大功率IGBT光纤驱动电路的故障保护与复位

     大功率 IGBT 驱动电路设计要求：      根据 IGBT 的特性，大功率场合 IGBT 的驱动电路需具有以下特点：

      1 、主电路与控制电路的电气隔离 低压场 合可通过光耦实现，高压场合一般选用光纤通信，这样既能解决电气隔离问题，又能减轻电磁干扰。

      2、 输助电源的隔离 输助电源的次级输出与功率电路直接相连，因此初次级间必须要满足系统要求的隔离电压。

      3、 适当的开通 关断电压 这对 IGBT 的快速 可靠开关至关重要同时要保证电压过高过低时封锁驱动信号。  

      4、 过流 短路的检测与保护 一般通过检测器件的通态压降，过流 短路时应封锁驱动信号，并产生故障信号       5 、合适的栅极驱动能力一般通过选取适当的栅极电阻来缩短开关过程，减小开关震荡。

      6 状态应答 驱动电路与控制电路间要双向通信，一方面接收控制电路的驱动信号，另一方面又要在出现故障状态时封锁驱动信号输出，发送故障信号给控制电路。

      7 其他措施 根据实际情况还可以设置其他功能，如温度检测和保护 加入软启动 硬件死区时间设置和尖峰吸收电路等纤驱动的过流保护与自动复位IGBT在过流时集射极间电压会急剧增加，当其在高电压 大电流下工作时，必须及时检测该情况，封锁驱动并给出故障信号 一般通过集射极通态压降检测 图 1 示出芯片 HCPL-316J 组成的大 功率 IGBT 光纤驱动电路，下面以此为例讨论过流保护和复位方法HCPL-316J 是一种驱动光耦，它兼容 CMOS/ TTL 电平并具备隔离故障状态反馈 软 关断电路，用户可配置自动复位 自动关断 其内部集成了输出欠压保护和过流保护功能，当芯片检测到故障时，驱动芯片一直锁定在故障状态，下次发送驱动信号时需要对电路复位，具体方法主要有外部单独复位和自动复位两种外部单独型需占用微处理器一路 I/O 口，而高压场合使用光纤通信，若单独增加一路光纤传递复位信号，成本高且结构复杂 采用自动复位方式，即利用驱动信号进行同步式的 周期 复位，可在不增加硬件成本的前提下完成复位功能，下面讨论自动复位方法的工作过程，出非反极性和反极性输入（输入低电平对应开关管导通）的应用电路由于控制器接收故障信息并响应中断需要一定时间，而在此时间内应一直维持驱动芯片的故障状态 当采用以上同步自动复位电路时，由于每个周期都会复位，故障维持时间不到一个周期，当脉冲频率较高时，故障维持时间 F 将很短，可能造成故障信息还未触发 DSP 的中断便被自动复位引起撤消，难以保证控制器可靠接收故障信息并及时作出响应同时，根据过流检测与自动复位的原理，只能在复位后下一周期开通信号前沿延时一段时间，才能有效地检测到故障的存在并封锁驱动信号，这样输出端会出现短脉冲 如果驱动信号频率较高且故障状态一直存在，由于每个周期都要复位， IGBT 会在过流情况下连续地以与驱动脉冲同频率的短脉冲开通 长时间工作在此状态时， IGBT 可能会因连续不完全导通或过流积累的热效应而损坏 不考虑其他损耗，假设每个短脉冲产生的能量为 1，开关频率 s，则单位时间内产生的能量积累为：W= W1f.若式（ 2）中各热阻 th 均保持不变，由于短脉冲期间 IGBT 承受高电压 大电流，产生的能量积累不能及时通过散热器散出，则 IGBT 结温会产生较大温升，超过最大结温 jmax 时将会损坏芯片自动复位电路的改进以上情况可通过改进驱动电路的复位时序来解决，在检测到故障时停止驱动信号输出并将故障信号反馈给控制器，同时将芯片锁定在故障状态，利用故障信号的边沿产生一个延时，在这段延时时间内屏蔽驱动信号对驱动芯片复位 延时结束后再利用驱动信号的边沿产生一个复位脉冲给驱动芯片的相应引脚使芯片复位以反极性输入为例，设计改进型自动复位电路.

      （ 1）正常工作时，引脚 FAULT 输出高电平，单稳态触发器 A 和 B 均处于稳态，引脚 QA， QB 输出 高电平，不输出复位信号。       （ 2）检测到故障后芯片软关断驱动并通过引脚 FAULT 输出低电平给出故障信号，将此信号分别送给单稳态触发器 A 和 B 在芯片得到复位之前引脚 FAULT 一直维持低电平。       （ 3）单稳态触发器 B 接收到故障信号后跳变到暂稳态，引脚 QB 产生时长为 1 的低电平信号， 该时间由下式确定：将此信号送到单稳态触发器 A 的引脚 CLRA，封锁 1 时间内的复位信号。       （ 4）封锁时间结束后，引脚 CLRA 恢复高电平由于故障信号一直存在， AA 为低电平 因此， BA 再接收到驱动脉冲上升沿（关断）时，电路进入暂稳态，引脚 QA 输出时长为 2（计算同 1）的低电平复位信号使芯片复位，电路重新进入正常工作状态通过改变 ext，ext设置 1，即可延长故障出现后的驱动信号封锁时间，减小复位脉冲频率，从而克服连续高频复位造成的过流积累 同时封锁时间的延长为控制器可靠响应提供了足够时间输入驱动脉冲频率为 10 kHz 时的实验波形，为外部单独复位时，正常工作和短路故障状态的脉冲，可见这时只输出单个窄脉冲，造成其故障状态下输出端仍出现连续窄脉冲。而改进后自动复位电路有效抑制了复位脉冲的频繁产生，使故障信号维持时间大于 1.1 ms，使控制器有足够的中断响应时间，确保了逆变器功率器件的安全。总结了大功率 IGBT 驱动电路设计的特点及需注意的问题，研究了故障保护与复位方法，并重点讨论了高压场合光纤驱动电路中出现故障状态后驱动芯片的自动复位问题 改进后的自动复位电路有效解决了持续故障状态下频繁复位引起的过流现象反复积累导致的热效应问题，为 DSP 可靠接收故障状态和作出应答提供了时间保证。