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光耦常用參數(shù)
正向壓降VF：二極管通過的正向電流為規(guī)定值時(shí)，正負(fù)極之間所產(chǎn)生的電壓降。
正向電流IF：在被測(cè)管兩端加一定的正向電壓時(shí)二極管中流過的電流。
反向電流IR：在被測(cè)管兩端加規(guī)定反向工作電壓VR時(shí)，二極管中流過的電流。
反向擊穿電壓VBR：：被測(cè)管通過的反向電流IR為規(guī)定值時(shí)，在兩極間所產(chǎn)生的電壓降。
結(jié)電容CJ：在規(guī)定偏壓下，被測(cè)管兩端的電容值。
反向擊穿電壓V(BR)CEO：發(fā)光二極管開路，集電極電流IC為規(guī)定值，集電極與發(fā)射集間的電壓降。
輸出飽和壓降VCE(sat)：發(fā)光二極管工作電流IF和集電極電流IC為規(guī)定值時(shí)，并保持IC/IF≤CTRmin時(shí)（CTRmin在被測(cè)管技術(shù)條件中規(guī)定）集電極與發(fā)射極之間的電壓降。
反向截止電流ICEO：發(fā)光二極管開路，集電極至發(fā)射極間的電壓為規(guī)定值時(shí)，流過集電極的電流為反向截止電流。
電流傳輸比CTR：輸出管的工作電壓為規(guī)定值時(shí)，輸出電流和發(fā)光二極管正向電流之比為電流傳輸比CTR。
脈沖上升時(shí)間tr、下降時(shí)間tf：光耦合器在規(guī)定工作條件下，發(fā)光二極管輸入規(guī)定電流IFP的脈沖波，輸出端管則輸出相應(yīng)的脈沖波，從輸出脈沖前沿幅度的10%到90%，所需時(shí)間為脈沖上升時(shí)間tr。從輸出脈沖后沿幅度的90%到10%，所需時(shí)間為脈沖下降時(shí)間tf。
傳輸延遲時(shí)間tPHL、tPLH：光耦合器在規(guī)定工作條件下，發(fā)光二極管輸入規(guī)定電流IFP的脈沖波，輸出端管則輸出相應(yīng)的脈沖波，從輸入脈沖前沿幅度的50%到輸出脈沖電平下降到1.5V時(shí)所需時(shí)間為傳輸延遲時(shí)間tPHL。從輸入脈沖后沿幅度的50%到輸出脈沖電平上升到1.5V時(shí)所需時(shí)間為傳輸延遲時(shí)間tPLH。
入出間隔離電容CIO：光耦合器件輸入端和輸出端之間的電容值。
入出間隔離電阻RIO：半導(dǎo)體光耦合器輸入端和輸出端之間的絕緣電阻值。
入出間隔離電壓VIO：光耦合器輸入端和輸出端之間絕緣耐壓值。
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常用的器件。光電耦合器分為兩種：一種為非線性光耦，另一種為線性光耦。
常用的4N系列光耦屬于非線性光耦
常用的線性光耦是PC817A—C系列。
非線性光耦的電流傳輸特性曲線是非線性的，這類光耦適合于弄開關(guān)信號(hào)的傳輸，不適合于傳輸模擬量。
線性光耦的電流傳輸手特性曲線接進(jìn)直線，并且小信號(hào)時(shí)性能較好，能以線性特性進(jìn)行隔離控制。
開關(guān)電源中常用的光耦是線性光耦。如果使用非線性光耦，有可能使振蕩波形變壞，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)寄生振蕩，使數(shù)千赫的振蕩頻率被數(shù)十到數(shù)百赫的低頻振蕩依次為號(hào)調(diào)制。由此產(chǎn)生的后果是對(duì)彩電，彩顯，VCD，DCD等等，將在圖像畫面上產(chǎn)生干擾。同時(shí)電源帶負(fù)載能力下降。
在彩電，顯示器等開關(guān)電源維修中如果光耦損壞，一定要用線性光耦代換。
常用的4腳線性光耦有PC817A----C。PC111 TLP521等常用的六腳線性光耦有：TLP632 TLP532 PC614 PC714 PS2031等。
常用的4N25 4N26 4N35 4N36是不適合用于開關(guān)電源中的，因?yàn)檫@4種光耦均屬于非線性光耦。
以下是目前市場(chǎng)上常見的高速光藕型號(hào)：
  
100K bit/S:
6N138、6N139、PS8703

1M bit/S:
6N135、6N136、CNW135、CNW136、PS8601、PS8602、PS8701、PS9613、PS9713、CNW4502、HCPL-2503、HCPL-4502、HCPL-2530（雙路）、HCPL-2531（雙路）

10M bit/S:
6N137、PS9614、PS9714、PS9611、PS9715、HCPL-2601、HCPL-2611、HCPL-2630（雙路）、HCPL－2631（雙路）
光耦合器的增益被稱為晶體管輸出器件的電流傳輸比 (CTR)，其定義是光電晶體管集電極電流與LED正向電流的比率(ICE/IF)。光電晶體管集電極電流與VCE有關(guān)，即集電極和發(fā)射極之間的電壓。
可控硅型光耦
還有一種光耦是可控硅型光耦。
例如：moc3063、IL420；
它們的主要指標(biāo)是負(fù)載能力；
例如：moc3063的負(fù)載能力是100mA；IL420是300mA；

光耦使用技巧
光電耦合器(簡(jiǎn)稱光耦)，是一種把發(fā)光元件和光敏元件封裝在同一殼體內(nèi)，中間通過電→光→電的轉(zhuǎn)換來(lái)傳輸電信號(hào)的半導(dǎo)體光電子器件。光電耦合器可根據(jù)不同要求，由不同種類的發(fā)光元件和光敏元件組合成許多系列的光電耦合器。目前應(yīng)用最廣的是發(fā)光二極管和光敏三極管組合成的光電耦合器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1a所示。
光耦以光信號(hào)為媒介來(lái)實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的耦合與傳遞，輸入與輸出在電氣上完全隔離，具有抗干擾性能強(qiáng)的特點(diǎn)。對(duì)于既包括弱電控制部分，又包括強(qiáng)電控制部分的工業(yè)應(yīng)用測(cè)控系統(tǒng)，采用光耦隔離可以很好地實(shí)現(xiàn)弱電和強(qiáng)電的隔離，達(dá)到抗干擾目的。但是，使用光耦隔離需要考慮以下幾個(gè)問題：
① 光耦直接用于隔離傳輸模擬量時(shí)，要考慮光耦的非線性問題；
② 光耦隔離傳輸數(shù)字量時(shí)，要考慮光耦的響應(yīng)速度問題；
③ 如果輸出有功率要求的話，還得考慮光耦的功率接口設(shè)計(jì)問題。
1 光電耦合器非線性的克服
光電耦合器的輸入端是發(fā)光二極管，因此，它的輸入特性可用發(fā)光二極管的伏安特性來(lái)表示，如圖1b所示；輸出端是光敏三極管，因此光敏三極管的伏安特性就是它的輸出特性，如圖1c所示。由圖可見，光電耦合器存在著非線性工作區(qū)域，直接用來(lái)傳輸模擬量時(shí)精度較差。

圖1 光電耦合器結(jié)構(gòu)及輸入、輸出特性
解決方法之一，利用2個(gè)具有相同非線性傳輸特性的光電耦合器，T1和T2，以及2個(gè)射極跟隨器A1和A2組成，如圖2所示。如果T1和T2是同型號(hào)同批次的光電耦合器，可以認(rèn)為他們的非線性傳輸特性是完全一致的，即K1(I1)=K2(I1)，則放大器的電壓增益G=Uo/U1=I3R3/I2R2=(R3/R2)[K1(I1)/K2(I1)]=R3/R2。由此可見，利用T1和T2電流傳輸特性的對(duì)稱性，利用反饋原理，可以很好的補(bǔ)償他們?cè)瓉?lái)的非線性。

圖2 光電耦合線性電路
另一種模擬量傳輸?shù)慕鉀Q方法，就是采用VFC(電壓頻率轉(zhuǎn)換)方式，如圖3所示�，F(xiàn)場(chǎng)變送器輸出模擬量信號(hào)(假設(shè)電壓信號(hào))，電壓頻率轉(zhuǎn)換器將變送器送來(lái)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖序列，通過光耦隔離后送出。在主機(jī)側(cè)，通過一個(gè)頻率電壓轉(zhuǎn)換電路將脈沖序列還原成模擬信號(hào)。此時(shí)，相當(dāng)于光耦隔離的是數(shù)字量，可以消除光耦非線性的影響。這是一種有效、簡(jiǎn)單易行的模擬量傳輸方式。

圖3 VFC方式傳送信號(hào)
當(dāng)然，也可以選擇線性光耦進(jìn)行設(shè)計(jì)，如精密線性光耦TIL300，高速線性光耦6N135/6N136。線性光耦一般價(jià)格比普通光耦高，但是使用方便，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單；隨著器件價(jià)格的下降，使用線性光耦將是趨勢(shì)。
2 提高光電耦合器的傳輸速度
當(dāng)采用光耦隔離數(shù)字信號(hào)進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，光電耦合器的傳輸特性，即傳輸速度，往往成為系統(tǒng)最大數(shù)據(jù)傳輸速率的決定因素。在許多總線式結(jié)構(gòu)的工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中，為了防止各模塊之間的相互干擾，同時(shí)不降低通訊波特率，我們不得不采用高速光耦來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊之間的相互隔離。常用的高速光耦有6N135/6N136，6N137/6N138。但是，高速光耦價(jià)格比較高，導(dǎo)致設(shè)計(jì)成本提高。這里介紹兩種方法來(lái)提高普通光耦的開關(guān)速度。
由于光耦自身存在的分布電容，對(duì)傳輸速度造成影響，光敏三極管內(nèi)部存在著分布電容Cbe和Cce，如圖4所示。由于光耦的電流傳輸比較低，其集電極負(fù)載電阻不能太小，否則輸出電壓的擺幅就受到了限制。但是，負(fù)載電阻又不宜過大，負(fù)載電阻RL越大，由于分布電容的存在，光電耦合器的頻率特性就越差，傳輸延時(shí)也越長(zhǎng)。

圖4 光敏三極管內(nèi)部分布電容
用2只光電耦合器T1，T2接成互補(bǔ)推挽式電路，可以提高光耦的開關(guān)速度，如圖5所示。當(dāng)脈沖上升為“1”電平時(shí)，T1截止，T2導(dǎo)通。相反，當(dāng)脈沖為“0”電平時(shí)，T1導(dǎo)通，T2截止。這種互補(bǔ)推挽式電路的頻率特性大大優(yōu)于單個(gè)光電耦合器的頻率特性。

圖5 2只光電耦合器構(gòu)成的推挽式電路
此外，在光敏三極管的光敏基極上增加正反饋電路，這樣可以大大提高光電耦合器的開關(guān)速度。如圖6所示電路，通過增加一個(gè)晶體管，四個(gè)電阻和一個(gè)電容，實(shí)驗(yàn)證明，這個(gè)電路可以將光耦的最大數(shù)據(jù)傳輸速率提高10倍左右。

圖6 通過增加光敏基極正反饋來(lái)提高光耦的開關(guān)速度
3 光耦的功率接口設(shè)計(jì)
微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，經(jīng)常要用到功率接口電路，以便于驅(qū)動(dòng)各種類型的負(fù)載，如直流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、各種電磁閥等。這種接口電路一般具有帶負(fù)載能力強(qiáng)、輸出電流大、工作電壓高的特點(diǎn)。工程實(shí)踐表明，提高功率接口的抗干擾能力，是保證工業(yè)自動(dòng)化裝置正常運(yùn)行的關(guān)鍵。
就抗干擾設(shè)計(jì)而言，很多場(chǎng)合下，我們既能采用光電耦合器隔離驅(qū)動(dòng)，也能采用繼電器隔離驅(qū)動(dòng)。一般情況下，對(duì)于那些響應(yīng)速度要求不很高的啟停操作，我們采用繼電器隔離來(lái)設(shè)計(jì)功率接口；對(duì)于響應(yīng)時(shí)間要求很快的控制系統(tǒng)，我們采用光電耦合器進(jìn)行功率接口電路設(shè)計(jì)。這是因?yàn)槔^電器的響應(yīng)延遲時(shí)間需幾十ms，而光電耦合器的延遲時(shí)間通常都在10us之內(nèi)，同時(shí)采用新型、集成度高、使用方便的光電耦合器進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)接口電路設(shè)計(jì)，可以達(dá)到簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，降低散熱的目的。
圖7是采用光電耦合器隔離驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載的典型電路。因?yàn)槠胀ü怆婑詈掀鞯碾娏鱾鬏敱菴RT非常小，所以一般要用三極管對(duì)輸出電流進(jìn)行放大，也可以直接采用達(dá)林頓型光電耦合器(見圖8)來(lái)代替普通光耦T1。例如東芝公司的4N30。對(duì)于輸出功率要求更高的場(chǎng)合，可以選用達(dá)林頓晶體管來(lái)替代普通三極管，例如ULN2800高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品，它的輸出電流和輸出電壓分別達(dá)到500mA和50V。

圖7 光電隔離，加三極管放大驅(qū)動(dòng)

圖8 達(dá)林頓型光電耦合器
對(duì)于交流負(fù)載，可以采用光電可控硅驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行隔離驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，例如TLP541G，4N39。光電可控硅驅(qū)動(dòng)器，特點(diǎn)是耐壓高，驅(qū)動(dòng)電流不大，當(dāng)交流負(fù)載電流較小時(shí)，可以直接用它來(lái)驅(qū)動(dòng)，如圖9所示。當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，可以外接功率雙向可控硅，如圖10所示。其中，R1為限流電阻，用于限制光電可控硅的電流；R2為耦合電阻，其上的分壓用于觸發(fā)功率雙向可控硅。

圖9 小功率交流負(fù)載

圖10 大功率交流負(fù)載
當(dāng)需要對(duì)輸出功率進(jìn)行控制時(shí)，可以采用光電雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器，例如MOC3010。圖11為交流可控驅(qū)動(dòng)電路，來(lái)自微機(jī)的控制信號(hào) 經(jīng)過光電雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器T1隔離，控制雙向可控硅T2的導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)交流負(fù)載的功率控制。

圖11 交流可控電路
圖12為交流電源輸出直流可控電路。來(lái)自微機(jī)的控制信號(hào) 經(jīng)過光電雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器隔離，控制可控硅橋式整流電路導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)交流一直流的功率控制。此電路已經(jīng)應(yīng)用在我們實(shí)驗(yàn)室研制的新型電機(jī)控制設(shè)備中，效果良好。

圖12 交-直流可控
4 結(jié)束語(yǔ)
本文從光電耦合器的基本結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)出發(fā)，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的非線性、響應(yīng)速度、功率接口設(shè)計(jì)三個(gè)方面，提出了相應(yīng)的幾種電路設(shè)計(jì)方案，并介紹了各種不同類型的光電耦合器及其應(yīng)用實(shí)例

IGBT高壓大功率驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的應(yīng)用研究


0 引言
IGBT在以變頻器及各類電源為代表的電力電子裝置中得到了廣泛應(yīng)用。IGBT集雙極型功率晶體管和功率MOSFET的優(yōu)點(diǎn)于一體，具有電壓控制、輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)功率小、控制電路簡(jiǎn)單、開關(guān)損耗小、通斷速度快和工作頻率高等優(yōu)點(diǎn)。

但是，IGBT和其它電力電子器件一樣，其應(yīng)用還依賴于電路條件和開關(guān)環(huán)境。因此，IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路是電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，是整個(gè)裝置運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

為解決IGBT的可靠驅(qū)動(dòng)問題，國(guó)外各IGBT生產(chǎn)廠家或從事IGBT應(yīng)用的企業(yè)開發(fā)出了眾多的IGBT驅(qū)動(dòng)集成電路或模塊，如國(guó)內(nèi)常用的日本富士公司生產(chǎn)的EXB8系列，三菱電機(jī)公司生產(chǎn)的M579系列，美國(guó)IR公司生產(chǎn)的IR21系列等。但是，EXB8系列、M579系列和IR21系列沒有軟關(guān)斷和電源電壓欠壓保護(hù)功能，而惠普生產(chǎn)的HCLP一316J有過流保護(hù)、欠壓保護(hù)和1GBT軟關(guān)斷的功能，且價(jià)格相對(duì)便宜，因此，本文將對(duì)其進(jìn)行研究，并給出1700V，200～300A IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路。

1 IGBT的工作特性
IGBT是一種電壓型控制器件，它所需要的驅(qū)動(dòng)電流與驅(qū)動(dòng)功率非常小，可直接與模擬或數(shù)字功能塊相接而不須加任何附加接口電路。IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷是由柵極電壓UGE來(lái)控制的，當(dāng)UGE大于開啟電壓UGE(th)時(shí)IGBT導(dǎo)通，當(dāng)柵極和發(fā)射極間施加反向或不加信號(hào)時(shí)，IGBT被關(guān)斷。

IGBT與普通晶體三極管一樣，可工作在線性放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)，其主要作為開關(guān)器件應(yīng)用。在驅(qū)動(dòng)電路中主要研究IGBT的飽和導(dǎo)通和截止兩個(gè)狀態(tài)，使其開通上升沿和關(guān)斷下降沿都比較陡峭。

2 IGBT驅(qū)動(dòng)電路要求
在設(shè)計(jì)IGBT驅(qū)動(dòng)時(shí)必須注意以下幾點(diǎn)。

1)柵極正向驅(qū)動(dòng)電壓的大小將對(duì)電路性能產(chǎn)生重要影響，必須正確選擇。當(dāng)正向驅(qū)動(dòng)電壓增大時(shí)，．IGBT的導(dǎo)通電阻下降，使開通損耗減��；但若正向驅(qū)動(dòng)電壓過大則負(fù)載短路時(shí)其短路電流IC隨UGE增大而增大，可能使IGBT出現(xiàn)擎住效應(yīng)，導(dǎo)致門控失效，從而造成IGBT的損壞；若正向驅(qū)動(dòng)電壓過小會(huì)使IGBT退出飽和導(dǎo)通區(qū)而進(jìn)入線性放大區(qū)域，使IGBT過熱損壞；使用中選12V≤UGE≤18V為好。柵極負(fù)偏置電壓可防止由于關(guān)斷時(shí)浪涌電流過大而使IGBT誤導(dǎo)通，一般負(fù)偏置電壓選一5V為宜。另外，IGBT開通后驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供足夠的電壓和電流幅值，使IGBT在正常工作及過載情況下不致退出飽和導(dǎo)通區(qū)而損壞。

2)IGBT快速開通和關(guān)斷有利于提高工作頻率，減小開關(guān)損耗。但在大電感負(fù)載下IGBT的開關(guān)頻率不宜過大，因?yàn)楦咚匍_通和關(guān)斷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很高的尖峰電壓，極有可能造成IGBT或其他元器件被擊穿。

3)選擇合適的柵極串聯(lián)電阻RG和柵射電容CG對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)相當(dāng)重要。RG較小，柵射極之間的充放電時(shí)間常數(shù)比較小，會(huì)使開通瞬間電流較大，從而損壞IGBT；RG較大，有利于抑制dvce／dt，但會(huì)增加IGBT的開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗。合適的CG有利于抑制dic／dt，CG太大，開通時(shí)間延時(shí)，CG太小對(duì)抑制dic／dt效果不明顯。

4)當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，柵射電壓很容易受IGBT和電路寄生參數(shù)的干擾，使柵射電壓引起器件誤導(dǎo)通，為防止這種現(xiàn)象發(fā)生，可以在柵射間并接一個(gè)電阻。此外，在實(shí)際應(yīng)用中為防止柵極驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)高壓尖峰，最好在柵射間并接兩只反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管，其穩(wěn)壓值應(yīng)與正負(fù)柵壓相同。

3 HCPL-316J驅(qū)動(dòng)電路
3.1 HCPL-316J內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理
HCPL-316J的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，其外部引腳如圖2所示。
　



從圖1可以看出，HCPL-316J可分為輸入IC(左邊)和輸出IC(右邊)二部分，輸入和輸出之間完全能滿足高壓大功率IGBT驅(qū)動(dòng)的要求。

各引腳功能如下：
腳1(VIN+)正向信號(hào)輸入；
腳2(VIN-)反向信號(hào)輸入；
腳3(VCG1)接輸入電源；
腳4(GND)輸入端的地；
腳5(RESERT)芯片復(fù)位輸入端；
腳6(FAULT) 故障輸出，當(dāng)發(fā)生故障(輸出正向電壓欠壓或IGBT短路)時(shí)，通過光耦輸出故障信號(hào)；
腳7(VLED1+)光耦測(cè)試引腳，懸掛；
腳8(VLED1-)接地；
腳9，腳10(VEE)給IGBT提供反向偏置電壓；
腳11(VOUT)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)以驅(qū)動(dòng)IGBT；
腳12(VC)三級(jí)達(dá)林頓管集電極電源；
腳13(VCC2)驅(qū)動(dòng)電壓源；
腳14(DESAT) IGBT短路電流檢測(cè)；
腳15(VLED2+)光耦測(cè)試引腳，懸掛；
腳16(VE)輸出基準(zhǔn)地。

其工作原理如圖1所示。若VIN+正常輸入，腳14沒有過流信號(hào)，且VCC2-VE=12v即輸出正向驅(qū)動(dòng)電壓正常，驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出高電平，故障信號(hào)和欠壓信號(hào)輸出低電平。首先3路信號(hào)共同輸入到JP3，D點(diǎn)低電平，B點(diǎn)也為低電平，50×DMOS處于關(guān)斷狀態(tài)。此時(shí)JP1的輸入的4個(gè)狀態(tài)從上至下依次為低、高、低、低，A點(diǎn)高電平，驅(qū)動(dòng)三級(jí)達(dá)林頓管導(dǎo)通，IGBT也隨之開通。

若IGBT出現(xiàn)過流信號(hào)(腳14檢測(cè)到IGBT集電極上電壓=7V)，而輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)繼續(xù)加在腳1，欠壓信號(hào)為低電平，B點(diǎn)輸出低電平，三級(jí)達(dá)林頓管被關(guān)斷，1×DMOS導(dǎo)通，IGBT柵射集之間的電壓慢慢放掉，實(shí)現(xiàn)慢降柵壓。當(dāng)VOUT=2V時(shí)，即VOUT輸出低電平，C點(diǎn)變?yōu)榈碗娖剑珺點(diǎn)為高電平，50×DMOS導(dǎo)通，IGBT柵射集迅速放電。故障線上信號(hào)通過光耦，再經(jīng)過RS觸發(fā)器，Q輸出高電平，使輸入光耦被封鎖。同理可以分析只欠壓的情況和即欠壓又過流的情況。

3．2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)電路及參數(shù)如圖3所示。

　
HCPL-316J左邊的VIN+，F(xiàn)AULT和RESET分別與微機(jī)相連。R7，R8，R9，D5，D6和C12 起輸入保護(hù)作用，防止過高的輸入電壓損壞IGBT，但是保護(hù)電路會(huì)產(chǎn)生約1µs延時(shí)，在開關(guān)頻率超過100kHz時(shí)不適合使用。Q3最主要起互鎖作用，當(dāng)兩路PWM信號(hào)(同一橋臂)都為高電平時(shí)，Q3導(dǎo)通，把輸入電平拉低，使輸出端也為低電平。圖3中的互鎖信號(hào)Interlock，和Interlock2分別與另外一個(gè)316J Interlock2和Interlock1相連。R1和C2起到了對(duì)故障信號(hào)的放大和濾波，當(dāng)有干擾信號(hào)后，能讓微機(jī)正確接受信息。

在輸出端，R5和C7關(guān)系到IGBT開通的快慢和開關(guān)損耗，增加C7可以明顯地減小dic／dt。首先計(jì)算柵極電阻：其中ION為開通時(shí)注入IGBT的柵極電流。為使IGBT迅速開通，設(shè)計(jì)，IONMAX值為20A。輸出低電平VOL=2v�？傻�


C3是一個(gè)非常重要的參數(shù)，最主要起充電延時(shí)作用。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)，芯片開始工作時(shí)，由于IGBT的集電極C端電壓還遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于7V，若沒有C3，則會(huì)錯(cuò)誤地發(fā)出短路故障信號(hào)，使輸出直接關(guān)斷。當(dāng)芯片正常工作以后，假使集電極電壓瞬間升高，之后立刻恢復(fù)正常，若沒有C3，則也會(huì)發(fā)出錯(cuò)誤的故障信號(hào)，使IGBT誤關(guān)斷。但是，C3的取值過大會(huì)使系統(tǒng)反應(yīng)變慢，而且在飽和情況下，也可能使IGBT在延時(shí)時(shí)間內(nèi)就被燒壞，起不到正確的保護(hù)作用， C3取值100pF，其延時(shí)時(shí)間


在集電極檢測(cè)電路用兩個(gè)二極管串連，能夠提高總體的反向耐壓，從而能夠提高驅(qū)動(dòng)電壓等級(jí)，但二極管的反向恢復(fù)時(shí)間要很小，且每個(gè)反向耐壓等級(jí)要為1000V，一般選取BYV261E，反向恢復(fù)時(shí)間75 ns。R4和C5的作用是保留HCLP-316J出現(xiàn)過流信號(hào)后具有的軟關(guān)斷特性，其原理是C5通過內(nèi)部MOSFET的放電來(lái)實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷。圖3中輸出電壓VOUT經(jīng)過兩個(gè)快速三極管推挽輸出，使驅(qū)動(dòng)電流最大能達(dá)到20A，能夠快速驅(qū)動(dòng)1700v、200-300A的IGBT。

3．3驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)
在驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中，穩(wěn)定的電源是IGBT能否正常工作的保證。如圖4所示。電源采用正激變換，抗干擾能力較強(qiáng)，副邊不加濾波電感，輸入阻抗低，使在重負(fù)載情況下電源輸出電壓仍然比較穩(wěn)定。


當(dāng)s開通時(shí)，+12v(為比較穩(wěn)定的電源，精度很高)電壓便加到變壓器原邊和S相連的繞組，通過能量耦合使副邊經(jīng)過整流輸出。當(dāng)S關(guān)斷時(shí)，通過原邊二極管和其相連的繞組把磁芯的能量回饋到電源，實(shí)現(xiàn)變壓器磁芯的復(fù)位。555定時(shí)器接成多諧振蕩器，通過對(duì)C1的充放電使腳2和腳6的電位在4～8v之間變換，使腳3輸出電壓方波信號(hào)，并用方波信號(hào)來(lái)控制S的開通和關(guān)斷。+12v經(jīng)過R1，D2給C1充電，其充電時(shí)間t1≈R1C2ln2；放電時(shí)間t2=R2C1ln2，充電時(shí)輸出高電平，放電時(shí)輸出低電平。所以占空比=t1／(t1+t2)。

變壓器按下述參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)：原邊接+12v，頻率為60kHz，工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bw為O．15T，副邊+15v輸出2A，-5v輸出1 A，效率n=80％，窗口填充系數(shù)Km為O．5，磁芯填充系數(shù)Kc為1，線圈導(dǎo)線電流密度d為3 A／mm2。則輸出功率
PT=(15+O．6)×2×2+(5+O．6)×1×2=64W。

變壓器磁芯參數(shù)


由于帶載后驅(qū)動(dòng)電源輸出電壓會(huì)有所下降，所以，在實(shí)際應(yīng)用中考慮提高頻率和占空比來(lái)穩(wěn)定輸出電壓。

4 結(jié)語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)了一個(gè)可驅(qū)動(dòng)l700v，200～300A的IGBT的驅(qū)動(dòng)電路。硬件上實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩個(gè)IGBT(同一橋臂)的互鎖，并設(shè)計(jì)了可以直接給兩個(gè)IGBT供電的驅(qū)動(dòng)電源。

HCPL-316J特性

　　HCPL-316J是由Agilent公司生產(chǎn)的一種IGBT門極驅(qū)動(dòng)光耦合器，其內(nèi)部集成集電極發(fā)射極電壓欠飽和檢測(cè)電路及故障狀態(tài)反饋電路，為驅(qū)動(dòng)電路的可靠工作提供了保障。其特性為：兼容CMOS/TYL電平；光隔離，故障狀態(tài)反饋；開關(guān)時(shí)間最大500ns；“軟”IGBT關(guān)斷；欠飽和檢測(cè)及欠壓鎖定保護(hù)；過流保護(hù)功能；寬工作電壓范圍(15～30V)；用戶可配置自動(dòng)復(fù)位、自動(dòng)關(guān)閉。 DSP與該耦合器結(jié)合實(shí)現(xiàn)IGBT的驅(qū)動(dòng)，使得IGBT VCE欠飽和檢測(cè)結(jié)構(gòu)緊湊，低成本且易于實(shí)現(xiàn)，同時(shí)滿足了寬范圍的安全與調(diào)節(jié)需要。

HCPL-316J保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)

　　HCPL-316J內(nèi)置豐富的IGBT檢測(cè)及保護(hù)功能，使驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)起來(lái)更加方便，安全可靠。其中下面詳述欠壓鎖定保護(hù)(UVLO) 和過流保護(hù)兩種保護(hù)功能的工作原理：

(1)IGBT欠壓鎖定保護(hù)(UVLO)功能

　　在剛剛上電的過程中，芯片供電電壓由0V逐漸上升到最大值。如果此時(shí)芯片有輸出會(huì)造成IGBT門極電壓過低，那么它會(huì)工作在線性放大區(qū)。HCPL316J芯片的欠壓鎖定保護(hù)的功能(UVLO)可以解決此問題。當(dāng)VCC與VE之間的電壓值小于12V時(shí)，輸出低電平，以防止IGBT工作在線性工作區(qū)造成發(fā)熱過多進(jìn)而燒毀。示意圖詳見圖1中含UVLO部分。






圖1 HCPL-316J內(nèi)部原理圖




　　驅(qū)動(dòng)電路的主要邏輯部件是芯片HCPL-316J。它控制IGBT管的導(dǎo)通、關(guān)斷并且保護(hù)IGBT。它的輸出功能可以簡(jiǎn)略的用下面的邏輯功能表來(lái)描述。(詳見表1)
(2)IGBT過流保護(hù)功能

　　HCPL-316J具有對(duì)IGBT的過流保護(hù)功能，它通過檢測(cè)IGBT的導(dǎo)通壓降來(lái)實(shí)施保護(hù)動(dòng)作。同樣從圖上可以看出，在其內(nèi)部有固定的7V電平，在檢測(cè)電路工作時(shí)，它將檢測(cè)到的IGBT C～E極兩端的壓降與內(nèi)置的7V電平比較，當(dāng)超過7V時(shí)，HCPL-316J芯片輸出低電平關(guān)斷IGBT，同時(shí)，一個(gè)錯(cuò)誤檢測(cè)信號(hào)通過片內(nèi)光耦反饋給輸入側(cè)，以便于采取相應(yīng)的解決措施。在IGBT關(guān)斷時(shí)，其C～E極兩端的電壓必定是超過7V的，但此時(shí)，過流檢測(cè)電路失效，HCPL-316J芯片不會(huì)報(bào)故障信號(hào)。實(shí)際上，由于二極管的管壓降，在IGBT的C～E 極間電壓不到7V時(shí)芯片就采取保護(hù)動(dòng)作。
　　
驅(qū)動(dòng)電路方案設(shè)計(jì)

表1 HCPL-316J邏輯功能表








　　表格中最后一列為輸出。當(dāng)輸出為High時(shí)IGBT導(dǎo)通，否則IGBT關(guān)斷。IGBT導(dǎo)通需要同時(shí)具備最后一行的五個(gè)條件，缺一不可，即同相輸入為高；反相輸入為低；欠壓保護(hù)功能無(wú)效；未檢測(cè)到IGBT故障，無(wú)故障反饋信號(hào)或故障反饋信號(hào)已被清除。

　　根據(jù)上述輸出控制功能，設(shè)計(jì)電路如圖2。







圖2 IGBT驅(qū)動(dòng)電路





　　當(dāng)HCPL-316J輸出端VOUT輸出為高電平時(shí)，推挽電路上管(T1)導(dǎo)通，下管(T2)截止， 三端穩(wěn)壓塊LM7915輸出端加在IGBT門極(VG1)上，IGBT VCE為15V，IGBT導(dǎo)通。當(dāng)HCPL-316J輸出端VOUT輸出為低電平時(shí)，上管(T1)截止，下管(T1)導(dǎo)通，VCE為-9V，IGBT關(guān)斷。以上就是IGBT的開通關(guān)斷過程。

　　整個(gè)電路板的作用相當(dāng)于一個(gè)光耦隔離放大電路。它的核心部分是芯片HCPL-316J，其中由控制器(DSP-TMS320F2812)產(chǎn)生XPWM1及XCLEAR*信號(hào)輸出給HCPL-316J，同時(shí)HCPL-316J產(chǎn)生的IGBT故障信號(hào)FAULT*給控制器。同時(shí)在芯片的輸出端接了由NPN和PNP組成的推挽式輸出電路,目的是為了提高輸出電流能力，匹配IGBT驅(qū)動(dòng)要求。

HCPL-316J
2.5 Amp Gate Drive Optocoupler with Integrated (VCE)
Desaturation Detection and Fault Status Feedback
Description
Avago’s 2.5 Amp Gate Drive Optocoupler with Integrated
Desaturation (VCE) Detection and Fault Status Feedback
makes IGBT VCE  fault protection compact, afordable, and
easy-to-implement while satisfying worldwide safety and
regulatory requirements.
Features
•  2.5 A maximum peak output current
•  Drive IGBTs up to IC = 150 A, VCE = 1200 V
•  Optically isolated, FAULT status feedback
•  SO-16 package
•  CMOS/TTL compatible
•  500 ns max. switching speeds
Features (continued)
•  “Soft” IGBT turn-of
•  Integrated fail-safe IGBT protection
– Desat (VCE) detection
  – Under Voltage Lock-Out protection (UVLO)
with    hysteresis
•  User confgurable: inverting, noninverting, auto-reset,
auto-shutdown
•  Wide operating VCC range: 15 to 30 Volts
•  -40°C to +100°C operating temperature range
•  15 kV/µs min. Common Mode Rejection (CMR) at
VCM = 1500 V
•  Regulatory approvals: UL, CSA, IEC/EN/DIN EN 60747-
5-2 (891 Vpeak Working Voltage)

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安華高編碼器在伺服電機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用
精確而可靠地發(fā)出檢測(cè)信號(hào)并控制系統(tǒng)精準(zhǔn)運(yùn)行是伺服系統(tǒng)工作良好的保證。光電編碼器具有測(cè)速精度高、分辨率能力強(qiáng)、受器件影響小的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于調(diào)速要求高、調(diào)速范圍范圍大的調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)。AVAGO編碼器AEDB-9340系列和AEAT-9000系列，可以提高伺服系統(tǒng)的定位精度，改善伺服電機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

AVAGO領(lǐng)先業(yè)界的六通道換向光學(xué)編碼器AEDB-9340系列在設(shè)計(jì)上為無(wú)刷直流電機(jī) (BLDC) 閉環(huán)控制提供了反饋機(jī)制。這款光學(xué)編碼器集成通道A、B和I作為位置反饋，并使用通道U、V和W檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置，大力矩啟動(dòng)伺服電機(jī)。

AEAT-9000系列是AVAGO超高精度17位單圈絕對(duì)式編碼器，最大分辨率可達(dá)131072位置/轉(zhuǎn)。具有可靈活配置的3線/2線SSI接口，利用SPI接口方便快捷完成微控制對(duì)編碼器的模式配置。


以上兩個(gè)系列都屬于投射型光電編碼器。可通過重新配置碼盤樣式簡(jiǎn)單更改極對(duì)數(shù)，不需任何硬件修改，高效快速應(yīng)用到伺服控制中，本文就以上兩系列產(chǎn)品做簡(jiǎn)單介紹。


一、AEDB-9340產(chǎn)品介紹


1.六通道換向光學(xué)編碼器



AEDB-9340作為典型的六通道透射式、增量光電編碼器，能提供A、B、I三通道位置反饋信號(hào)，同時(shí)提供U、V、W三通道電機(jī)換向信號(hào)。在位置信號(hào)輸出的同時(shí)，能根據(jù)單圈指示信號(hào) I 輸出相關(guān)的UVW三路換向信號(hào)，其輸出可以直接用做無(wú)刷電機(jī)的電子換向信號(hào)，如下圖：



2.產(chǎn)品特點(diǎn)


AEDB-9340的A、B、I通道位置輸出精度可以達(dá)到2500CPR，最高能有150KHz的頻率響應(yīng)，軸徑大小則由 3mm到10mm。開關(guān)精確度也比傳統(tǒng)的霍爾傳感器高很多，AEDB-9340編碼器系列的換向精確度小于±1機(jī)械角度，這個(gè)集成解決方案免除了無(wú)刷直流電機(jī)回饋霍爾傳感器的使用，不僅可以降低成本，還能改善整體系統(tǒng)的性能，同時(shí)可以縮小集成反饋器件無(wú)刷直流電機(jī)的整體尺寸大小。


AEDB-9340可以很好的應(yīng)用于打印機(jī)，繪圖儀，傳送帶，以及工廠自動(dòng)化設(shè)備等方面。


二、AEAT-9000產(chǎn)品介紹


1.超高精度17位單圈絕對(duì)式編碼器



AEAT-9000屬于多位輸出型編碼器，它的串行輸出SSI有兩種方式。NSL用作使能腳，在SCL時(shí)鐘到來(lái)要讀取位置數(shù)據(jù)之前，NSL先要為低電平。當(dāng)SCL時(shí)鐘為低是，DOUT上的數(shù)據(jù)就被讀走。如下圖



在一些點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸中，使用去掉NSL的2線模式，其中NSL一直被拉低。當(dāng)然它的傳輸速度也變?yōu)?.5Mhz。如下圖所示



2.產(chǎn)品特點(diǎn)


AEAT-9000有正余弦模擬輸出和增量式A、B數(shù)字輸出供用戶選擇,精度可以達(dá)到2048CPR。SSI輸出的速率有1.5Mhz和10Mhz，方便用戶選擇并且提高了可靠性，電源電壓5V，軸徑大小則由 3mm到12mm。正余弦通道的差補(bǔ)提高了AEAT-9000的精度，這對(duì)伺服系統(tǒng)的位置、速度精度大大提高，SPI接口方便了用戶對(duì)AEAT-9000的靈活配置，降低了伺服系統(tǒng)的體積。


AEAT-9000編碼器主要應(yīng)用要求比較高的場(chǎng)合，如伺服電機(jī)、工業(yè)和海事閥控制、高精度測(cè)試和測(cè)量?jī)x器、工廠自動(dòng)化設(shè)備、紡織、木工及包裝機(jī)械、風(fēng)力渦輪機(jī)等。


三、AEDB-9340和AEAT-9000在伺服電機(jī)中應(yīng)用



上圖為安華高編碼器在伺服系統(tǒng)中應(yīng)用框圖。


AEDB-9340在系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)位置信號(hào)A、B、I三個(gè)通道輸出，根據(jù)位置計(jì)算伺服電機(jī)的運(yùn)行速度，對(duì)主控制器要求的位置和速度進(jìn)行精確的控制。同時(shí)，在伺服電機(jī)特別是BLDC無(wú)刷電機(jī)的控制中，可以將光電編碼器產(chǎn)生的UVW三個(gè)換向信號(hào)直接用于馬達(dá)的換向信號(hào)，而不做額外的信號(hào)處理。編碼器的響應(yīng)速度快，能適應(yīng)于多種運(yùn)行速度的伺服電機(jī),相比之下，霍爾傳感器則增加了伺服電機(jī)尺寸、設(shè)計(jì)復(fù)雜性和組裝成本。


如果用戶對(duì)成本不是很敏感，對(duì)控制精度，干擾和位置準(zhǔn)確性比較高的話，安華高超高精度AEAT-9000可供選擇，在伺服框圖中，模擬的正余弦通道或數(shù)字A、B通道輸出電機(jī)的位置信息，用于位置環(huán)、速度換的閉環(huán)控制，SSI同步串行輸出保證了可靠性，用于微控制器對(duì)電機(jī)的控制，同時(shí)SPI接口增強(qiáng)編碼器的通訊功能。AEAT-9000還很好滿足用戶對(duì)脈沖數(shù)、軸徑、信號(hào)輸出形式、電壓、尺寸等方面的要求，并豐富了以上功能。