付豐鴻，羅一鳴，江　秀

(1. 成都銳佳科技股份有限公司，四川 成都 611756；2. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031；3. 西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川 成都 610031)

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·機(jī)電工程·

基于MC33153的IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

付豐鴻1，羅一鳴2，江秀3

(1. 成都銳佳科技股份有限公司，四川 成都 611756；2. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031；3. 西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川 成都 610031)

在分析IGBT的保護(hù)設(shè)計(jì)要求和MC33153的驅(qū)動(dòng)特性基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種基于MC33153的IGBT驅(qū)動(dòng)電路。該電路采用光電隔離、延時(shí)消隱和負(fù)載檢測(cè)等方法使其具有短路保護(hù)和自鎖功能，既能滿足IGBT的外圍保護(hù)設(shè)計(jì)要求，又能克服MC33153內(nèi)部無隔離電路、存在保護(hù)盲區(qū)和短路不能自鎖的不足。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該驅(qū)動(dòng)電路能夠?qū)GBT進(jìn)行有效驅(qū)動(dòng)和保護(hù)。

IGBT；MC33153；驅(qū)動(dòng)電路

IGBT是由MOSFET和雙極性晶體管復(fù)合而成的一種器件，具有飽和壓降低和開關(guān)頻率高的特點(diǎn)[1-2]，廣泛應(yīng)用在各種電力裝置中。它的驅(qū)動(dòng)電路決定了其通態(tài)壓降、開關(guān)損耗、抗過載能力等靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性[3]，因此，可靠的IGBT驅(qū)動(dòng)和保護(hù)是IGBT穩(wěn)定工作的前提條件。目前，國內(nèi)外推出了許多針對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)的模塊[4-5]，如IR2110、M57962、TLP250等，但許多IGBT模塊在其電路使用上都有一定局限性。本文介紹一種采用MC33153驅(qū)動(dòng)IGBT的方法，其電路簡單易用，既滿足IGBT的外圍保護(hù)設(shè)計(jì)要求，又克服MC33153在驅(qū)動(dòng)方面的不足，適合于中小功率的IGBT。

1　IGBT外圍保護(hù)設(shè)計(jì)分析

1)柵壓限幅。如果在IGBT的柵極與源極之間加載超出某限值的導(dǎo)通電壓，可能會(huì)損壞IGBT；因此，驅(qū)動(dòng)電路柵極應(yīng)具有限幅電路以保證IGBT正常開通與關(guān)斷。

2)柵極電阻Rg。較小的Rg能使IGBT快速導(dǎo)通和關(guān)斷，有利于減小開關(guān)損耗[6-7]；但會(huì)使得瞬間導(dǎo)通電流很大，帶來浪涌尖峰電壓的困擾，也會(huì)增加輻射發(fā)射的強(qiáng)度：因此，需根據(jù)IGBT的開關(guān)頻率和設(shè)備使用要求來選擇合適的Rg。

3)浪涌尖峰電壓。當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，因工作頻率很高，且突變時(shí)間又短，再加上回路寄生電感的影響，會(huì)在漏極產(chǎn)生很高的浪涌沖擊電壓。如果負(fù)載發(fā)生短路，漏極電流的最大值會(huì)達(dá)到額定工作電流的數(shù)10倍[8]，這將導(dǎo)致IGBT的關(guān)斷電流變化率成倍增加，很容易引起漏極過電壓而燒毀IGBT；因此，必須采取措施抑制關(guān)斷浪涌電壓。

2　MC33153的驅(qū)動(dòng)特性分析

MC33153是專為驅(qū)動(dòng)IGBT而設(shè)計(jì)的，是一款性價(jià)比較高的柵極驅(qū)動(dòng)器，主要用于交流感應(yīng)電機(jī)控制、無刷直流電機(jī)控制和不間斷電源的大功率控制。它具有大電流輸出、過流和短路保護(hù)、可編程故障消隱時(shí)間等特點(diǎn)。MC33153的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，有2個(gè)電流保護(hù)比較器、1個(gè)故障/消隱去飽和比較器、1個(gè)欠壓鎖定比較器、2個(gè)電流鎖存器、3個(gè)邏輯與門和1個(gè)圖騰柱驅(qū)動(dòng)輸出[9-10]。它的具體工作原理如下。

1)正常開通過程。正常開通時(shí)，MC33153的4腳輸入低電平，經(jīng)過非門后i點(diǎn)輸出高電平，此時(shí)過流鎖存器輸出b點(diǎn)與欠壓鎖定比較器輸出點(diǎn)m均輸出高電平，再經(jīng)過與門后點(diǎn)k和點(diǎn)n輸出相反的電平使內(nèi)部具有達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的三極管電路輸出迅速上升至Ucc使IGBT導(dǎo)通。

2)正常關(guān)斷過程。關(guān)斷時(shí)4腳輸入高電平，點(diǎn)i輸出低電平，過流鎖存器輸出點(diǎn)b與欠壓鎖定比較器輸出點(diǎn)m仍輸出高電平，點(diǎn)n輸出高電平使內(nèi)部三極管下拉輸出低電平，IGBT可靠截止。

圖1MC33153內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

3)短路保護(hù)過程。雙極性功率電路普遍采用“去飽和檢測(cè)”的方式檢測(cè)是否發(fā)生過流/短路故障，即在IGBT飽和導(dǎo)通的情況下檢測(cè)漏極電壓Ud是否超過某個(gè)限值。MC33153也是采用此種方式。當(dāng)柵極輸入低電平時(shí)MC33153內(nèi)部NPN三極管去箝位故障比較器的輸入，故障檢測(cè)被禁用；當(dāng)輸入切換成高電平時(shí)，三極管被關(guān)斷以使能故障檢測(cè)，如果在IGBT飽和導(dǎo)通后發(fā)生短路， IGBT迅速退出飽和狀態(tài)，一般有漏極-源極電壓Uds上升且大于7 V，故障/消隱去飽和比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，以關(guān)閉驅(qū)動(dòng)輸出。

通過以上對(duì)MC33153工作原理的分析，可以看出其存在以下不足：1)內(nèi)部沒有輸入輸出隔離電路，輸入輸出信號(hào)可能會(huì)形成串?dāng)_而干擾電路正常工作；2)存在保護(hù)盲區(qū)，對(duì)小于保護(hù)盲區(qū)的短路脈沖無法檢測(cè)，過流/短路保護(hù)不能自鎖，4腳驅(qū)動(dòng)輸入脈沖的上升沿會(huì)清除上次故障信息，這樣每次IGBT導(dǎo)通時(shí)都會(huì)進(jìn)入反復(fù)故障保護(hù)。

3　基于MC33153的IGBT驅(qū)動(dòng)電路

為滿足IGBT的外圍保護(hù)設(shè)計(jì)要求，克服MC33153在驅(qū)動(dòng)方面不足，設(shè)計(jì)了如圖2所示的基于MC33153的IGBT驅(qū)動(dòng)電路。

圖2　IGBT驅(qū)動(dòng)電路原理圖

圖2所示電路很好地解決了第1、2節(jié)分析的問題，現(xiàn)詳細(xì)說明如下。

1)IGBT的外圍保護(hù)設(shè)計(jì)問題。A部分為IGBT的外圍保護(hù)設(shè)計(jì)：DZ101和DZ102采用瞬態(tài)抑制二極管MBJ18A形成柵壓限幅電路，可保證柵極不被擊穿；R4是柵極電阻，一般取幾十Ω，以不增加IGBT發(fā)熱和緩解EMI為準(zhǔn)；R6和C3并聯(lián)在IGBT的漏極-源極之間形成RC吸收回路，來抑制可能出現(xiàn)的尖峰電壓。

2)MC33153內(nèi)部沒有隔離電路的問題。B部分是針對(duì)MC33153內(nèi)部沒有隔離電路而設(shè)計(jì)的，U1采用高速光耦TLP181，U3采用具有較大電流傳輸比的光耦TLP127。U1和U3將輸入和輸出信號(hào)完全隔離，再通過一個(gè)上拉電阻與單片機(jī)相接，這樣使得電路具有良好的絕緣能力和抗干擾能力，進(jìn)而保證了單片機(jī)的穩(wěn)定工作。

3)存在保護(hù)盲區(qū)的問題。針對(duì)MC33153存在保護(hù)盲區(qū)的問題，采用RC延時(shí)設(shè)計(jì)，見圖中C部分。當(dāng)柵極輸入高電平時(shí)，MC33153允許內(nèi)部270 μA的恒流源給消隱電容C2充電，消隱電容從內(nèi)部NPN三極管的導(dǎo)通電壓開始充電到比較器的關(guān)斷電壓所需的時(shí)間，再加上電壓信號(hào)在R3上的上升時(shí)間就是消隱時(shí)間，只要消隱時(shí)間略大于盲區(qū)時(shí)間，就可以很好地使電路正確傳輸故障信號(hào)。

4)短路保護(hù)自鎖的問題。為排除干擾和正確識(shí)別發(fā)生過流/短路故障而使電路自鎖，這里除了輔以負(fù)載檢測(cè)電路(見圖2中D部分)外，再加以軟件判斷來解決。在圖2中，B部分的故障輸出信號(hào)接至單片機(jī)的中斷輸入引腳，中斷信號(hào)既有可能是電路受到干擾而造成的誤觸發(fā)，也有可能是正確的故障信號(hào)；因此須由軟件來正確識(shí)別和判斷。若是前者，可直接退出中斷；若是后者則須鎖住PWM輸入信號(hào)，記錄正確的故障信號(hào)后退出中斷。圖3給出了軟件處理流程圖。這樣的處理方式具有邏輯性強(qiáng)、可靠性高、電路簡單的優(yōu)點(diǎn)。

圖3　軟件中斷處理流程圖

4　IGBT短路保護(hù)實(shí)驗(yàn)

同其他電力電子器件一樣，短路保護(hù)的可靠性是影響設(shè)備正常工作的主要因素。為能有效實(shí)現(xiàn)IGBT的短路保護(hù)，須進(jìn)行過流檢測(cè)。以圖2為原理圖搭建電路來驗(yàn)證以上設(shè)計(jì)是否可行。在實(shí)際電路測(cè)試中，由單片機(jī)生成并輸入的PWM信號(hào)是頻率f為1 Hz、占空比為1/50的方波，如圖4所示。

1)驗(yàn)證電路能否可靠保護(hù)IGBT 。用交流接觸器模擬短路故障，用示波器測(cè)得的MC33153正常工作時(shí)去飽和引腳輸入電壓約為3 V，如圖5所示，模擬短路故障時(shí)的瞬時(shí)輸入電壓約為10 V，如圖6所示，二者與去飽和比較器反相輸入端門檻值6.5 V的裕量都很充足。同時(shí)，在實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn)電路不僅可靠地保護(hù)了IGBT，也輸出了故障信號(hào)。

2)驗(yàn)證電路能否準(zhǔn)確傳輸故障信號(hào)。實(shí)測(cè)中在電路正常工作時(shí)用鑷子將圖2中MC33153的6、7腳短接，即模擬出一個(gè)干擾信號(hào)送給單片機(jī)中斷引腳，此時(shí)發(fā)現(xiàn)電路沒有任何異常繼續(xù)正常工作。

由以上電路測(cè)試說明，圖2設(shè)計(jì)的電路不但可以對(duì)IGBT進(jìn)行可靠的短路保護(hù)，而且可以排除干擾，傳輸正確的故障信號(hào)。

圖4　正常工作時(shí)IGBT柵極輸入波形

圖5　正常工作時(shí)去飽和輸入波形

圖6　短路故障時(shí)去飽和輸入波形

5　結(jié)論

本文在分析了IGBT的保護(hù)設(shè)計(jì)要求和MC33153的驅(qū)動(dòng)特性后，設(shè)計(jì)了一種既能滿足IGBT的外圍保護(hù)設(shè)計(jì)要求，又能克服MC33153在驅(qū)動(dòng)方面不足的IGBT驅(qū)動(dòng)電路。經(jīng)電路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的電路不僅可以對(duì)IGBT進(jìn)行有效地驅(qū)動(dòng)和保護(hù)，也大大增強(qiáng)了電路的抗干擾能力。

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(編校：饒莉)

MC33153-Based Design of IGBT Drive Circuit

FU Fenghong1, LUO Yiming2, JIANG Xiu3

(1.ChengduRuiJiaTechnologyCo.,Ltd.,Chengdu611756China；2.ElectricalEngineeringResearchandTrainingCenter,SouthwestJiaoTongUniversity,Chengdu610031China;3.NationalRailwayTrainDiagramResearchandTrainingCenter,SouthwestJiaoTongUniversity,Chengdu610031China)

After analyzed the design requirement of IGBT’s protection and the driving feature of MC33153, the IGBT drive circuit is designed based on IC MC33153. The drive circuit adopts several ways, such as photoelectric isolation, delay blank and load detection, to hold the functions of short circuit protection and self lock. It not only meets the requirement of the IGBT periphery protection design, but also overcomes the IC lack of internal isolated circuit and protections of blind area and short circuit self-locking . The experiment results show that the drive circuit can drive and protect IGBT effectively.

IGBT; MC33153; drive circuit

2015-07-04

國家自然科學(xué)基金(61403317)。

付豐鴻(1988—)，男，工程師，主要研究方向?yàn)榍度胧杰浻布_發(fā)。E-mail:ffh_2015@sina.cn

TN332.8；TN344

A

1673-159X(2016)04-0098-4

10.3969/j.issn.1673-159X.2016.04.020