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變頻器驅(qū)動(dòng)電路常用的幾種驅(qū)動(dòng)IC

    變頻器驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路，即便是型號(hào)的功率級(jí)別不同的變頻器，驅(qū)動(dòng)電路卻往往采用了同一型號(hào)的驅(qū)動(dòng)IC，甚至于驅(qū)動(dòng)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(dòng)IC，內(nèi)部電路簡(jiǎn)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(dòng)電路，往往上三臂IGBT采用PC923驅(qū)動(dòng)，而下三臂IGBT則采用PC929驅(qū)動(dòng)。PC929內(nèi)含IGBT檢測(cè)保護(hù)電路等；智能化程度比較高的專用驅(qū)動(dòng)芯片A316J，也在大量機(jī)型中被采用。

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

一、TLP250和HCPL3120驅(qū)動(dòng)IC：

  TLP250                    HCPL3120/ J312                    HCNW3120

圖1  三種驅(qū)動(dòng)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(shí)間（tPLH/ tPHL）0.5μs?？芍苯域?qū)動(dòng)50A1200V的IGBT模塊，在小功率變頻器驅(qū)動(dòng)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(dòng)150A/1200V的IGBT模塊。

    三種驅(qū)動(dòng)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(gè)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(dòng)IC往往有后置放大器，對(duì)驅(qū)動(dòng)IC的電流輸出能力就不是太挑剔了。

驅(qū)動(dòng)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(wàn)用表×1k檔測(cè)量，2、3腳正向電阻約為100kΩ左右，反向電阻無(wú)窮大；用×10k檔測(cè)量，正向電阻約為25kΩ左右，反向電阻也為無(wú)窮大。當(dāng)然2、3腳與輸出側(cè)各引腳電阻，都是無(wú)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(shí)，有10kΩ/30 kΩ的電阻值，5腳接黑表筆時(shí)，電阻值接近于無(wú)窮大。因選材、工藝和封裝型式的不同和測(cè)量?jī)x表的選型不同，得出的測(cè)量數(shù)值會(huì)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(cè)中，從驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(shí)，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(duì)TLP250好壞進(jìn)行判斷的依據(jù)。

    TLP250在線測(cè)量：

因機(jī)型不同，外圍電路的數(shù)值不盡相同，所以測(cè)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(cè)出TLP250的好壞情況。驅(qū)動(dòng)電路的帶電檢測(cè)，須在單獨(dú)檢修驅(qū)動(dòng)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(cè)量驅(qū)動(dòng)電路——由表筆引入的干擾信號(hào)會(huì)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(dòng)脈沖的情況下，可以在線檢測(cè)驅(qū)動(dòng)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(shí)，測(cè)量2、3腳電壓應(yīng)為0V，測(cè)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(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，測(cè)量2、3腳應(yīng)有0.6V左右的正向電壓值，此時(shí)測(cè)量5、6腳之間應(yīng)有2--4V左右的電壓輸出。說(shuō)明TLP250是好的。2、3腳輸入電壓有變化，但輸出腳無(wú)電壓變化，或輸出腳一直保持一個(gè)固定不變的高電平或低電平，說(shuō)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(cè)輸出腳的電壓變化，來(lái)檢測(cè)判斷TLP250的好壞。上述檢測(cè)方法同樣適用于HCNW3120等的檢測(cè)。

二、PC923、PC929驅(qū)動(dòng)IC：

圖2  配對(duì)應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)IC：PC923（8引腳）、PC929（14引腳）

兩片驅(qū)動(dòng)IC經(jīng)常成對(duì)出現(xiàn)，成為驅(qū)動(dòng)電路的一個(gè)經(jīng)典組合模式。PC923用于上三臂IGBT管子的驅(qū)動(dòng)，PC929則用于驅(qū)動(dòng)下三臂IGBT管子，并同時(shí)承擔(dān)對(duì)IGBT導(dǎo)通管壓降的檢測(cè)，對(duì)IBGT實(shí)施過(guò)流保護(hù)和輸出OC報(bào)警信號(hào)的任務(wù)。PC929與普通驅(qū)動(dòng)IC的不同，在于內(nèi)部含有IGBT保護(hù)電路和OC信號(hào)輸出電路，將驅(qū)動(dòng)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(shí)間（tPLH/ tPHL）0.5μs?？芍苯域?qū)動(dòng)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(dòng)一下，也可以與TLP520、A3120等互為代換。其上電檢測(cè)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(yáng)極，1、3腳構(gòu)成了信號(hào)輸入端。4、5、6、7腳為空端子。輸入信號(hào)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(jí)供電端，一般應(yīng)用中將13、12腳短接。11腳為驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(hào)檢測(cè)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(xiǎn)的過(guò)流狀態(tài)下。PC929的8腳為IGBT管子的OC（過(guò)載、過(guò)流、短路）信號(hào)輸出腳，由外接光耦合器將故障信號(hào)返回CPU。

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

PC929內(nèi)部IGBT保護(hù)電路的動(dòng)作過(guò)程：在正常狀態(tài)下，變頻器無(wú)論處于待機(jī)或運(yùn)行狀態(tài)，2、3腳輸入脈沖信號(hào)電流，11腳相繼產(chǎn)生+15V和-7.5V的輸出驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)。此時(shí)PC929的8（FS）腳一直為高電平狀態(tài)；當(dāng)所驅(qū)動(dòng)的IGBT管子流過(guò)異常電流時(shí)（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(bào)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(lì)電壓降低，使IGBT的導(dǎo)通電流下降，同時(shí)控制8腳內(nèi)部的三極管Q3導(dǎo)通，輸出一個(gè)低電平的OC故障信號(hào)，經(jīng)外接光耦合器送入CPU，CPU據(jù)過(guò)流情況實(shí)施保護(hù)停機(jī)等動(dòng)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(dòng)板的上電檢測(cè)中，因PC929的9、10腳與IGBT模塊脫離，一接受運(yùn)行信號(hào)，8腳即報(bào)出OC故障信號(hào)，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(wú)法測(cè)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(cè)功能，強(qiáng)制電路正常工作，達(dá)到方便檢測(cè)的目的。

三、智能型驅(qū)動(dòng)IC——HCPL-316J（A316J）：

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

圖6 由HCPL-316J構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)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(dòng)150A/1200V的IGBT。作為一種專用驅(qū)動(dòng)芯片，其各項(xiàng)功能已接近完善，外圍附屬電路相對(duì)簡(jiǎn)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(hào)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(hào)和輸出OC信號(hào)的兩路光電耦合器；具有故障時(shí)封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖和故障復(fù)位控制功能，與CPU配合，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停機(jī)、自動(dòng)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(hào)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(hào)傳輸電路。輸入信號(hào)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(hào)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(dòng)IGBT模塊。LED1的陽(yáng)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(hào)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(hào)（電源）地，構(gòu)成了信號(hào)直通回路。

    內(nèi)部輸出級(jí)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(jí)放大器的供電端子12腳也是短接的，接入驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路對(duì)IGBT的過(guò)載保護(hù)，并非是通過(guò)電流采樣——串聯(lián)電流采樣電阻或采用電流互感器來(lái)進(jìn)行的，而是由IGBT的通態(tài)管壓降，來(lái)判斷IGBT是否出處于過(guò)流狀態(tài)。在額定電流以下運(yùn)行時(shí)，IGBT管壓降不大于3V，當(dāng)運(yùn)行電流達(dá)到IGBT的兩倍時(shí)，管壓降會(huì)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(cè)電路、IGBT模塊的OC信號(hào)報(bào)警電路和故障復(fù)位電路。14腳為IGBT管壓降信號(hào)（IGBT過(guò)電流檢測(cè)信號(hào)）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(dòng)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(duì)LED1的信號(hào)輸入通路不起控制作用，同時(shí)6腳內(nèi)部DMOS管因無(wú)工作偏壓處于截止?fàn)顟B(tài)，6腳（模塊OC信號(hào)輸出腳）為高阻態(tài)（高電平），電路正常工作；當(dāng)負(fù)載過(guò)重或驅(qū)動(dòng)電路本身故障或IGBT有開路性損壞時(shí)，14腳檢測(cè)到IGBT導(dǎo)通期間的管壓降達(dá)7V以上時(shí)，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(hào)輸入門電路被封鎖，同時(shí)6腳內(nèi)部DMOS管子導(dǎo)通，將低電平的OC信號(hào)輸入CPU或前級(jí)故障信號(hào)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(dòng)信號(hào)無(wú)輸出。直到AJ316的5腳（復(fù)位信號(hào)輸入腳）接受一個(gè)外來(lái)（該信號(hào)常用CPU輸出）低電平的復(fù)位信號(hào)時(shí)，RS觸發(fā)器狀態(tài)復(fù)位，LDE1等電路構(gòu)成的脈沖信號(hào)傳輸通道，才又重新開通。15腳在OC故障信號(hào)輸出時(shí)為高電平，也可配合外接電路進(jìn)行故障報(bào)警等，一般電路中，15腳也被空置未用。

    OC故障信號(hào)、供電電源欠電壓信號(hào)和脈沖輸入信號(hào)，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(huì)同時(shí)導(dǎo)通。當(dāng)供電電壓低落到12V以下時(shí)，為避免IGBT欠激勵(lì)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(dòng)脈沖輸出端下拉為低電平，IGBT被截止；在脈沖輸入信號(hào)有效期間，IGBT保護(hù)電路檢測(cè)到IGBT的管壓降異常上升時(shí)，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(shí)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(chǔ)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(guò)大的Ldi/dt，易使IGBT超出安全工作區(qū)而損壞。

    對(duì)A316J驅(qū)動(dòng)IC的測(cè)量判斷見下表。

表2  A316J的各腳電阻值（MF47型表×1k檔測(cè)量）

    A316J的上電檢測(cè)，請(qǐng)參見本博的其它文章。