基于MC33153的驱动电路设计

中国船舶重工集团公司第七一五研究所 丁建佳

介绍了MC33153的内部逻辑结构并详细分析了其引脚功能和保护原理，在此基础上设计了一款实用的IGBT驱动电路，实验验证了驱动电路的有效性。

引言：IGBT自进入市场以来，迅速拓展了其应用领域，成为中、大功率电力电子设备的主导器件。由于IGBT在电力电子行业的广泛应用，其运行的可靠性变得越来越重要。IGBT的可靠性很大程度上取决于开关环境和电路条件，性能良好的驱动电路可保证IGBT工作在较为理想的开关环境下，在过流、短路等故障发生时，迅速关断IGBT，从而保证IGBT及设备的安全，减少损失。为了提高IGBT可靠性，研发人员更加倾向于采用专用驱动芯片或模块进行驱动电路设计。本文选用性价比较高、保护功能完善的驱动芯片MC33153设计实用的IGBT驱动电路。

1 MC33153内部结构及工作原理

MC33153广泛应用于电机控制、不间断供电电源，可驱动单管或模块IGBT。

图1所示为MC33153芯片内部结构框图（MC33153datasheet.From http://www.onsemi.cn）。

图1 MC33153内部结构

1脚为电流检测输入脚，可用于集成电流检测功能IGBT的过流和短路检测，应用于无电流检测功能IGBT时，应将1脚接VCC。

2脚为开尔文地GND，应用时此管脚接IGBT的发射极。

3脚为电源地VEE，典型IGBT驱动电压设计为+15V/-5V，此时3脚接-5V，若设计的驱动电压为+15V/0V，此时3脚接0V，将2脚与3脚相连。

4脚为信号输入脚，接收来自控制器的PWM信号，低电平有效。

5脚为驱动信号输出脚，通过驱动电阻后连接到IGBT的栅极。

6脚为电源VCC，典型值为15V。

7脚为故障信号输出脚，当检测到IGBT过流或短路故障时，7脚输出高电平故障信号回送至控制器。

8脚为退保和检测输入脚，监测IGBT的导通饱和状态。

本文针对无电流检测功能单管IGBT进行驱动电路设计，采用退饱和原理设计保护电路。退保和检测保护原理是（Zheng W,Meiying Q.The application of IGBT driver MC33153[C]//Information Science and Engineering(ICISE),2010 2nd International Conference on.IEEE,2010:1-3）：当IGBT正常工作时，处于饱和状态，其管压降小于电压门限（6.5V），比较器输出低电平，7脚输出低电平；当IGBT过流或短路时，IGBT退出饱和工作状态而进入线性放大区，管压降急剧增大，超过电压门限时，比较器输出高电平，经过与门和状态锁存器后输出高电平故障信息，同时关断驱动输出信号。

2 基于MC33153驱动电路设计

2.1 驱动芯片外围电路设计

结合MC33153数据手册进行外围电路设计，如图2所示，本文设计的驱动电压为+15V/-5V，由隔离DC/DC模块供电。

由于MC33153输入输出不隔离，逆变电路在高压工作时会干扰控制器，可能导致控制器死机，从而发生危险。为了增加电路的可靠性，驱动电路采用光纤隔离，供电电压为5V。

图2 驱动芯片外围电路设计

图3 驱动电路硬件工作时序

为了保证驱动上电时序的正确性，将驱动信号输入脚（4脚）通过电阻上拉，使信号输入为高电平。

为了优化IGBT的工作性能，驱动输出采用不同的驱动电阻设计，使得IGBT关断时栅极快速放电。

在IGBT栅极和源极之间采用TVS进行保护，防止IGBT由于栅极过压而损坏。

2.2 驱动电路工作时序分析

图3所示为IGBT正常工作和故障时驱动电路硬件工作时序。

从图3（b）中可以看出：硬件电路自身的保护不足以保证IGBT不损坏，因此在软件中编写故障保护程序，在检测到故障信号后关断驱动输入信号，驱动芯片输出低电平IGBT关断。

3 驱动电路实验验证

设计的驱动电路实物如图4所示，以插拔的方式尽可能靠近IGBT安装，减少栅极寄生电感。

图4 驱动电路实物图

图5所示为此驱动电路应用在T型三电平逆变器中的驱动波形，可以看出驱动电路工作状态良好。

图5 驱动波形

4 总结

MC33153内部逻辑清晰，应用简单，保护功能完善，有利于设计出性价比高且经济实用的驱动电路。