基于MC33153的IGBT驱动电路设计

付丰鸿，罗一鸣，江　秀

(1. 成都锐佳科技股份有限公司，四川 成都 611756；2. 西南交通大学电气工程学院，四川 成都 610031；3. 西南交通大学交通运输与物流学院，四川 成都 610031)



·机电工程·

基于MC33153的IGBT驱动电路设计

付丰鸿1，罗一鸣2，江秀3

(1. 成都锐佳科技股份有限公司，四川 成都 611756；2. 西南交通大学电气工程学院，四川 成都 610031；3. 西南交通大学交通运输与物流学院，四川 成都 610031)

在分析IGBT的保护设计要求和MC33153的驱动特性基础上，设计一种基于MC33153的IGBT驱动电路。该电路采用光电隔离、延时消隐和负载检测等方法使其具有短路保护和自锁功能，既能满足IGBT的外围保护设计要求，又能克服MC33153内部无隔离电路、存在保护盲区和短路不能自锁的不足。实验结果表明，该驱动电路能够对IGBT进行有效驱动和保护。

IGBT；MC33153；驱动电路

IGBT是由MOSFET和双极性晶体管复合而成的一种器件，具有饱和压降低和开关频率高的特点[1-2]，广泛应用在各种电力装置中。它的驱动电路决定了其通态压降、开关损耗、抗过载能力等静态和动态特性[3]，因此，可靠的IGBT驱动和保护是IGBT稳定工作的前提条件。目前，国内外推出了许多针对IGBT驱动的模块[4-5]，如IR2110、M57962、TLP250等，但许多IGBT模块在其电路使用上都有一定局限性。本文介绍一种采用MC33153驱动IGBT的方法，其电路简单易用，既满足IGBT的外围保护设计要求，又克服MC33153在驱动方面的不足，适合于中小功率的IGBT。

1　IGBT外围保护设计分析

1)栅压限幅。如果在IGBT的栅极与源极之间加载超出某限值的导通电压，可能会损坏IGBT；因此，驱动电路栅极应具有限幅电路以保证IGBT正常开通与关断。

2)栅极电阻Rg。较小的Rg能使IGBT快速导通和关断，有利于减小开关损耗[6-7]；但会使得瞬间导通电流很大，带来浪涌尖峰电压的困扰，也会增加辐射发射的强度：因此，需根据IGBT的开关频率和设备使用要求来选择合适的Rg。

3)浪涌尖峰电压。当IGBT关断时，因工作频率很高，且突变时间又短，再加上回路寄生电感的影响，会在漏极产生很高的浪涌冲击电压。如果负载发生短路，漏极电流的最大值会达到额定工作电流的数10倍[8]，这将导致IGBT的关断电流变化率成倍增加，很容易引起漏极过电压而烧毁IGBT；因此，必须采取措施抑制关断浪涌电压。

2　MC33153的驱动特性分析

MC33153是专为驱动IGBT而设计的，是一款性价比较高的栅极驱动器，主要用于交流感应电机控制、无刷直流电机控制和不间断电源的大功率控制。它具有大电流输出、过流和短路保护、可编程故障消隐时间等特点。MC33153的内部结构框图如图1所示，有2个电流保护比较器、1个故障/消隐去饱和比较器、1个欠压锁定比较器、2个电流锁存器、3个逻辑与门和1个图腾柱驱动输出[9-10]。它的具体工作原理如下。

1)正常开通过程。正常开通时，MC33153的4脚输入低电平，经过非门后i点输出高电平，此时过流锁存器输出b点与欠压锁定比较器输出点m均输出高电平，再经过与门后点k和点n输出相反的电平使内部具有达林顿结构的三极管电路输出迅速上升至Ucc使IGBT导通。

2)正常关断过程。关断时4脚输入高电平，点i输出低电平，过流锁存器输出点b与欠压锁定比较器输出点m仍输出高电平，点n输出高电平使内部三极管下拉输出低电平，IGBT可靠截止。

图1MC33153内部结构框图

3)短路保护过程。双极性功率电路普遍采用“去饱和检测”的方式检测是否发生过流/短路故障，即在IGBT饱和导通的情况下检测漏极电压Ud是否超过某个限值。MC33153也是采用此种方式。当栅极输入低电平时MC33153内部NPN三极管去箝位故障比较器的输入，故障检测被禁用；当输入切换成高电平时，三极管被关断以使能故障检测，如果在IGBT饱和导通后发生短路， IGBT迅速退出饱和状态，一般有漏极-源极电压Uds上升且大于7 V，故障/消隐去饱和比较器发生翻转，以关闭驱动输出。

通过以上对MC33153工作原理的分析，可以看出其存在以下不足：1)内部没有输入输出隔离电路，输入输出信号可能会形成串扰而干扰电路正常工作；2)存在保护盲区，对小于保护盲区的短路脉冲无法检测，过流/短路保护不能自锁，4脚驱动输入脉冲的上升沿会清除上次故障信息，这样每次IGBT导通时都会进入反复故障保护。

3　基于MC33153的IGBT驱动电路

为满足IGBT的外围保护设计要求，克服MC33153在驱动方面不足，设计了如图2所示的基于MC33153的IGBT驱动电路。

图2　IGBT驱动电路原理图

图2所示电路很好地解决了第1、2节分析的问题，现详细说明如下。

1)IGBT的外围保护设计问题。A部分为IGBT的外围保护设计：DZ101和DZ102采用瞬态抑制二极管MBJ18A形成栅压限幅电路，可保证栅极不被击穿；R4是栅极电阻，一般取几十Ω，以不增加IGBT发热和缓解EMI为准；R6和C3并联在IGBT的漏极-源极之间形成RC吸收回路，来抑制可能出现的尖峰电压。

2)MC33153内部没有隔离电路的问题。B部分是针对MC33153内部没有隔离电路而设计的，U1采用高速光耦TLP181，U3采用具有较大电流传输比的光耦TLP127。U1和U3将输入和输出信号完全隔离，再通过一个上拉电阻与单片机相接，这样使得电路具有良好的绝缘能力和抗干扰能力，进而保证了单片机的稳定工作。

3)存在保护盲区的问题。针对MC33153存在保护盲区的问题，采用RC延时设计，见图中C部分。当栅极输入高电平时，MC33153允许内部270 μA的恒流源给消隐电容C2充电，消隐电容从内部NPN三极管的导通电压开始充电到比较器的关断电压所需的时间，再加上电压信号在R3上的上升时间就是消隐时间，只要消隐时间略大于盲区时间，就可以很好地使电路正确传输故障信号。

4)短路保护自锁的问题。为排除干扰和正确识别发生过流/短路故障而使电路自锁，这里除了辅以负载检测电路(见图2中D部分)外，再加以软件判断来解决。在图2中，B部分的故障输出信号接至单片机的中断输入引脚，中断信号既有可能是电路受到干扰而造成的误触发，也有可能是正确的故障信号；因此须由软件来正确识别和判断。若是前者，可直接退出中断；若是后者则须锁住PWM输入信号，记录正确的故障信号后退出中断。图3给出了软件处理流程图。这样的处理方式具有逻辑性强、可靠性高、电路简单的优点。

图3　软件中断处理流程图

4　IGBT短路保护实验

同其他电力电子器件一样，短路保护的可靠性是影响设备正常工作的主要因素。为能有效实现IGBT的短路保护，须进行过流检测。以图2为原理图搭建电路来验证以上设计是否可行。在实际电路测试中，由单片机生成并输入的PWM信号是频率f为1 Hz、占空比为1/50的方波，如图4所示。

1)验证电路能否可靠保护IGBT 。用交流接触器模拟短路故障，用示波器测得的MC33153正常工作时去饱和引脚输入电压约为3 V，如图5所示，模拟短路故障时的瞬时输入电压约为10 V，如图6所示，二者与去饱和比较器反相输入端门槛值6.5 V的裕量都很充足。同时，在实测中发现电路不仅可靠地保护了IGBT，也输出了故障信号。

2)验证电路能否准确传输故障信号。实测中在电路正常工作时用镊子将图2中MC33153的6、7脚短接，即模拟出一个干扰信号送给单片机中断引脚，此时发现电路没有任何异常继续正常工作。

由以上电路测试说明，图2设计的电路不但可以对IGBT进行可靠的短路保护，而且可以排除干扰，传输正确的故障信号。

图4　正常工作时IGBT栅极输入波形

图5　正常工作时去饱和输入波形

图6　短路故障时去饱和输入波形

5　结论

本文在分析了IGBT的保护设计要求和MC33153的驱动特性后，设计了一种既能满足IGBT的外围保护设计要求，又能克服MC33153在驱动方面不足的IGBT驱动电路。经电路实验验证，所设计的电路不仅可以对IGBT进行有效地驱动和保护，也大大增强了电路的抗干扰能力。

[1]华伟. IGBT驱动及短路保护电路M57959L研究[J]. 电力电子技术, 1998，32 (1):89.

[2]王兆安,刘进军. 电力电子技术[M]. 北京：机械工业出版社, 2010：34-37.

[3]陈永真. IGBT短路保护的策略分析[J]. 电气传动, 2010, 40(8)：38.

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[5]杨文方,王军. 基于TMS320F240 DSP的直接转矩控制系统的设计[J]. 西华大学学报(自然科学版),2006,25(2):45.

[6]马俊兴,孙汉卿. IGBT短路保护的驱动电路的设计[J]. 通信技术,2009, 42 (11):235.

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[8]李武杰,程善美,孙得金. IGBT变电阻开通策略的研究[J].电力电子技术,2014,48(11):70.

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[10]安森美半导体. MC33153: Single IGBT Drive [EB/OL]. [2015-01-12].http://www.onsemi.cn/PowerSolutions/product.do?id=MC331532000.

(编校：饶莉)

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

国家自然科学基金(61403317)。

付丰鸿(1988—)，男，工程师，主要研究方向为嵌入式软硬件开发。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