如何优化HCPL-316J驱动模块？

1.HCPL-316J驱动模块的外部引脚及工作原理

HCPL-316J驱动模块的外部引脚如图4-63所示，各引脚功能如下：

1脚（VIN+）为正向信号输入端。

2脚（VIN-）为反向信号输入端。

3脚（VCC1）为输入电源端。

4脚（GND）为输入端的地端。

5脚

为芯片复位输入端。

6脚为故障输出，当发生故障（输出正向电压欠压或IGBT短路）时，通过光耦合器输出故障信号。

7脚（VLED1+）为光耦合器测试引脚。

8脚（VLED1-）为接地端。

9脚，10脚（VEE）给IGBT提供反向偏置电压端。

11脚（VOUT）为驱动信号输出端。

12脚（VC）为三级达林顿管集电极电源端。

13脚（VCC2）为驱动电压源端。

14脚（DESAT）为IGBT短路电流检测端。

15脚（VLED2+）为光耦合器测试引脚。

16脚（VE）为输出基准地端。

图4-63 HCPL-316J的外部引脚图

HCPL-316J的内部结构如图4-64所示，从图4-64可以看出，HCPL-316J可分为输入IC（左边）和输出IC（右边）两部分。

图4-64 HCPL-316J的内部结构图(www.xing528.com)

若VIN+正常输入，14脚没有过流信号，且V_CC2-V_E=12V，即输出正向驱动电压，驱动信号输出高电平，故障信号和欠压信号输出低电平。首先3路信号共同输入到JP3，D点低电平，B点也为低电平，50×DMOS处于关断状态。此时JP1输入的4个状态从上至下依次为低、高、低、低，A点高电平，驱动三级达林顿管导通，IGBT也随之开通。

若IGBT出现过电流信号（脚14检测到IGBT集电极上电压；7V），而输入驱动信号继续加在脚1，欠电压信号为低电平，B点输出低电平，三级达林顿管被关断，1×DMOS导通，IGBT栅-射、栅-集之间的电压慢慢降低，实现慢降栅压。当V_OUT=2V时，即V_OUT输出低电平，C点变为低电平，B点为高电平，50×DMOS导通，IGBT栅射集迅速放电。故障线上信号通过光耦合器，再经过RS触发器，Q输出高电平，使输入光耦合器被封锁。同理可以分析只欠电压情况和即欠电压又过电流情况。

2.驱动电路设计

HCPL-316J左边的VIN+、和分别与微机相连。R₇，R₈，R₉，VD5，VD6和C₁₂起输入保护作用，防止过高的输入电压损坏IGBT，但是保护电路会产生约1_μs延时，在开关频率超过100kHz时不适合使用。V3最主要起互锁作用，当两路PWM信号（同一桥臂）都为高电平时，Q3导通，把输入电平拉低，使输出端也为低电平。在图4-65中的互锁信号Interlock和Interlock2分别与另外一个HCPL-316J的Interlock2和Interlock1相连。R₁和C₂起到了对故障信号的放大和滤波，当有干扰信号后，能让微机正确接受信息。

图4-65 HCPL-316J应用电路

在输出端，R₅和C₇关系到IGBT开通的快慢和开关损耗，增加C₇可以明显地减小di_c/dt。首先计算栅极电阻：其中I_ON为开通时注入IGBT的栅极电流。为使IGBT迅速开通，设计I_ONMAX值为20A。输出低电平V_OL=2V。可得

t=C₃×V/I=100pF×（7-2×0.6）V/250μA=2.32μs

C₃是一个非常重要的参数，最主要起充电延时作用。当系统启动，芯片开始工作时，由于IGBT的集电极C端电压还远大于7V，若没有C₃，则会错误地发出短路故障信号，使输出直接关断。当芯片正常工作以后，假使集电极电压瞬间升高，之后立刻恢复正常，若没有C₃，则也会发出错误的故障信号，使IGBT误关断。但是，C₃的取值过大会使系统反应变慢，而且在饱和情况下，也可能使IGBT在延时时间内就被烧坏，起不到正确的保护作用，C₃取值100pF。

在集电极检测电路用两个二极管串联，能够提高总体的反向耐压，从而能够提高驱动电压等级，但二极管的反向恢复时间要很小，且每个反向耐压等级要为1000V，一般选取BYV261E，反向恢复时间75ns。R₄和C₅的作用是保留HCLP-316J出现过流信号后具有的软关断特性，其原理是C₅通过内部MOSFET的放电来实现软关断。图4-65中的输出电压V_OUT经过两个快速三极管推挽输出，使驱动电流最大能达到20A，能够快速驱动1700V、200～300A的IGBT。

3.驱动电源设计

在驱动设计中，稳定的电源是IGBT能正常工作的保证，正激驱动电源如图4-66所示。电源采用正激变换，抗干扰能力较强，副边不加滤波电感，输入阻抗低，使在重负载情况下电源输出电压仍然比较稳定。

图4-66 正激驱动电源

当V开通时，+12V（为比较稳定的电源，精度很高）电压便加到变压器一次侧和V相连的绕组，通过能量耦合使副边经过整流输出。当V关断时，通过原边二极管和其相连的绕组把磁心的能量回馈到电源，实现变压器磁心的复位。555定时器接成多谐振荡器，通过对C₁的充放电使脚2和脚6的电位在4～8V之间变换，使脚3输出电压方波信号，并用方波信号来控制V的开通和关断。+12V经过R₁，VD2给C₁充电，其充电时间t₁≈R₁×C₂ ln2；放电时间t₂=R₂×C₁ ln2，充电时输出高电平，放电时输出低电平。所以占空比为t₁/（t₁+t₂）。

变压器按下述参数进行设计：一次侧接+12V，频率为60kHz，工作磁感应强度B_W为0.15T，二次侧+15V输出2A，-5V输出1A，效率η=80%，窗口填充系数K_m为0.55，磁心填充系数K_C为1，线圈导线电流密度d为3A/mm²。则输出功率：

P_T=（15+0.6）×2×2+（5+0.6）×1×2=73.6W

变压器磁心参数

A_P=A_C×A_W×=P_T×10⁶/（2×η×f×B_W×d×K_m×K_C）

=73.6×10⁶/（2×0.8×60×10³×1500×3×0.5×1）=0.341cm²

所以，选择EE系列的E25磁心，并可查到A_P=0.445mm²。原边匝数n_P=V_in×t_on×10⁸/（B_WA_C）=15匝，其中取t_on为最大导通时间。二次侧+15V绕组匝数为n_P×V₀₁/V_in=19匝，二次侧-5V绕组匝数为n_P×V₀₂/V_in=7匝，由于带载后驱动电源输出电压会有所下降，所以，在实际应用中考虑提高频率和占空比来稳定输出电压。