變頻器驅(qū)動電路常用的幾種驅(qū)動IC

    變頻器驅(qū)動電路中常用IC，共有為數(shù)不多的幾種,?？梢栽O(shè)想一下，變頻器電路的通用電路,，必定是主電路（包括三相整流電路和三相逆變電路）和驅(qū)動電路,，即便是型號的功率級別不同的變頻器，驅(qū)動電路卻往往采用了同一型號的驅(qū)動IC,，甚至于驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)和布局,，是非常類似的和接近的。

早期的和小功率的變頻器機(jī)種,，經(jīng)常采用TLP250,、A3120（HCPL3120）驅(qū)動IC,，內(nèi)部電路簡單，不含IGBT保護(hù)電路,；以后被大量廣泛采用的是PC923,、PC929的組合驅(qū)動電路，往往上三臂IGBT采用PC923驅(qū)動,，而下三臂IGBT則采用PC929驅(qū)動,。PC929內(nèi)含IGBT檢測保護(hù)電路等,；智能化程度比較高的專用驅(qū)動芯片A316J,，也在大量機(jī)型中被采用。

通過熟悉驅(qū)動IC的引腳功能和掌握相關(guān)的檢測方法,，達(dá)到對驅(qū)動電路進(jìn)行故障判斷與檢測的能力,，以及能對不同型號的驅(qū)動IC應(yīng)急進(jìn)行代換與修復(fù)。

一,、TLP250和HCPL3120驅(qū)動IC：

  TLP250                    HCPL3120/ J312                    HCNW3120

圖1  三種驅(qū)動IC的功能電路圖

     TLP250：輸入IF電流閥值5mA,，電源電壓10∽35V，輸出電流±0.5A,，隔離電壓2500V,，開通/關(guān)斷時間（tPLH/ tPHL）0.5μs?？芍苯域?qū)動50A1200V的IGBT模塊,，在小功率變頻器驅(qū)動電路中，和早期變頻器產(chǎn)品中被普遍采用,。

    HCNW3120（A3120）：與HCPL3120,、HCPLJ312內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)相同，只是因選材和工藝的不同，后者的電隔離能力低于前者。輸入IF電流閥值2.5mA,，電源電壓15∽30V,，輸出電流±2A，隔離電壓1414V,，可直接驅(qū)動150A/1200V的IGBT模塊。

    三種驅(qū)動IC的引腳功能基本一致，小功率機(jī)型中可用TLP250直接代換另兩種HCNW3120和HCPL3120,，大多數(shù)情況下TLP350、HCNW3120可以互換,，雖然它們的個別參數(shù)和內(nèi)部電路有所差異,，如TPL250的電流輸出能力較低，但在變頻器中功率機(jī)型中,，驅(qū)動IC往往有后置放大器,，對驅(qū)動IC的電流輸出能力就不是太挑剔了,。

驅(qū)動IC實(shí)質(zhì)上都為光耦合器件，具有優(yōu)良的電氣隔離特性,。輸入側(cè)內(nèi)部電路為一只發(fā)光二極管,，有明顯的正、反向電阻特性,。用指針式萬用表×1k檔測量,，2、3腳正向電阻約為100kΩ左右,，反向電阻無窮大,；用×10k檔測量，正向電阻約為25kΩ左右,，反向電阻也為無窮大,。當(dāng)然2、3腳與輸出側(cè)各引腳電阻,，都是無窮大的,。5、6腳和5,、8腳之間,，均有鮮明的正、反向電阻,，當(dāng)5腳搭紅表筆時,，有10kΩ/30 kΩ的電阻值，5腳接黑表筆時,，電阻值接近于無窮大,。因選材、工藝和封裝型式的不同和測量儀表的選型不同,，得出的測量數(shù)值會有一定的差異,。TLP250的輸出電路采用互補(bǔ)式電壓跟隨器輸出電路，V1,、V2均為雙極型器件三極管,。而HCPL3120的輸出電路V2采用了DMOS三極管，兩種芯片的輸出側(cè)電阻值有所差異,。在上電檢測中,，從驅(qū)動IC的電路結(jié)構(gòu)中可得出如下結(jié)論：當(dāng)2、3腳輸入電流通路接通時,，TPL250內(nèi)部V1導(dǎo)通,，6、7腳則與8腳電壓相近或相等,；當(dāng)2,、3腳輸入電流為零時,，TLP250內(nèi)部V2導(dǎo)通，6,、7腳則與5腳電位相近或相等,。這即是對TLP250好壞進(jìn)行判斷的依據(jù)。

    TLP250在線測量：

因機(jī)型不同,，外圍電路的數(shù)值不盡相同,，所以測量得出的在線電阻值的參考意義不大。在供電狀態(tài)下,，可方便測出TLP250的好壞情況,。驅(qū)動電路的帶電檢測，須在單獨(dú)檢修驅(qū)動電路的情況下或已將逆變功率電路的供電切除的情況下進(jìn)行,！嚴(yán)禁在整機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下,，直接下筆測量驅(qū)動電路——由表筆引入的干擾信號會誤觸通IBGT,，造成嚴(yán)重?fù)p壞,！在脫開逆變電路或切斷逆變電路供電的情況下，和CPU主板能輸出正常六路驅(qū)動脈沖的情況下,，可以在線檢測驅(qū)動IC的工作狀態(tài),。

在變頻器的控制線路處于停機(jī)狀態(tài)時，測量2,、3腳電壓應(yīng)為0V,，測量5、6腳電壓應(yīng)為OV,；操作變頻器的操作顯示面板,，使之處于啟動運(yùn)行狀態(tài)，測量2,、3腳應(yīng)有0.6V左右的正向電壓值,，此時測量5、6腳之間應(yīng)有2--4V左右的電壓輸出,。說明TLP250是好的,。2、3腳輸入電壓有變化,，但輸出腳無電壓變化,，或輸出腳一直保持一個固定不變的高電平或低電平，說明TLP250損壞,。

當(dāng)然,，也可用外加電源串聯(lián)限流電阻提供TLP250的輸入電流，檢測輸出腳的電壓變化,，來檢測判斷TLP250的好壞,。上述檢測方法同樣適用于HCNW3120等的檢測,。

二、PC923,、PC929驅(qū)動IC：

圖2  配對應(yīng)用的驅(qū)動IC：PC923（8引腳）,、PC929（14引腳）

兩片驅(qū)動IC經(jīng)常成對出現(xiàn)，成為驅(qū)動電路的一個經(jīng)典組合模式,。PC923用于上三臂IGBT管子的驅(qū)動,，PC929則用于驅(qū)動下三臂IGBT管子，并同時承擔(dān)對IGBT導(dǎo)通管壓降的檢測,，對IBGT實(shí)施過流保護(hù)和輸出OC報警信號的任務(wù),。PC929與普通驅(qū)動IC的不同，在于內(nèi)部含有IGBT保護(hù)電路和OC信號輸出電路,，將驅(qū)動和保護(hù)功能集成于一體,。

    PC923的相關(guān)參數(shù)：輸入IF電流值5∽20mA，電源電壓15∽35V,，輸出峰值電流±0.4A,，隔離電壓5000V，開通/關(guān)斷時間（tPLH/ tPHL）0.5μs,?？芍苯域?qū)動50A/1200V以下的小功率IGBT模塊。PC923的電路結(jié)構(gòu)同TLP250等相近,，但輸出引腳不太一樣,。5、8腳之間可接入限流電阻,，限制輸出電流以保護(hù)內(nèi)部V1,、V2三極管。常規(guī)應(yīng)用,，是將5,、8腳直接短接，接入供電電源的正極,。如果將輸出側(cè)引線改動一下,，也可以與TLP520、A3120等互為代換,。其上電檢測方法也同于TLP250,，在此不予贅述。

    PC929的相關(guān)參數(shù)與PC923相接近,，在電路結(jié)構(gòu)上要復(fù)雜一些,。1、2腳為內(nèi)部發(fā)光二極管陰極，3腳為發(fā)光管陽極,，1,、3腳構(gòu)成了信號輸入端。4,、5,、6、7腳為空端子,。輸入信號經(jīng)內(nèi)部光電耦合器,、放大器隔離處理后經(jīng)接口電路輸入到推挽式輸出電路。10,、14腳為輸出側(cè)供電負(fù)端,，13腳為輸出側(cè)供電正端，12腳為輸出級供電端,，一般應(yīng)用中將13,、12腳短接。11腳為驅(qū)動信號輸出端,，經(jīng)柵極電阻接IGBT或后置功率放大電路,。PC929的9腳為IGBT管壓降信號檢測腳，9,、10腳經(jīng)外電路并聯(lián)于IGBT的C,、E極上。IGBT在額定電流下的正常管壓降僅為3V左右,。異常管壓降的產(chǎn)生表征了IGBT運(yùn)行在危險的過流狀態(tài)下。PC929的8腳為IGBT管子的OC（過載,、過流,、短路）信號輸出腳，由外接光耦合器將故障信號返回CPU,。

圖3  PC923,、PC929與后置放大器構(gòu)成的U相驅(qū)動電路

PC929內(nèi)部IGBT保護(hù)電路的動作過程：在正常狀態(tài)下，變頻器無論處于待機(jī)或運(yùn)行狀態(tài),，2,、3腳輸入脈沖信號電流，11腳相繼產(chǎn)生+15V和-7.5V的輸出驅(qū)動電壓信號,。此時PC929的8（FS）腳一直為高電平狀態(tài),；當(dāng)所驅(qū)動的IGBT管子流過異常電流時（如2倍以上額定電流），IGBT的導(dǎo)通管壓降迅速上升,，使9腳電壓到達(dá)故障報警閥值（7V）,，PC929內(nèi)部的IGBT保護(hù)電路起控，11腳輸出的正向激勵電壓降低，使IGBT的導(dǎo)通電流下降,，同時控制8腳內(nèi)部的三極管Q3導(dǎo)通,，輸出一個低電平的OC故障信號，經(jīng)外接光耦合器送入CPU,，CPU據(jù)過流情況實(shí)施保護(hù)停機(jī)等動作,。

表1  PC923、PC929輸出側(cè)的各腳電阻值（kΩ）

在單獨(dú)維修電源/驅(qū)動板的上電檢測中,，因PC929的9、10腳與IGBT模塊脫離,，一接受運(yùn)行信號,，8腳即報出OC故障信號，11腳輸出脈沖電壓也被內(nèi)部IGBT保護(hù)電路所嵌制,，致使無法測出PC929的工作狀態(tài),。需采取相應(yīng)措施，解除PC929的管壓降檢測功能,，強(qiáng)制電路正常工作,，達(dá)到方便檢測的目的。

三,、智能型驅(qū)動IC——HCPL-316J（A316J）：

圖4  HCPL-316J內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及引腳功能圖

圖5  HCPL-316J內(nèi)部電路原理圖

圖6 由HCPL-316J構(gòu)成的驅(qū)動電路

    圖4和圖5分別為A316J的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和原理圖,。AJ316的輸出電流值達(dá)2.5A，可直接驅(qū)動150A/1200V的IGBT,。作為一種專用驅(qū)動芯片,，其各項(xiàng)功能已接近完善，外圍附屬電路相對簡潔,。輸入側(cè)內(nèi)部電路為數(shù)字門電路,，阻抗較高，不必取用大的信號源電流,。內(nèi)含欠電壓封鎖輸出電路和IGBT保護(hù)電路,；內(nèi)含輸入脈沖信號和輸出OC信號的兩路光電耦合器,；具有故障時封鎖驅(qū)動脈沖和故障復(fù)位控制功能，與CPU配合,，可實(shí)現(xiàn)自動停機(jī),、自動復(fù)位等控制。

    如圖4和圖5,，A316J內(nèi)部以兩只光耦合器的光傳輸通道為分界點(diǎn),，分出了輸入側(cè)電路和輸出側(cè)電路。1,、2為VIN+,、VIN-正/負(fù)信號輸入端，LED1與相關(guān)輸入側(cè),、輸出側(cè)電路構(gòu)成了脈沖信號傳輸電路,。輸入信號經(jīng)門電路由發(fā)光管LED1（光耦合器）傳輸至輸出側(cè)電路。輸出側(cè)接受到的光信號再經(jīng)受控放大電路,，進(jìn)行功率放大后由11腳輸出,，驅(qū)動IGBT模塊,。LED1的陽極和陰極分別由7、8腳引出,，便于外接故障保護(hù)電路，以切斷脈沖信號的傳輸,。但常規(guī)應(yīng)用中,，一般是將7腳懸空,，8腳直接接輸入側(cè)信號（電源）地，構(gòu)成了信號直通回路,。

    內(nèi)部輸出級電路為推挽式輸出電路，由復(fù)合放大器保障大電流輸出能力,。實(shí)際電路中,，控制電路的供電端子13腳與輸出級放大器的供電端子12腳也是短接的，接入驅(qū)動電路供電電源的正極,，9,、10腳接入供電負(fù)極,，電源電壓范圍為15∽30V,。

    驅(qū)動電路對IGBT的過載保護(hù)，并非是通過電流采樣——串聯(lián)電流采樣電阻或采用電流互感器來進(jìn)行的，而是由IGBT的通態(tài)管壓降,，來判斷IGBT是否出處于過流狀態(tài),。在額定電流以下運(yùn)行時，IGBT管壓降不大于3V,，當(dāng)運(yùn)行電流達(dá)到IGBT的兩倍時,，管壓降會上升到7V以上。應(yīng)該實(shí)施保護(hù)停機(jī)了,。

    LED2（光電耦合器）與輸入,、輸出側(cè)相關(guān)電路構(gòu)成了IGBT管壓降檢測電路、IGBT模塊的OC信號報警電路和故障復(fù)位電路,。14腳為IGBT管壓降信號（IGBT過電流檢測信號）輸入腳，14,、16腳經(jīng)外接元件并聯(lián)于IGBT的C、E極上,。正常工作狀態(tài)下,，IGBT保護(hù)電路不動作，LED2為截止?fàn)顟B(tài),，輸入側(cè)內(nèi)部RS觸發(fā)器的輸出Q端保持低電平，對LED1的信號輸入通路不起控制作用,，同時6腳內(nèi)部DMOS管因無工作偏壓處于截止?fàn)顟B(tài)，6腳（模塊OC信號輸出腳）為高阻態(tài)（高電平）,，電路正常工作；當(dāng)負(fù)載過重或驅(qū)動電路本身故障或IGBT有開路性損壞時,，14腳檢測到IGBT導(dǎo)通期間的管壓降達(dá)7V以上時，內(nèi)部IGBT保護(hù)電路起控,，11腳內(nèi)部功率輸出電路被先行封鎖，LED2導(dǎo)通,，RS觸發(fā)器Q端變?yōu)楦唠妷海}沖信號輸入門電路被封鎖,，同時6腳內(nèi)部DMOS管子導(dǎo)通,，將低電平的OC信號輸入CPU或前級故障信號處理電路,。當(dāng)RS觸發(fā)器被觸發(fā)后,，將維持故障鎖定狀態(tài)，LED1的傳輸通路被切斷,，驅(qū)動信號無輸出,。直到AJ316的5腳（復(fù)位信號輸入腳）接受一個外來（該信號常用CPU輸出）低電平的復(fù)位信號時,，RS觸發(fā)器狀態(tài)復(fù)位，LDE1等電路構(gòu)成的脈沖信號傳輸通道,，才又重新開通,。15腳在OC故障信號輸出時為高電平,，也可配合外接電路進(jìn)行故障報警等,，一般電路中,，15腳也被空置未用,。

    OC故障信號,、供電電源欠電壓信號和脈沖輸入信號,，決定著AJ316的輸出狀態(tài),。輸出推挽電路具有互鎖功能,，確保上,、下管子不會同時導(dǎo)通,。當(dāng)供電電壓低落到12V以下時,，為避免IGBT欠激勵而導(dǎo)致電路故障,，內(nèi)部欠電壓電路保護(hù)電路起控,，推挽輸出電路的DMOS下管被強(qiáng)制導(dǎo)通,，將驅(qū)動脈沖輸出端下拉為低電平，IGBT被截止,；在脈沖輸入信號有效期間,，IGBT保護(hù)電路檢測到IGBT的管壓降異常上升時，則保護(hù)電路起控,，推挽輸出電路的上部達(dá)林頓管被關(guān)斷，并由RS觸發(fā)器實(shí)施了故障鎖定,。同時推挽輸出電路下管中并聯(lián)的DMOS管子中放大倍數(shù)小的管子先行導(dǎo)通，經(jīng)外接觸發(fā)回路將IGBT的G,、E結(jié)電容所儲存的電荷進(jìn)行緩慢釋放，使IGBT軟關(guān)斷,，避免由主電路的分布電感形成過大的Ldi/dt,，易使IGBT超出安全工作區(qū)而損壞。

    對A316J驅(qū)動IC的測量判斷見下表,。

表2  A316J的各腳電阻值（MF47型表×1k檔測量）

    A316J的上電檢測，請參見本博的其它文章,。