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　　光耦HCPL-316J是Agilent公司早幾年前推出的產(chǎn)品，在國外應用較為廣泛。文中介紹了光耦HCPL-316J的基本工作原理，給出了實際應用電路，結(jié)合實驗所得結(jié)果，分析該光耦的優(yōu)缺點，并對在實際應用中的注意事項進行了闡述。Agilent公司適時的推出光耦HCPL-316J，把IGBT的過流保護與驅(qū)動回路合成在一起，大大簡化了電路設計，為進一步提高產(chǎn)品可靠性提供了可能。其主要特點有：

　　◇可以驅(qū)動級別達Ic=150A/Vce=1200V的IGBT，滿足大多數(shù)中小功率的驅(qū)動需求;

　　◇反饋的故障信號為光隔離的，傳輸延遲典型值為1.8μs;

　　◇開關(guān)速度延遲最大為500ns;

　　◇內(nèi)部自帶Vce、具施密特特性的欠電壓保護，并且在保護時對IGBT實施軟關(guān)斷。

　　1 光耦HCPL-316J的工作原理簡介

　　HCPL-316J的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，引腳如圖2所示。

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　　若VIN+、VIN-正常輸入，腳14沒有過流信號，且VCC2-VK≥12V即輸出驅(qū)動，驅(qū)動信號輸出高電平、故障信號輸出高電平、欠壓信號UVLO輸出低電平。首先這3路信號共同輸入到JP3，D點低電平，B點也為低電平，50xDMOS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)欠壓，則不管輸入狀態(tài)如何，驅(qū)動輸出VOUT均會被50xDMOS管拉低(接近VEE);若IGBT出現(xiàn)過流信號(腳14檢測到IGBT集電極上電壓≥7V)，而不管輸入驅(qū)動信號是否繼續(xù)加在腳1，50xDMOS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VOU T=2V時，即VOUT輸出低電平，50xDMOS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。

　　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。表1所列是HCPL-316J引腳功能描述。

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　　2 光耦HCPL-316J在伺服系統(tǒng)上的應用

　　2.1 帶故障保護的典型直流伺服系統(tǒng)的驅(qū)動電路(方案1)

　　圖3中僅畫出一個IGBT的驅(qū)動回路，其余3路類同，并且4路光耦的RESET、FAULT全部連接在一起。

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　　2.2 電路工作原理

　　如圖3，當IGBT管T1導通時，從芯片內(nèi)部恒流源(250μA)流出的電流分別在電阻R1、二極管D1上產(chǎn)生壓降VR1、VD1，加上T1的導通管壓降Vce，當VR1+VD1+Vce>7V時，則：

　　(1)VOUT輸出變?yōu)榈汀1實施軟關(guān)斷并鎖定，防止流過IGBT的電流進一步上升;

　　(2)同時，6腳的故障信號立刻變?yōu)榈筒⑺偷?a target="_blank">上位機，上位機可以依據(jù)此故障信號作PWM開度限制或全關(guān)斷處理;

　　(3)上位機在接收到故障信號后的下一PWM周期，在送PWM開度的同時，送出一路RESET信號(低有效，低電平寬度≥100ns)，允許再次開通IGBT，如此周而復始的循環(huán)，實現(xiàn)電流保護的逐周限流。由圖3組成的驅(qū)動系統(tǒng)測得的電流保護波形如圖4所示。

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　　圖3中，電阻R1需要根據(jù)實際的電流保護值大小進行調(diào)整，估算公式如下：

　　R1=(7-VD1-Vce)/0.25(kΩ)

　　式中，VD1-二極管D1上產(chǎn)生壓降(V)

　　Vce-IGBT的導通管壓降(V)

　　例如，對FS100R12KT3管，在管芯結(jié)溫為125℃、流過電流為100A時，其Vce≈2.4V，假定此時VD1≈0.7V，則

　　R1=(7-VD1-Vce)/0.25=(7-2.4-0.7)/0.25=15.6(kΩ)

　　2.3 另一種帶故障保護的伺服系統(tǒng)的驅(qū)動電路(方案2)

　　在圖3的基礎上，僅2個上管的驅(qū)動保護采用光耦HCPL-316J，2個下管的驅(qū)動直接采用普通的光耦如TLP250、A3120等，電路更為簡潔，同樣也可達到4路均采用光耦A316J的過流保護效果(實測的電流保護波形同圖4)。

　　3 兩種方案的電流保護波形一致性分析

　　從兩種方案所得的實際電流保護波形是一樣的實際結(jié)果來看.說明方案1與方案2本質(zhì)上并沒有區(qū)別。究其原因，主要是本驅(qū)動系統(tǒng)主回路驅(qū)動方式均采用單極性的特性決定的，在圖3中，假設在正方向的速度設定下，完整的一個驅(qū)動周期如下：

　　(1)T1、T3導通，電流從電源+→T1→A→M→B→T3→電源-，正向流過電機M，電流增大，直到電流限幅值或電流保護值;

　　(2)T1斷、T3保持導通，電流從A→M→B→T3→VD3，電流方向仍為+，處于續(xù)流階段;在此階段，電流處于下降趨勢，幅值必定比a階段小，所以在此階段，即使下管驅(qū)動采用光耦A316J，也必不會達到光耦A316J的電流保護點，因此，下管采用光耦A316J與采用普通驅(qū)動光耦的結(jié)果是一樣的;

　　(3)T1、T3導通，電流從電源+→T1→A→M→B→T3→電源-，正向流過電機M，電流增大，直到電流限幅值或電流保護值;

　　(4)T3斷、T1保持導通，電流從A→M→B→VD2→T1，電流方向仍為+，處于續(xù)流階段;同樣，在此階段，電流處于下降趨勢，幅值必定比c階段小，也必不會達到光耦A316J的電流保護點。

　　所以，下管是采用光耦A316J或采用普通驅(qū)動光耦，得到的電流保護結(jié)果是一樣的，從電路簡介性看，可采用普通光耦，且價格相對低點;從減少所需器件種類來看，可采用A316J，價格相對高點。

　4 注意事項

　　在兩種方案電路中，均要關(guān)注：

　　(1)負載問題：在圖3中，如果負載為電感性負載，則由于續(xù)流是通過二極管回路進行，即電流下降梯度非常慢，假使在下一周期只要一打開IGBT，光耦馬上檢測到過流信號，在不大于3μs內(nèi)實施對IGBT實施軟關(guān)斷，即在一個PWM周期內(nèi)，IGBT最小導通時間為此延時時間。假定在此段時間內(nèi)電流的增加多于下降，則會隨著導通時間的加長，電流越來越大，超越IGBT的承受能力，造成IGBT損壞，這一點在應用中必須注意;

　　(2)時序問題：在上電時，如果光耦供電電源未穩(wěn)定之前，VIN+、VIN-之間即滿足VOUT輸出為高的條件，則可能會造成驅(qū)動輸出電平不夠高、IGBT處于放大區(qū)的工作狀態(tài)，容易造成IGBT的損壞，所以上電時，一定要保證在供電電源充分穩(wěn)定后，再允許IGBT工作;同樣，掉電時，也要充分保證光耦供電電源在未跌落之前關(guān)斷驅(qū)動VOUT的輸出，否則，驅(qū)動VOUT輸出很容易出現(xiàn)高頻抖動(如圖5所示：即是由于電源已由17V跌落到14V時，還未關(guān)斷送出到VIN+、VIN-的輸出，結(jié)果在運行過程中突然掉電即發(fā)生IGBT損壞)，更是對IGBT的安全工作造成威脅;

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　　(3)IGBT的Vce分散性問題：由于IGBT的導通管壓降的分散性，會導致采用相同的電流檢測電阻，會得到不同的電流保護值，所以，實際應用中電流采樣電阻是與估算值偏差較大，應綜合所有工況、以達到所需的電流值來確定電流采樣電阻值;

　　(4)光耦A316J的電流采樣基準分散性問題：同上，由于光耦A316J的電流采樣基準分散性，亦會導致采用相同的電流檢測電阻，會得到不同的電流保護值。

　　5 兩種方案優(yōu)劣分析

　　方案2由于只有下管采取光耦A316J，比方案1電路更為簡潔，也使電流保護調(diào)節(jié)變得更為簡單，所以實際應用中推薦使用方案2。

　　采用光耦A316J作電流保護用，雖然電路變得簡單、可靠，但與傳統(tǒng)的過流保護電路一樣，仍然無法解決電流保護點比較確定的問題：傳統(tǒng)的過流保護電路，大都采用RC濾波的方式作電流檢測輸入，有可能在濾波電容C上的電荷在此PWM周期未放掉完，下一周期PWM又開通，于是電流又上升，檢測到的電流信號又會繼續(xù)給濾波電容C充電，即相當于保護延時變短，則保護點就會降低。

　　6 結(jié)束語

　　從上述的實驗結(jié)果來看，雖然使用光耦A316J在電路結(jié)構(gòu)方面比傳統(tǒng)的過流保護電路更為簡潔、可靠，也使電流保護調(diào)節(jié)變得更為簡單，所以現(xiàn)在國內(nèi)應用越來越廣泛。但也存在著如前面所述和傳統(tǒng)的過流保護電路一樣的缺點，并且在實際應用中一定要注意上下電的時序配合問題，否則，在此過程IGBT很容易損壞。

　　實驗證明，只要解決好上述的問題，該光耦的優(yōu)越性還是很明顯的，該光偶目前在我公司的交直流伺服產(chǎn)品上都已經(jīng)得到了很好的應用。