基于ACPL-38JT的IGBT驱动电路设计

【摘要】在高性能电动车用永磁同步电机的控制中，驱动电路的可靠性设计十分重要。本文针对Avago推出的汽车汽车级光电耦合器ACPL-38JT进行分析，设计了基于ACPL-38JT的IGBT驱动电路。驱动电路包括电源电路、滞后欠压锁定电路和输入互锁电路、驱动推挽电路和驱动电阻等，最后经过带电机负载试验验证了所设计电路的正确性，所设计的驱动电路满足了高性能车用永磁同步电机驱动系统的要求。

【关键词】永磁同步电机；驱动；负载试验；ACPL-38JT；IGBT

1.引言

Avago公司的ACPL-38JT是汽车IGBT用栅极驱动光耦器，输出电流2.5A，集成了去饱和(VCE)检测和故障状态反馈，满足汽车电子AEC-Q100 Grade 1标准要求，可驱动IC=150A，VCE=1200V的IGBT，最大开关速度500ns，VCM=1，500V时15kV/μs共模抑制(CMR)能力，IGBT“软关断”，5-30工作电压，工作温度-40℃到+125℃。ACPL-38JT光电耦合器的带滞后欠压锁定(UVLO)保护功能可通过强制降低输出来保护IGBT免受门电压不足的干扰。集成的IGBT门极驱动器专为增加电机驱动的性能和可靠性并且不影响离散设计的成本、尺寸和复杂性而设计。该设备配有小尺寸16引脚(SO-16)表面贴装，符合UL 1577，IEC/EN/DIN EN 60747-5-2和CSA工业安全标准。

ACPL-38JT主要用于绝缘IGBT/MOSFET逆变器栅极驱动，汽车用DC/DC转换器，AC和无刷DC马达驱动以及UPS。

因此，本文针对ACPL-38JT栅极驱动光耦器进行深入研究，设计了应用于英飞凌型号为FS300R12KE3的IGBT驱动电路，并经过了实验验证。

2.逆变器原理框图

图1为基于ACPL-38JT的车用永磁同步电机PMSM驱动系统控制框图。由逆变电路和主控电路组成，逆变电路为电压源逆变器，由膜电容（该膜电容内部集成有吸收电容）、IGBT及其驱动电路组成，由于膜电容集成有吸收电容，因此可以抑制电流纹波和换流过程中产生的母线电压尖峰，IGBT采用英飞凌型号为FS300R12KE3模块，该模块为六合一模块，如图2所示，IGBT的驱动芯片采用ACPL-38JT。主电路由DSP、CPLD、PWM输出驱动电路、选编解码电路、电流电压采样电路、故障保护电路、CAN接口电路组成等组成。

3.基于ACPL-38JT的驱动电路设计

3.1 驱动电路电源设计

ACPL-38JT驱动芯片的引脚定义如图3所示。为保证IGBT的可靠开通和可靠关断，ACPL-38JT的VCC2-VEE之间的电压设计为24V，通过模块电源来实现，IGBT的门驱动电压G-E设计为18V，VEE2-E设计为-6V，其实现通过18V的稳压二极管来实现，电路园路图分别如图4和图5所示。

3.2 滞后欠压锁定电路和输入互锁电路设计

如图6所示，为保证驱动电路的可靠性，在电路中设计有滞后欠压锁定电路，当电源电压低于一定值是输出滞后欠压信号，根据该信号对IGBT进行保护。为保证输入PWM波出现上下管子直通，设计了输入互锁电路，Q44最主要起互锁作用，当两路PWM信号(同一桥臂)都为高电平时，Q44导通，把输入电平拉低，使输出端也为低电平。图6中的互锁信号lock1和lock2分别与另外一个38JT另一桥臂lock2和lock1相连。

3.3 U相下桥臂的驱动电路

根据前面的分析设计了基于ACPL-38JT的六合一的IGBT驱动电路，图7中给出了U相下桥臂的电路原理图，为提高电路的驱动能力，采用推挽电路来实现，输出电压VOUT经过两个快速三极管推挽输出，使驱动电流增大，能够快速驱动1200v、300A的IGBT。同时IGBT的导通和关断电阻可以根据需要进行选择，开通电阻可在5欧和2.5欧之间选择，关断电阻可在5欧、2.5欧和1.6欧之间选择。

4.实验结果

在完成驱动电流的基本测试后，将驱动电路装到IGBT上，带上电机负载进行试验，试验结果如后所述。

4.1 驱动电压波形中开通过程米勒平台考察试验

为了考察母线电压对米勒平台的影响规律，在母线电压分别为100V和400V时静态测试(未转动电机)开通过程的驱动电压波形，分别如图8和图9所示。母线电压升高后，驱动电压开通过程米勒平台开始出现变形。但是从上图对比可以看出，该电压“凹陷”过程并未影响开通时间，而只是在原有应为平台的区段出现变形。

4.2 稳态时母线电压幅值对驱动电压的影响

不同电压下稳态时的A相上管驱动电压Uge如表1所示。因此，稳态情况下，母线电压幅值对驱动电压Uge影响很小。

4.3 稳态时电流大小对驱动电压的影响

在400V母线电压下，测试不同电流下的A相上管和C相下管驱动电压，结果如表2所示。因此，稳态情况下，电流大小对驱动电压Uge影响也很小。并且不同管子的的驱动电压有较大差异。

4.4 电机电流波形

测试的母线电压为300V时，转速为700rpm，当相电流升至360Arms时电流波形如图10所示，图中1通道为驱动电压波形，2通道为电机电路波形，检测电流的过程中，对电流卡钳的量程进行了设计，所以示波器上显示单位为毫伏。

5.结论

本文对ACPL-38JT驱动芯片进行分析，通过对电源电路、滞后欠压锁定电路和输入互锁电路、驱动推挽电路和驱动电阻等电路的设计，最终完成针对英飞凌型号为FS300R12KE3的IGBT驱动电路的设计。经过带电机负载试验，本文所设计的ACPL-38JT驱动电路满足驱动电机负载的需求。

参考文献

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[6]ACPL-38JT芯片资料.

作者简介：郭新华（1977—），男，福建人，博士，研究方向：电动汽车用永磁型双机械端口电机驱动控制，永磁同步电机驱动控制，异步电机控制，中压大功率牵引异步电机控制。