包括驱动信号整形电路、去饱和（ＤＥＳＡＴ）电路、门极驱动保护电路等。　并且使用改进Ｐｕｓｈ—Ｐｕｌｌ拓扑结构设计了高效简单的ＤＣ／ＤＣ隔离电源电路，计算了隔离变压器的设计参　数。最后，通过双脉冲和短路实验验证了驱动电路的快速响应能力、安全性、稳定性。　关键词：ＡＣＰＬ一３３９Ｊ；ＩＧＢＴ驱动；ＤＣ／ＤＣ电源；Ｐｕｓｈ—Ｐｕｌｌ；隔离变压器　中图分类号：ＴＭ４６１　文献标识码：Ａ　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—０７９２．２０１５．０８．００５　护、　去饱和、欠压闭锁、高速光耦隔离、光　０　引言　绝缘栅双极型晶体管（ＩＧＢＴ）新型功率器　隔离故障反馈等，降低了驱动电路的开发复杂　度　。最大工作隔离电压Ｖ…　：１　４１４　Ｖ，最大信　号延迟３００　ｎｓ，工作电压范围１５～３０　Ｖ；检测到　短路故障时执行软关断功能，并通过光耦隔离向　ＤＳＰ／ＦＰＧＡ发出故障报警信号；正负压欠压闭锁　功能。　件，具有控制简单、驱动功率低、高输入阻抗、　开关状态损耗小、开关速度高、较大的载流能力　等优点…，被越来越广泛的应用于风力发电、太　阳能发电、新能源汽车、电网输配电、轨道交通　等领域　。ＩＧＢＴ工作的开关频率在数１０　ｋＨｚ左　右，除了ＩＧＢＴ自身的特性参数以外，驱动电路的　各项特性对保证ＩＧＢＴ功率电路高效、稳定、安全　的工作都起着至关重要的作用　。　设计的驱动电路采用ＡＣＰＬ一３３９Ｊ光耦芯片来　隔离控制电路与功率电路，使用高频率脉冲变压　器设计隔离电源，以达到对爬电距离和电气间隙　的要求，实现控制电路和功率电路的安全隔离。　驱动的ＩＧＢＴ（Ｉｎｆｉｎｅｏｎ　ＦＳ１００Ｒ１２ＫＴ４Ｇ）电流为　１００　Ａ电压为１　２００　Ｖ。　图１　ＡＣＰＬ－３３９Ｊ内部结构　２驱动及保护电路设计　１　ＡＣＰＬ－３３９Ｊ简介　驱动电路整体结构如图２所示，电路主要由　ＡＣＰＬ一３３９Ｊ内部结构如图１所示，ＡＣＰＬ一　３３９Ｊ是ＡＶＡＧＯ公司一款高集成度的智能光电耦　合驱动芯片，１　Ａ电流双输出驱动，可连接多种　规格的ＭＯＳＦＥＴ以增加驱动能力。集成了短路保　收稿日期：２０１５—０５—１１。　输入信号窄脉冲抑制电路、光耦隔离与反馈电路、　检测保护电路、外部驱动电路、隔离电源电路组　成，使用图２中３个相同的电路组成三相全桥电　路，完成三相全桥整流的测试。　作者简介：徐斯锐（１９９１一），男，硕士研究生，研究方向为风力发电变流器、电力电子技术，Ｅ—ｍａｉｌ：ｆｅｉｔｈｒｅｅ＠１２６．ｃｏｒｎ。　２６　电力科学与工程　ＴｏＰ　ＩＧＢＴ　ＢＯＴＴｏＭ　ＩＧＢＴ　图２驱动电路整体结构　２．１　输入信号整形及故障反馈电路　ＰＷＭ控制信号接ＤＳＰ／ＦＰＧＡ引脚或者是光纤　头电路信号引脚，处理器输出信号一般不能直接　接到ＡＣＰＬ一３３９Ｊ的输入端，因为驱动电流较小，　容易产生误触发信号。并且电路可能存在ＥＭＩ干　扰导致ＩＧＢＴ门极误触发，光耦输入端需要配备信　号滤波整形电路。主要是抑制输入信号中的窄脉　冲，一般使用ＲＣ滤波网络，但会使传输延迟的　抖动明显增加，采用Ｒ．／Ｃ　与１５　Ｖ供电的施密特　触发器Ｑ　串联来解决这个问题，如图３所示。例　如，如果开通信号电平为１０　Ｖ，关断信号电平为　５　Ｖ，则施密特触发器Ｑ　输入回差电压为５　Ｖ。在　ＩＮ引脚开通电平为１５　ｖ时，电阻Ｒ．将给电容ｃ　充电，当Ｃ　两端电压达到１０　Ｖ，施密特触发器　Ｑ　就会翻转。在ＩＮ引脚为关断下降信号，当Ｃ　两端电压小于５　Ｖ时，施密特触发器Ｑ　将会翻　图３　输入信号整形及故障反馈电路　转，有效地改善了驱动波形。　故障反馈电路如图３所示，当发生过流或欠　压故障时，故障信号通过光耦ＬＥＤ２反馈给处理　器。如果电路正常时ＬＥＤ２是关断的，那么在　或　欠压时，驱动电流可能不足以使ＬＥＤ２开通　反馈欠压故障信号。为了避免这种情况，ＬＥＤ２必　须在电路正常时是常开的。为了降低电能损耗，　ＬＥＤ２是由内部一个占空比为５０％，频率为５　ＭＨｚ　的晶振来驱动。用ＲＣ网络来滤除ＦＡＵＬＴ引脚的　震荡信号，得到稳定的低电平反馈信号。ＲＣ网络　由ＦＡＵＬＴ引脚滤波电容Ｃ　和上拉电阻　组成。　为了实现有效的滤波和高信噪比，Ｃ　使用１　ｎＦ陶　瓷电容，上拉电阻Ｒ　为ｌ０　ｋＤ．，上拉电压为　３．３　Ｖ。　２．２欠压锁定保护　ＩＧＢＴ门极驱动电压不足会增大门极电阻，增　加开关损耗，关断门极电压不足会导致ＩＧＢＴ误触　发，损坏ＩＧＢＴ。ＡＣＰＬ一３３９Ｊ不问断监控输出驱动　电压，在输出驱动电压低于ＵＶＬＯ所设的阈值时，　会关断ＩＧＢＴ。ＡＣＰＬ　３３９Ｊ欠压锁定由两部分组　成，ＵＶＬＯ—Ｐ控制ＶＯＵＴＰ引脚以及ＵＶＬＯ—Ｎ控　制ＶＯＵＴＮ引脚，ＵＶＬＯ比ＤＥＳＡＴ有更高的优先　级，最大限度地保证ＩＧＢＴ的安全。　２．３去饱和和软关断电路　去饱和电路如图４所示，由ＡＣＰＬ一３３９Ｊ的　ＤＥＳＡＴ（１５引脚）进行检测，当ＩＧＢＴ发生过流　时ＩＧＢＴ集电极电压会迅速上升，若超过　所设　定的保护电压。ＤＥＳＡＴ引脚电压也会上升，电压　超过８　Ｖ时，ＡＣＰＬ一３３９Ｊ芯片内部会启动保护机　制，通过Ｖ　。　（引脚１４）外接ＭＯＳＦＥＴ　Ｑ　软关　断ＩＧＢＴ。软关断时问可通过电阻　和Ｑ　进行调　图４驱动及保护电路　第８期　徐斯锐，等基于光耦ＡＣＰＬ一３３９Ｊ的ＩＧＢＴ驱动电路设计　２７　整，以降低对ＩＧＢＴ的冲击　。使用二极管进行检　测去饱和保护，在ＩＧＢＴ关断期间，Ｄ。和　ＤＥＳＡＴ设置为　将　的２～３倍，关断损耗要大１０％，综合考虑选门极　关断电压一　为一１０　Ｖ。　电平，从而将ｃ　预充／放电至负　为一１０　Ｖ。在ＩＧＢＴ　隔离电源设计要满足对爬电距离和电气间隙　以及稳定性的要求，电路如图５所示，采用改进　Ｐｕｓｈ—Ｐｕｌｌ拓扑结构，电路结构简单，可实现多路　电源电压，该电压相对于　开通期间，通过电阻　将电容Ｃ　充电到＋１５　Ｖ，　ＩＧＢＴ正常导通，在集电极电位降到某一水平之　后，Ｃ　的电压将被二极管Ｄ　，Ｄ　钳位住，避免　电压输出”’　。输出副边绕组接方向相反的二极管　Ｄ　和Ｄ　，在电源脉冲开通和关断时都能输出电　误操作。电阻Ｒ　的值可通过式（１）计算，以确　定开通所需要的响应时间Ｔ　１　０００‘Ｔ。　Ｒ３　Ｃ６　（　式中：　是驱动输出关断电压，这里为一１０　Ｖ。　最短开通所需要的响应时间不应低于１　Ｉｘｓ。　在ＩＧＢＴ关断时集电极会产生短时反向大电　流，可能会击穿二极管Ｄ　，Ｄ　，使其损坏。这样　电阻　持续向电容ｃ　充电，致使电容Ｃ　电压上　升超过ＤＥＳＡＴ阈值电压，导致误操作，所以二极　管Ｄ　，Ｄ　应使用快速恢复型二极管。保护电压等　级可通过改变串联的二极管个数来实现Ｖ　＝Ｖ　＋ｎＶ。，１２为串联二极管的个数，　二极管正向导　通压降，　。　这里为８　Ｖ，　为ＩＧＢＴ　Ｃ—Ｅ问的电　压。同时，ＩＧＢＴ并联的二极管续流产生的正向瞬　态电压，可能会击穿二极管，在ＤＥＳＡＴ引脚产生　大电压，对芯片造成损害，所以在ＤＥＳＡＴ引脚和　二极管Ｄ　，Ｄ　之间串联一个百ｎ等级的保护电　媾蛹　阻Ｒ　，所串联的电阻并不会对去饱和产生影响。　３隔离电源设计　从ＦＳ１００Ｒ１２ＫＴ４Ｇ数据手册中的输出特性曲　线图可以看出，在集电极电流相同的情况下，门　极电压越高，饱和管压降越小，但门极电压也不　能过大，一般在±２０　Ｖ范围内，过大会增加开关　损耗　。门极开通电压越高，器件反应速度也越　快，对保护电路的要求也会更加严格，综合这些　因素，选门极开通电压＋　为＋ｉ５　Ｖ。　门极关断电压的选取主要保证关断的可靠性，　当关断为０　Ｖ时，ＩＧＢＴ不能可靠关断。同时关断　电压影响关断时间，以及关断损耗，研究表明，　关断电压０　Ｖ时的关断时间是关断电压一１５　Ｖ时　压，设计电源脉冲占空比为６０％满足＋１５　Ｖ，一　１０　Ｖ电压输出，下面是变压器的设计步骤。　ＶＳＳ＋１　５　Ｖ　图５　ＤＣ／ＤＣ隔离电源电路　变压器工作频率１５０　ｋＨｚ，输出功率１．５　Ｗ，　根据爬电距离的要求以及所需的变压器窗口面积　选择ＥＥ２５铁氧体磁芯。　（１）原边最大电流：　厂　Ｉ。ｐ　．ｒ＝芝　２叼　ＤＭ３　ＰＮ　ＬＣ．Ａ　ｘ　＝—２—　—０　６　×　．　５　（＿×　１　×５　０　．　　６＝。…—．３８５（　—Ａ）　　（２）　式中：Ｐ　为输出功率（Ｗ）；叼为变压器效率；Ｖ　为原边输入电压（Ｖ）；Ｄ　为占空比最大值。　（２）原边绕组匝数：　Ⅳ　＝　Ｖ　＝——△ＢＡ　＝　＝一０　２３４　×４９　４．　＝＝　．Ｉ５．１９（匝）（３）…　（Ｊ、一　）　　Ｉ　ｊ）　．　式中：Ｎ　这里取６匝；ｔ。　为电源脉冲导通时间按　６０％占空比计算（　ｓ）；ＡＢ为磁通密度０．２３４　（Ｔ）；Ａ　为磁芯有效截面积ＥＥ２５为４９．２（ｍｍ　）。　（３）副边绕组匝数：　Ⅳ　：　！　：　＿±＿１５　　：１０．３（匝）、Ｌ一／　　（４）、　／　式中：副边绕组匝数要大于上式计算值取１１匝；　为副边整流二极管导通正向压降。　（４）原边绕组电感：　２８　电力科学与工程　Ｐ一　等Ｉ＝一　　．０　　３８５＝ｌ一　‘５５．　８（＼　　（　／５／）　＝●｜■　量　＂　＼　ｆ　（５）磁路气隙：　２，Ｊ：　：　，Ｊ。　０）（６）．１５５８　：ｏ．０１４（　、　　式中：　为真空磁导率４可×１０。（Ｈ／ｍ）。　４　实验结果　在测试驱动电路的基本功能正常之后，配合　所要驱动的ＩＧＢＴ模块Ｆｓ１００Ｒ１２ＫＴ４Ｇ搭建硬件实　验平台，如图６所示。主要完成双脉冲测试和短　路测试这两个实验，电路主要参数配置如下：直　流母线电容采样一　辩．ｖ。。　１２个一　警　。。Ｎ一６８０　Ｆ金属膜电容并联，　一　梁＞。　一　　使用层叠式母排连接，减小回路杂散电感；负载　使用空心电感防止饱和；放电电阻选择铝壳电阻　阻值为１５　ｋＱ；短路实验时使用粗短铜线短接ＩＧ—　ＢＴ上管两端；在ＩＧＢＴ上下管两端并人一个１．５　ｔｘＦ的吸收电容。脉冲信号用光纤从信号发生器接　入驱动电路，避免干扰。　图６实验测试平台　所设计的驱动电路配合ＦＳ１００Ｒ１２ＫＴ４Ｇ进行　双脉冲实验测试，脉冲时间间隔为１０　ｌｘｓ一１０　Ｉ．ＺＳ　一１５　ｓ，图７是Ｖｏ　：４５６　Ｖ时驱动信号　及ＩＧ—　ＢＴ发射极电流，　的波形，，负载电感值为１５０　ＩｘＨ。　在没有Ｃ　时第一次开通波形顶部会有轻幅的震　荡，当加一个１００　ｎＦ的电容后，震荡情况明显改　善，但电容也不能太大，太大会增加开关损耗并　且对信号造成一定的延时。在第一次关断时，由　于电流探头放在下管的发射机处，所以检测不到　Ｉ　一　Ｌ／　，　　ｌ・■＿　ＩＪ　　—一　Ｌ　一Ｉ／　最）最大电半Ｉ　电平　４３）、：：４５６　１８　５　Ａ　ｃ　Ｖ　最大电平（２）：１４．３　Ｖ　图７双脉冲驱动测试波形　二极管续流电流。在第二次开通时刻，续流二极　管进入反向恢复阶段，反向恢复电流会经过ＩＧ—　ＢＴ。在ＩＧＢＴ再次被关断时，应为母线杂散电感　的存在，会产生电压尖峰，图７中电压尖峰在８０　Ｖ左右，在正常范围内，ＩＧＢＴ可以安全关断。　图８是ＩＧＢＴ短路测试的波形，用短粗铜线短　接ＩＧＢＴ上管测试下管，一般母线电压设置在５００　Ｖ左右，太大会产生极高的电流，太小可能触发　不了短路保护，这两种情况都可能损坏ＩＧＢＴ。在　发脉冲之前要断开电源，只使用电容供电。如图　８在ＩＧＢＴ开通后，下管集射极电压　下降，电　流，　急剧上升，保护电路检测到过流立刻关断ＩＧ—　ＢＴ，Ｖ。恢复到母线电压，射极电流，　也不再上　升，驱动电路在１０　Ｉｘｓ以内完成保护操作。　最　大为４５５　Ｖ，Ｉ　最大为４７６　Ａ，在脉冲时间分别设　为１２　ｓ，１５　ｓ，１８　Ｉｘｓ时，驱动电路能够在１０　Ｉｘｓ以内完全关断ＩＧＢＴ，有效保护了ＩＧＢＴ不被　击穿。　图８短路保护测试波形　第８期　徐斯锐，等基于光耦ＡＣＰＬ－３３９Ｊ的ＩＧＢＴ驱动电路设计　２９　［２］　张斌．高压ＩＧＢＴ的设计与实现及功率器件可靠性研究　５　结论　使用ＡＣＰＬ一３３９Ｊ智能光耦芯片设计的大功率　ＩＧＢＴ驱动电路，包括去饱和和欠压闭锁电路，在　ＩＧＢＴ发生过流或短路时能够快速切断电路，并及　时地反馈故障给处理器，实验验证了保护的可靠　性。采用改进Ｐｕｓｈ—Ｐｕｌｌ拓扑结构设计隔离电源电　路，并且讨论了电源隔离变压器的设计计算方法。　双脉冲试验中，驱动电路在ＩＧＢＴ开通以及关断的　［Ｄ］．杭州：浙江大学，２０１３．　［３］　罗毅飞，刘宾礼，汪波，等．ＩＧＢＴ开关机理对逆变器死　区时间的影响［Ｊ］．电机与控制学报，２０１４，１８（５）：　６２—６８．　［４］　王勋，李琳，高学敏，等．基于ＩＧＢＴ串联的电压源换　流器的电动力计算及振动分析［Ｊ］．电力科学与工程，　２０１４，３０（３）：２９—３４．　［５］　吴迅．用于能量回收的大功率ＤＣ／ＤＣ装置的研究与实　现［Ｄ］．武汉：武汉工程大学，２０１４．　［６］　唐开毅．中高压大功率ＩＧＢＴ驱动保护电路及应用研究　［Ｄ］．长沙：湖南大学，２０１４．　过程中，在信号延迟、抗干扰方面都有较好的性　能。此设计结构简单、价格便宜，可以方便地应　用到多种规格ＩＧＢＴ的驱动电路之中。　［７］　朱昊，韦钢，陈秋南，等．分布式电源单相并网逆变器　控制方法研究［Ｊ］．电力科学与工程，２０１３，２９（９）：　参考文献　６—１２．　［８］　陈骞，郑琼林，李艳．单电感电流连续型推挽类拓扑的　［１］胡浩．智能功率集成电路中部分模块的研究［Ｄ］．成　都：电子科技大学，２０１２．　推衍和特性研究［Ｊ］．中国电机工程学报，２０１３，３３　（６）：８５—９２．　Ｔｈｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ＩＧＢＴ　Ｄｒｉｖｉｎｇ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｏｐｔｏｃｏｕｐｌｅｒ　ＡＣＰＬ－３３９Ｊ　Ｘｕ　Ｓｉｒｕｉ　，Ｚｈｏｕ　Ｚｈｉｆｅｎｇ　，Ｙａｎｇ　Ｅｎｘｉｎｇ　，Ｘｕ　Ｑｉｎｇｂｉｎ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　ＤｉａｎＪｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００２４０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｅｎｔｅｒ，　Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ＆Ｄｉｓｔｉｂｕｔｉｒｏｎ　Ｇｒｏｕｐ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００４２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｅｄ　ａｔ　ｔｈｅ　ｄｒｉｖｅ　ａｎｄ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ＩＧＢＴ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｅｍｐｌｏｙｅｄ　ｔｈｅ　ＡＣ．　，ＰＬ一３３９Ｊ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ＩＧＢＴ　ｇａｔｅ　ｄｒｉｖｅｒ　ｏｐｔｏｃｏｕｐｌｅｒ　ｃｈｉｐ　ｔｏ　ｄｅｓｉｇｎ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ＩＧＢＴ　ｄｒｉｖｅｒ　ｃｉｒｃｕｉｔｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｒｉｖｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｓｈａｐｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ，ＤＥＳＡＴ　ｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｈｅ　ｇａｔｅ　ｄｒｉｖｅｒ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔａｎｄ　ＳＯ　ｏｎ．Ａｎｄ　ｉｔ　ａｌｓｏ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｔｈｅ　，ｓｉｍｐｌｅ　ａｎｄ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ＤＣ／ＤＣ　ｉｓｏｌａｔｉｏｎ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｃｉｒｃｕｉｔ，ａｎｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｓｏｌａｔｉｏｎ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｂｙ　ａｄｏｐｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　Ｐｕｓｈ—Ｐｕｌｌ　ｔｏｐｏｌｏｇｙ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｆｉｎａｌｌｙｄｏｕｂｌｅ　ｐｕｌｓｅ　ａｎｄ　ｓｈｏｒｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｅｘｐｅｒｉ．　，ｍｅｎｔ　ｖｅｒｉｆｉｅｄ　ｔｈｅ　ｆａｓｔ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ａｂｉｌｉｔｙ，ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ａｎｄ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｒｉｖｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡＣＰＬ一３３９Ｊ；ＩＧＢＴ　ｄｒｉｖｅ；ＤＣ／ＤＣ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ；Ｐｕｓｈ—Ｐｕｌｌ；ｉｓｏｌａｔｉｏｎ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ