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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，正負極之間所產(chǎn)生的電壓降。
正向電流IF：在被測管兩端加一定的正向電壓時二極管中流過的電流。
反向電流IR：在被測管兩端加規(guī)定反向工作電壓VR時，二極管中流過的電流。
反向擊穿電壓VBR：：被測管通過的反向電流IR為規(guī)定值時，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，并保持IC/IF≤CTRmin時（CTRmin在被測管技術(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，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，輸出電流和發(fā)光二極管正向電流之比為電流傳輸比CTR。
脈沖上升時間tr、下降時間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的脈沖波，從輸出脈沖前沿幅度的10%到90%，所需時間為脈沖上升時間tr。從輸出脈沖后沿幅度的90%到10%，所需時間為脈沖下降時間tf。
傳輸延遲時間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時所需時間為傳輸延遲時間tPHL。從輸入脈沖后沿幅度的50%到輸出脈沖電平上升到1.5V時所需時間為傳輸延遲時間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直線，并且小信號時性能較好，能以線性特性進行隔離控制。
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，嚴重時出現(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調(diào)制。由此產(chǎn)生的后果是對彩電，彩顯，VCD，DCD等等，將在圖像畫面上產(chǎn)生干擾。同時電源帶負載能力下降。
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，因為這4種光耦均屬于非線性光耦。
以下是目前市場上常見的高速光藕型號：
  
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；
它們的主要指標是負載能力；
例如：moc3063的負載能力是100mA；IL420是300mA；

光耦使用技巧
光電耦合器(簡稱光耦)，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)換來傳輸電信號的半導體光電子器件。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。
光耦以光信號為媒介來實現(xiàn)電信號的耦合與傳遞，輸入與輸出在電氣上完全隔離，具有抗干擾性能強的特點。對于既包括弱電控制部分，又包括強電控制部分的工業(yè)應用測控系統(tǒng)，采用光耦隔離可以很好地實現(xiàn)弱電和強電的隔離，達到抗干擾目的。但是，使用光耦隔離需要考慮以下幾個問題：
① 光耦直接用于隔離傳輸模擬量時，要考慮光耦的非線性問題；
② 光耦隔離傳輸數(shù)字量時，要考慮光耦的響應速度問題；
③ 如果輸出有功率要求的話，還得考慮光耦的功率接口設計問題。
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，直接用來傳輸模擬量時精度較差。

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個具有相同非線性傳輸特性的光電耦合器，T1和T2，以及2個射極跟隨器A1和A2組成，如圖2所示。如果T1和T2是同型號同批次的光電耦合器，可以認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電流傳輸特性的對稱性，利用反饋原理，可以很好的補償他們原來的非線性。

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。現(xiàn)場變送器輸出模擬量信號(假設電壓信號)，電壓頻率轉(zhuǎn)換器將變送器送來的電壓信號轉(zhuǎn)換成脈沖序列，通過光耦隔離后送出。在主機側(cè)，通過一個頻率電壓轉(zhuǎn)換電路將脈沖序列還原成模擬信號。此時，相當于光耦隔離的是數(shù)字量，可以消除光耦非線性的影響。這是一種有效、簡單易行的模擬量傳輸方式。

圖3 VFC方式傳送信號
當然，也可以選擇線性光耦進行設計，如精密線性光耦TIL300，高速線性光耦6N135/6N136。線性光耦一般價格比普通光耦高，但是使用方便，設計簡單；隨著器件價格的下降，使用線性光耦將是趨勢。
2 提高光電耦合器的傳輸速度
當采用光耦隔離數(shù)字信號進行控制系統(tǒng)設計時，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)測控系統(tǒng)中，為了防止各模塊之間的相互干擾，同時不降低通訊波特率，我們不得不采用高速光耦來實現(xiàn)模塊之間的相互隔離。常用的高速光耦有6N135/6N136，6N137/6N138。但是，高速光耦價格比較高，導致設計成本提高。這里介紹兩種方法來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，負載電阻又不宜過大，負載電阻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，傳輸延時也越長。

圖4 光敏三極管內(nèi)部分布電容
用2只光電耦合器T1，T2接成互補推挽式電路，可以提高光耦的開關(guān)速度，如圖5所示。當脈沖上升為“1”電平時，T1截止，T2導通。相反，當脈沖為“0”電平時，T1導通，T2截止。這種互補推挽式電路的頻率特性大大優(yōu)于單個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，通過增加一個晶體管，四個電阻和一個電容，實驗證明，這個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提高光耦的開關(guān)速度
3 光耦的功率接口設計
微機測控系統(tǒng)中，經(jīng)常要用到功率接口電路，以便于驅(qū)動各種類型的負載，如直流伺服電機、步進電機、各種電磁閥等。這種接口電路一般具有帶負載能力強、輸出電流大、工作電壓高的特點。工程實踐表明，提高功率接口的抗干擾能力，是保證工業(yè)自動化裝置正常運行的關(guān)鍵。
就抗干擾設計而言，很多場合下，我們既能采用光電耦合器隔離驅(qū)動，也能采用繼電器隔離驅(qū)動。一般情況下，對于那些響應速度要求不很高的啟停操作，我們采用繼電器隔離來設計功率接口；對于響應時間要求很快的控制系統(tǒng)，我們采用光電耦合器進行功率接口電路設計。這是因為繼電器的響應延遲時間需幾十ms，而光電耦合器的延遲時間通常都在10us之內(nèi)，同時采用新型、集成度高、使用方便的光電耦合器進行功率驅(qū)動接口電路設計，可以達到簡化電路設計，降低散熱的目的。
圖7是采用光電耦合器隔離驅(qū)動直流負載的典型電路。因為普通光電耦合器的電流傳輸比CRT非常小，所以一般要用三極管對輸出電流進行放大，也可以直接采用達林頓型光電耦合器(見圖8)來代替普通光耦T1。例如東芝公司的4N30。對于輸出功率要求更高的場合，可以選用達林頓晶體管來替代普通三極管，例如ULN2800高壓大電流達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到500mA和50V。

圖7 光電隔離，加三極管放大驅(qū)動

圖8 達林頓型光電耦合器
對于交流負載，可以采用光電可控硅驅(qū)動器進行隔離驅(qū)動設計，例如TLP541G，4N39。光電可控硅驅(qū)動器，特點是耐壓高，驅(qū)動電流不大，當交流負載電流較小時，可以直接用它來驅(qū)動，如圖9所示。當負載電流較大時，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 小功率交流負載

圖10 大功率交流負載
當需要對輸出功率進行控制時，可以采用光電雙向可控硅驅(qū)動器，例如MOC3010。圖11為交流可控驅(qū)動電路，來自微機的控制信號 經(jīng)過光電雙向可控硅驅(qū)動器T1隔離，控制雙向可控硅T2的導通，實現(xiàn)交流負載的功率控制。

圖11 交流可控電路
圖12為交流電源輸出直流可控電路。來自微機的控制信號 經(jīng)過光電雙向可控硅驅(qū)動器隔離，控制可控硅橋式整流電路導通，實現(xiàn)交流一直流的功率控制。此電路已經(jīng)應用在我們實驗室研制的新型電機控制設備中，效果良好。

圖12 交-直流可控
4 結(jié)束語
本文從光電耦合器的基本結(jié)構(gòu)、性能特點出發(fā)，針對實際應用中可能遇到的非線性、響應速度、功率接口設計三個方面，提出了相應的幾種電路設計方案，并介紹了各種不同類型的光電耦合器及其應用實例

IGBT高壓大功率驅(qū)動和保護電路的應用研究


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用。IGBT集雙極型功率晶體管和功率MOSFET的優(yōu)點于一體，具有電壓控制、輸入阻抗大、驅(qū)動功率小、控制電路簡單、開關(guān)損耗小、通斷速度快和工作頻率高等優(yōu)點。

但是，IGBT和其它電力電子器件一樣，其應用還依賴于電路條件和開關(guān)環(huán)境。因此，IGBT的驅(qū)動和保護電路是電路設計的難點和重點，是整個裝置運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

為解決IGBT的可靠驅(qū)動問題，國外各IGBT生產(chǎn)廠家或從事IGBT應用的企業(yè)開發(fā)出了眾多的IGBT驅(qū)動集成電路或模塊，如國內(nèi)常用的日本富士公司生產(chǎn)的EXB8系列，三菱電機公司生產(chǎn)的M579系列，美國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功能，而惠普生產(chǎn)的HCLP一316J有過流保護、欠壓保護和1GBT軟關(guān)斷的功能，且價格相對便宜，因此，本文將對其進行研究，并給出1700V，200～300A IGBT的驅(qū)動和保護電路。

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)動電流與驅(qū)動功率非常小，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的導通與關(guān)斷是由柵極電壓UGE來控制的，當UGE大于開啟電壓UGE(th)時IGBT導通，當柵極和發(fā)射極間施加反向或不加信號時，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)器件應用。在驅(qū)動電路中主要研究IGBT的飽和導通和截止兩個狀態(tài)，使其開通上升沿和關(guān)斷下降沿都比較陡峭。

2 IGBT驅(qū)動電路要求
在設計IGBT驅(qū)動時必須注意以下幾點。

1)柵極正向驅(qū)動電壓的大小將對電路性能產(chǎn)生重要影響，必須正確選擇。當正向驅(qū)動電壓增大時，．IGBT的導通電阻下降，使開通損耗減小；但若正向驅(qū)動電壓過大則負載短路時其短路電流IC隨UGE增大而增大，可能使IGBT出現(xiàn)擎住效應，導致門控失效，從而造成IGBT的損壞；若正向驅(qū)動電壓過小會使IGBT退出飽和導通區(qū)而進入線性放大區(qū)域，使IGBT過熱損壞；使用中選12V≤UGE≤18V為好。柵極負偏置電壓可防止由于關(guān)斷時浪涌電流過大而使IGBT誤導通，一般負偏置電壓選一5V為宜。另外，IGBT開通后驅(qū)動電路應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。但在大電感負載下IGBT的開關(guān)頻率不宜過大，因為高速開通和關(guān)斷時，會產(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IGBT的驅(qū)動相當重要。RG較小，柵射極之間的充放電時間常數(shù)比較小，會使開通瞬間電流較大，從而損壞IGBT；RG較大，有利于抑制dvce／dt，但會增加IGBT的開關(guān)時間和開關(guān)損耗。合適的CG有利于抑制dic／dt，CG太大，開通時間延時，CG太小對抑制dic／dt效果不明顯。

4)當IGBT關(guān)斷時，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通，為防止這種現(xiàn)象發(fā)生，可以在柵射間并接一個電阻。此外，在實際應用中為防止柵極驅(qū)動電路出現(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)壓值應與正負柵壓相同。

3 HCPL-316J驅(qū)動電路
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)動的要求。

各引腳功能如下：
腳1(VIN+)正向信號輸入；
腳2(VIN-)反向信號輸入；
腳3(VCG1)接輸入電源；
腳4(GND)輸入端的地；
腳5(RESERT)芯片復位輸入端；
腳6(FAULT) 故障輸出，當發(fā)生故障(輸出正向電壓欠壓或IGBT短路)時，通過光耦輸出故障信號；
腳7(VLED1+)光耦測試引腳，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)動信號以驅(qū)動IGBT；
腳12(VC)三級達林頓管集電極電源；
腳13(VCC2)驅(qū)動電壓源；
腳14(DESAT) IGBT短路電流檢測；
腳15(VLED2+)光耦測試引腳，懸掛；
腳16(VE)輸出基準地。

其工作原理如圖1所示。若VIN+正常輸入，腳14沒有過流信號，且VCC2-VE=12v即輸出正向驅(qū)動電壓正常，驅(qū)動信號輸出高電平，故障信號和欠壓信號輸出低電平。首先3路信號共同輸入到JP3，D點低電平，B點也為低電平，50×DMOS處于關(guān)斷狀態(tài)。此時JP1的輸入的4個狀態(tài)從上至下依次為低、高、低、低，A點高電平，驅(qū)動三級達林頓管導通，IGBT也隨之開通。

若IGBT出現(xiàn)過流信號(腳14檢測到IGBT集電極上電壓=7V)，而輸入驅(qū)動信號繼續(xù)加在腳1，欠壓信號為低電平，B點輸出低電平，三級達林頓管被關(guān)斷，1×DMOS導通，IGBT柵射集之間的電壓慢慢放掉，實現(xiàn)慢降柵壓。當VOUT=2V時，即VOUT輸出低電平，C點變?yōu)榈碗娖剑珺點為高電平，50×DMOS導通，IGBT柵射集迅速放電。故障線上信號通過光耦，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)動電路設計
驅(qū)動電路及參數(shù)如圖3所示。

　
HCPL-316J左邊的VIN+，F(xiàn)AULT和RESET分別與微機相連。R7，R8，R9，D5，D6和C12 起輸入保護作用，防止過高的輸入電壓損壞IGBT，但是保護電路會產(chǎn)生約1µs延時，在開關(guān)頻率超過100kHz時不適合使用。Q3最主要起互鎖作用，當兩路PWM信號(同一橋臂)都為高電平時，Q3導通，把輸入電平拉低，使輸出端也為低電平。圖3中的互鎖信號Interlock，和Interlock2分別與另外一個316J Interlock2和Interlock1相連。R1和C2起到了對故障信號的放大和濾波，當有干擾信號后，能讓微機正確接受信息。

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。首先計算柵極電阻：其中ION為開通時注入IGBT的柵極電流。為使IGBT迅速開通，設計，IONMAX值為20A。輸出低電平VOL=2v。可得


C3是一個非常重要的參數(shù)，最主要起充電延時作用。當系統(tǒng)啟動，芯片開始工作時，由于IGBT的集電極C端電壓還遠遠大于7V，若沒有C3，則會錯誤地發(fā)出短路故障信號，使輸出直接關(guān)斷。當芯片正常工作以后，假使集電極電壓瞬間升高，之后立刻恢復正常，若沒有C3，則也會發(fā)出錯誤的故障信號，使IGBT誤關(guān)斷。但是，C3的取值過大會使系統(tǒng)反應變慢，而且在飽和情況下，也可能使IGBT在延時時間內(nèi)就被燒壞，起不到正確的保護作用， C3取值100pF，其延時時間


在集電極檢測電路用兩個二極管串連，能夠提高總體的反向耐壓，從而能夠提高驅(qū)動電壓等級，但二極管的反向恢復時間要很小，且每個反向耐壓等級要為1000V，一般選取BYV261E，反向恢復時間75 ns。R4和C5的作用是保留HCLP-316J出現(xiàn)過流信號后具有的軟關(guān)斷特性，其原理是C5通過內(nèi)部MOSFET的放電來實現(xiàn)軟關(guān)斷。圖3中輸出電壓VOUT經(jīng)過兩個快速三極管推挽輸出，使驅(qū)動電流最大能達到20A，能夠快速驅(qū)動1700v、200-300A的IGBT。

3．3驅(qū)動電源設計
在驅(qū)動設計中，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，副邊不加濾波電感，輸入阻抗低，使在重負載情況下電源輸出電壓仍然比較穩(wěn)定。


當s開通時，+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S關(guān)斷時，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，實現(xiàn)變壓器磁芯的復位。555定時器接成多諧振蕩器，通過對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，并用方波信號來控制S的開通和關(guān)斷。+12v經(jīng)過R1，D2給C1充電，其充電時間t1≈R1C2ln2；放電時間t2=R2C1ln2，充電時輸出高電平，放電時輸出低電平。所以占空比=t1／(t1+t2)。

變壓器按下述參數(shù)進行設計：原邊接+12v，頻率為60kHz，工作磁感應強度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)動電源輸出電壓會有所下降，所以，在實際應用中考慮提高頻率和占空比來穩(wěn)定輸出電壓。

4 結(jié)語
本文設計了一個可驅(qū)動l700v，200～300A的IGBT的驅(qū)動電路。硬件上實現(xiàn)了對兩個IGBT(同一橋臂)的互鎖，并設計了可以直接給兩個IGBT供電的驅(qū)動電源。

HCPL-316J特性

　　HCPL-316J是由Agilent公司生產(chǎn)的一種IGBT門極驅(qū)動光耦合器，其內(nèi)部集成集電極發(fā)射極電壓欠飽和檢測電路及故障狀態(tài)反饋電路，為驅(qū)動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)時間最大500ns；“軟”IGBT關(guān)斷；欠飽和檢測及欠壓鎖定保護；過流保護功能；寬工作電壓范圍(15～30V)；用戶可配置自動復位、自動關(guān)閉。 DSP與該耦合器結(jié)合實現(xiàn)IGBT的驅(qū)動，使得IGBT VCE欠飽和檢測結(jié)構(gòu)緊湊，低成本且易于實現(xiàn)，同時滿足了寬范圍的安全與調(diào)節(jié)需要。

HCPL-316J保護功能的實現(xiàn)

　　HCPL-316J內(nèi)置豐富的IGBT檢測及保護功能，使驅(qū)動電路設計起來更加方便，安全可靠。其中下面詳述欠壓鎖定保護(UVLO) 和過流保護兩種保護功能的工作原理：

(1)IGBT欠壓鎖定保護(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。如果此時芯片有輸出會造成IGBT門極電壓過低，那么它會工作在線性放大區(qū)。HCPL316J芯片的欠壓鎖定保護的功能(UVLO)可以解決此問題。當VCC與VE之間的電壓值小于12V時，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)動電路的主要邏輯部件是芯片HCPL-316J。它控制IGBT管的導通、關(guān)斷并且保護IGBT。它的輸出功能可以簡略的用下面的邏輯功能表來描述。(詳見表1)
(2)IGBT過流保護功能

　　HCPL-316J具有對IGBT的過流保護功能，它通過檢測IGBT的導通壓降來實施保護動作。同樣從圖上可以看出，在其內(nèi)部有固定的7V電平，在檢測電路工作時，它將檢測到的IGBT C～E極兩端的壓降與內(nèi)置的7V電平比較，當超過7V時，HCPL-316J芯片輸出低電平關(guān)斷IGBT，同時，一個錯誤檢測信號通過片內(nèi)光耦反饋給輸入側(cè)，以便于采取相應的解決措施。在IGBT關(guān)斷時，其C～E極兩端的電壓必定是超過7V的，但此時，過流檢測電路失效，HCPL-316J芯片不會報故障信號。實際上，由于二極管的管壓降，在IGBT的C～E 極間電壓不到7V時芯片就采取保護動作。
　　
驅(qū)動電路方案設計

表1 HCPL-316J邏輯功能表








　　表格中最后一列為輸出。當輸出為High時IGBT導通，否則IGBT關(guān)斷。IGBT導通需要同時具備最后一行的五個條件，缺一不可，即同相輸入為高；反相輸入為低；欠壓保護功能無效；未檢測到IGBT故障，無故障反饋信號或故障反饋信號已被清除。

　　根據(jù)上述輸出控制功能，設計電路如圖2。







圖2 IGBT驅(qū)動電路





　　當HCPL-316J輸出端VOUT輸出為高電平時，推挽電路上管(T1)導通，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導通。當HCPL-316J輸出端VOUT輸出為低電平時，上管(T1)截止，下管(T1)導通，VCE為-9V，IGBT關(guān)斷。以上就是IGBT的開通關(guān)斷過程。

　　整個電路板的作用相當于一個光耦隔離放大電路。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*信號輸出給HCPL-316J，同時HCPL-316J產(chǎn)生的IGBT故障信號FAULT*給控制器。同時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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為什么看不到圖？

    

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安華高編碼器在伺服電機領域的應用
精確而可靠地發(fā)出檢測信號并控制系統(tǒng)精準運行是伺服系統(tǒng)工作良好的保證。光電編碼器具有測速精度高、分辨率能力強、受器件影響小的優(yōu)點，被廣泛應用于調(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，改善伺服電機系統(tǒng)的動態(tài)性能。

AVAGO領先業(yè)界的六通道換向光學編碼器AEDB-9340系列在設計上為無刷直流電機 (BLDC) 閉環(huán)控制提供了反饋機制。這款光學編碼器集成通道A、B和I作為位置反饋，并使用通道U、V和W檢測轉(zhuǎn)子磁極位置，大力矩啟動伺服電機。

AEAT-9000系列是AVAGO超高精度17位單圈絕對式編碼器，最大分辨率可達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編碼器的模式配置。


以上兩個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單更改極對數(shù)，不需任何硬件修改，高效快速應用到伺服控制中，本文就以上兩系列產(chǎn)品做簡單介紹。


一、AEDB-9340產(chǎn)品介紹


1.六通道換向光學編碼器



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，同時提供U、V、W三通道電機換向信號。在位置信號輸出的同時，能根據(jù)單圈指示信號 I 輸出相關(guān)的UVW三路換向信號，其輸出可以直接用做無刷電機的電子換向信號，如下圖：



2.產(chǎn)品特點


AEDB-9340的A、B、I通道位置輸出精度可以達到2500CPR，最高能有150KHz的頻率響應，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機械角度，這個集成解決方案免除了無刷直流電機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，同時可以縮小集成反饋器件無刷直流電機的整體尺寸大小。


AEDB-9340可以很好的應用于打印機，繪圖儀，傳送帶，以及工廠自動化設備等方面。


二、AEAT-9000產(chǎn)品介紹


1.超高精度17位單圈絕對式編碼器



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時鐘到來要讀取位置數(shù)據(jù)之前，NSL先要為低電平。當SCL時鐘為低是，DOUT上的數(shù)據(jù)就被讀走。如下圖



在一些點對點的傳輸中，使用去掉NSL的2線模式，其中NSL一直被拉低。當然它的傳輸速度也變?yōu)?.5Mhz。如下圖所示



2.產(chǎn)品特點


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。正余弦通道的差補提高了AEAT-9000的精度，這對伺服系統(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編碼器主要應用要求比較高的場合，如伺服電機、工業(yè)和海事閥控制、高精度測試和測量儀器、工廠自動化設備、紡織、木工及包裝機械、風力渦輪機等。


三、AEDB-9340和AEAT-9000在伺服電機中應用



上圖為安華高編碼器在伺服系統(tǒng)中應用框圖。


AEDB-9340在系統(tǒng)中能實現(xiàn)位置信號A、B、I三個通道輸出，根據(jù)位置計算伺服電機的運行速度，對主控制器要求的位置和速度進行精確的控制。同時，在伺服電機特別是BLDC無刷電機的控制中，可以將光電編碼器產(chǎn)生的UVW三個換向信號直接用于馬達的換向信號，而不做額外的信號處理。編碼器的響應速度快，能適應于多種運行速度的伺服電機,相比之下，霍爾傳感器則增加了伺服電機尺寸、設計復雜性和組裝成本。


如果用戶對成本不是很敏感，對控制精度，干擾和位置準確性比較高的話，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，用于微控制器對電機的控制，同時SPI接口增強編碼器的通訊功能。AEAT-9000還很好滿足用戶對脈沖數(shù)、軸徑、信號輸出形式、電壓、尺寸等方面的要求，并豐富了以上功能。