CN201270500Y - 一种新型的igbt驱动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型设计一种驱动电源的IGBT驱动器。本实用新型提供了一种可方便扩展输出电源的路数、可灵活调整电源电路驱动电压的高低、具有IGBT过流保护功能的一种驱动电源的IGBT驱动器。包括IGBT驱动保护电路、IGBT管、隔离驱动电源电路，驱动信号经过IGBT驱动保护电路加在IGBT管上，隔离驱动电源电路给每一路IGBT驱动保护电路供电。本实用新型提出的IGBT驱动电路中，驱动电源采用定脉宽开环方式，驱动电源电路简单，可靠性好，并且根据IGBT管的需要可以方便的增加隔离电源路数；对于驱动保护电路而言，优点是价格便宜，结构简单，而且参数调整方便、可靠。

Description

一种新型的IGBT驱动器

技术领域

本实用新型设计一种驱动电源的IGBT驱动器，尤其涉及一种新型的IGBT驱动器，适用于各种类型IGBT管的驱动保护。

背景技术

以MOS与双极型晶体管结合产生的电压型驱动绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，具有驱动功率小、开关速度高、饱和压降低、耐高电压、大电流等一系列应用上的优点，而成为大功率开关电源等电力电子装置的首选功率器件。IGBT运行性能的好坏受驱动电路的影响很大，如开关时间、开关损耗、短路电流保护能力等，因此，根据IGBT型号类型和参数指标合理设计驱动电路对充分发挥IGBT的性能非常重要。IGBT栅极驱动电路应具有以下几个功能：提供足够的栅极电压来开通IGBT，并在开通期间保持这个电压；在最初开通阶段，提供足够的栅极驱动电流来减少开通损耗和保证IGBT的开通速度；在关断期间，提供一个反向偏置电压来提高IGBT抗暂态du/dt的能力和抗EMI噪声的能力并减少关断损耗；在IGBT功率电路和控制电路之间提供电气隔离；在IGBT短路故障发生时，驱动电路会通过合理栅极电压动作进行IGBT保护，并发出故障信号到控制***。目前IGBT管的驱动一般采用专用混合集成驱动电路，如美国MOTOROLA公司的MPD系列、日本东芝公司的KT系列、日本富士公司的EXB系列、日本三菱公司的M579系列等，这些驱动电路抗干扰能力强，集成化程度高，速度快，保护功能完善，可实现IGBT的最优驱动，这些驱动芯片性能可靠，目前在IGBT驱动电路大多采用这些芯片。这些芯片虽然各有特点，但往往是针对本公司的产品，以维护各自的知识产权，在驱动保护功能配置等方面也有不尽完善的地方，而且许多芯片直接驱动功率小，对于大驱动功率的器件往往价格昂贵，有时甚至超过对应IGBT的价格。另外，在IGBT模块的应用中，每个IGBT管均需要一个独立的驱动电源供电，而在大功率电力电子装置中，一般采用单相全桥电路或者三相全桥电路，单相需要四路隔离的驱动电源，三相全桥就需要六路隔离的驱动电源，为保证IGBT管的可靠工作，各路驱动电源可靠性要高。

实用新型内容

1、所要解决的技术问题：

本实用新型针对以上问题提供了一种可方便扩展输出电源的路数、可灵活调整电源电路驱动电压的高低、具有IGBT过流保护功能的一种驱动电源的IGBT驱动器。

2、技术方案：

本实用新型包括IGBT驱动保护电路、IGBT管、隔离驱动电源电路，驱动信号经过IGBT驱动保护电路加在IGBT管上，隔离驱动电源电路给每一路IGBT驱动保护电路供电。

3、有益效果

本实用新型提出的IGBT驱动电路中，驱动电源采用定脉宽开环方式，驱动电源电路简单，可靠性好，并且根据IGBT管的需要可以方便的增加隔离电源路数；对于驱动保护电路而言，优点是价格便宜，结构简单，而且参数调整方便、可靠。

附图说明

图1本实用新型的电路结构原理框图；

图2本实用新型的隔离驱动电源电路图；

图3本实用新型的IGBT驱动保护电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的描述。

(1)图1，本实用新型包括隔离驱动电源电路、IGBT驱动保护电路、IGBT管；隔离驱动电源电路为n(n≥1)隔离驱动电源电路，驱动信号经过IGBT驱动保护电路加在IGBT管上，隔离驱动电源电路给每一路IGBT驱动保护电路供电。

①隔离驱动电源电路

图2，其中1为半桥逆变的中点。隔离驱动电源电路由半桥逆变部分、第1组输出电压输出和第n组输出电压输出组成，下面详细叙述。

半桥逆变部分：控制芯片N1的电源输入脚VCC与二极管D10的负端、二极管D11的正端和输入电容Cin的正端相连接，输入电容Cin的负端与输入PGND相连接；N1的输出脚RT与电阻Rt的一端相连接，电阻Rt的另一端与N1的输入脚CT及电容Ct相连接，电容Ct的另一端连接到输入PGND；N1的输出接地脚COM与输入PGND相连接；N1的VB输出脚与二极管D11的负端和电容C12的一端相连接，C12的另一端连接到半桥逆变的中点1，中点1又连接到N1的输出脚VS、半桥上MOS管Q10的S极和半桥下MOS管Q11的D极相连接；N1的输出驱动脚HO与电阻R10的一段相连接，电阻R10的另一端与MOS管Q10的G极相连接；N1的输出驱动脚LO与电阻R11的一端相连接，电阻R11的另一端与MOS管Q11的G极相连接，MOS管Q11的S极与输入PGND相连接，MOS管Q10的D极与输入Vin相连接；

第1组输出：限流电阻R1r的一端与半桥逆变的中点1相连接，限流电阻R1r的另一端与变压器T1原边的一端相连接；变压器T1原边的另一端与隔直电容C1r的一段相连接，隔直电容C1r的另一端与输入PGND相连接。变压器付边的一端与整流二极管D1.1的正端和整流二极管D1.3的负端相连接，变压器付边的另一端与整流二极管D1.2的正端和整流二极管D1.4的负端相连接，整流二极管D1.1的负端与整流二极管D1.1的负端、电容C1.1的正端、电阻R1.1的一端及电容C1.2的正端相连接，电容C1.2的正端即正电压+15V输出端；整流二极管D1.3的正端与整流二极管D1.4的正端、电容C1.1的负端、稳压管Z1.1的正端及电容C1.3的负端相连接，电容C1.3的负端即负电压-9V输出端；电阻R1.1的另一端与稳压管Z1.1的负端、电容C1.2的负端和电容C1.3的正端相连接，电容C1.3的正端即为输出正负电压的GND端。

第n组输出：限流电阻Rnr的一端与半桥逆变的中点1相连接，限流电阻Rnr的另一端与变压器Tn原边的一端相连接；变压器Tn原边的另一端与隔直电容Cnr的一段相连接，隔直电容Cnr的另一端与输入PGND相连接。变压器付边的一端与整流二极管Dn.1的正端和整流二极管Dn.3的负端相连接，变压器付边的另一端与整流二极管Dn.2的正端和整流二极管Dn.4的负端相连接，整流二极管Dn.1的负端与整流二极管Dn.1的负端、电容Cn.1的正端、电阻Rn.1的一端及电容Cn.2的正端相连接，电容Cn.2的正端即正电压+15V输出端；整流二极管Dn.3的正端与整流二极管Dn.4的正端、电容Cn.1的负端、稳压管Zn.1的正端及电容Cn.3的负端相连接，电容Cn.3的负端即负电压-9V输出端；电阻Rn.1的另一端与稳压管Zn.1的负端、电容Cn.2的负端和电容Cn.3的正端相连接，电容Cn.3的正端即为输出正负电压的GND端。

②IGBT驱动保护电路

图3，其中2为驱动信号。光耦P1的输出端的C极与电阻R2的一端相连接，光耦P1的输出端的E极与负电压-9V相连接；R2的另一端与A点相连接，A点又与电阻R3的一端、三极管Q1的b极、三极管Q2的b极和电容C2的一端相连接，电容C2的另一端与负电压-9V相连接；三极管Q1的e极与-9V相连接，Q1的c极与电阻R4的一端和电路中B点相连接，电阻R4的另一端与正电压+15V相连接，B点又与电阻R5的一端、电容C3的一端相连接，电阻R5的另一端与C点相连接，C点又与稳压管Z1的负端和电阻R6的一端相连接，电阻R6的另一端与二极管D1的正端相连接，二极管D1的负端与IGBT管的C极相连接；三极管Q2的e极与D点相连接，D点与电阻R10的一端、二极管D2的正端、三极管Q4的b极和三极管Q5的b极相连接，电阻R10的另一端接正电压+15V；二极管D2的负端与电容C5的一端、电阻R8的一段和电阻R9的一端相连接，电阻R9的另一端与正电压+15V相连接，电容C5的另一端与负电压-9V相连接，电阻R8的另一端与三极管Q3的c极相连接，同时给出信号ERR，三极管Q3的e极与负电压-9V相连接；三极管Q4的c极和三极管Q6的c极与正电压+15V相连接，三极管Q5的e极和三极管Q7的e极与负电压-9V相连接，三极管Q4的e极与三极管Q5的c极、电阻R11的一端相接，电阻R11的另一端与三极管Q6和Q7的b极相连接，三极管Q6的e极与三极管Q7的c极、电阻R12的一端相接，电阻R12的另一端与IGBT管的G极相连接，IGBT管的E极与正负电压的回地相接。

(2)①隔离驱动电源电路见图2，控制芯片N1的CT端的电容Ct和N1的RT端的电阻Rt构成震荡器，电阻Rt为6.2kΩ，电容Ct为1nF，震荡频率约为110kHz。控制芯片N1的VB端与N1的VS端之间电容C12和N1的VCC端与N1的VB之间的二极管D11构成自举供电回路，为上管Q10的驱动提供电源，C12的电容值取100nF即可。控制芯片N1产生的两个驱动信号分别经过电阻R10和R11分别去驱动半桥的两个MOS管Q10和Q11，上管自举供电。上下管Q10、Q11的各以约50％的占空比交替导通，上下管的死区设置时间为1.2μs，上下管Q10、Q11产生的方波电压通过限流电阻和隔直电容加在变压器原边上，变压器付边经过整流滤波电路产生的电压，经过稳压管和电阻电容组成的电路产生IGBT需要的正负电压。输入电压Vin是固定的，半桥MOS管以约50％的占空比固定脉宽导通，变压器后没用电感，变压器内阻很低，故正负电压的绝对值由变压器的变比决定，对于某一特定的IGBT管，如果输入电压Vin的固定电压值变化，可以通过调整变压器的变比来改变正负电压的绝对值。负电压的值由稳压管击穿电压值决定，本实例中选用1N4739，稳压值为9V。在IGBT模块的应用中，每个IGBT管均需要一个独立的驱动电源供电，而在大功率电力电子装置中，一般采用单相全桥电路或者三相全桥电路，单相需要四路隔离的驱动电源，三相全桥就需要六路隔离的驱动电源。在本电路中，每增加一组驱动电源，只需增加一个变压器，将变压器原边一端通过限流电阻和隔直电容与半桥逆变的中点1相连接，原边另一端与输入电压Vin的PGND相连接，付边经过整流滤波电路产生的电压，经过稳压管和电阻电容组成的电路产生IGBT需要的正负电压，需要多少组正负电压，就增加几个变压器及附属电路，通过这种方式可以很方便的扩展出多组驱动电源。

②IGBT驱动保护电路见图3，下面分为正常开通、正常关断和过流保护分别进行描述：

正常开通：当光耦P1加上驱动信号2后，光耦导通，A点电位迅速下降到负电平，使三极管Q1、三极管Q2截至，三极管Q4、三极管Q6导通，三极管Q5、三极管Q7截止，+15V通过三极管Q6、电阻R12向IGBT管提供电流，IGBT的结电容一般为几千皮法，这就使得IGBT会在1μs之内导通，同时三极管Q1截止，使得+15V电源通过电阻R4向电容C3充电，使B点电位上升，B点电位由0V上升到稳压管Z1的击穿电压16V需用时间约为：R4*C3＝2.2×1＝2.2μs，而驱动信号2使得IGBT管在1μs内正常导通，导通后IGBT的C极与E极之间电压为3V左右，这样由于二极管D1的钳位作用使得B点电压远低于稳压管Z1的击穿电压16V，稳压管Z1不会被击穿，E点为高电平。

正常关断：当光耦P1上没有驱动信号2时，光耦停止导通，A点电位上升到高电平使得三极管Q1、三极管Q2导通，三极管Q4、三极管Q6截止，三极管Q5、三极管Q7导通，IGBT管通过电阻R12和三极管Q7放电，IGBT管的G极与E极之间加上-9V的负电压，IGBT管关断，此时，IGBT管的C极上电压上升，使得二极管D1截止，电容器C3通过三极管Q1迅速放电，B点与C点电位下降至负电位，稳压管Z1不导通，E点仍为高电位。

过流保护：若IGBT管导通时发生短路故障，IGBT将承受大电流而进入饱和状态，IGBT的C极与E极之间电压迅速上升，使得二极管D1不导通，+15V将通过电阻R4继续向电容C2充电，B点与C点电位将上升，当C点7V左右时，稳压管Z1两端电压将超过击穿电压16V，从而三极管Q3导通，电容C4通过稳压管Z1、电阻R5和三极管Q1放电，E点电位将由+15V电压逐渐下降，二极管D2将导通，使得D点电位也逐渐下降，并最终导致IGBT管的驱动电压逐渐下降，逐步下降的时间由电容C4和电阻R5的取值决定。在过流关断IGBT时，由于IGBT中电流幅度大，若快速关断时，必将在IGBT两端产生很高的尖峰电压(Ldi/dt)，极易损坏IGBT管。采用这种使IGBT的G极电压逐渐降低的方法，使IGBT管逐渐关断，直至完全关断。在这个延时缓降期间，可以进一步判断过流故障是否为瞬时故障，如果故障消失，驱动栅压立即恢复到正常值，IGBT继续正常工作。过流故障时驱动电路送出一个过流故障信号ERR到***。

本实用新型设计的驱动电源电路中驱动芯片采用IR2153，该芯片与其它芯片相比，有着***电路简单，成本低等优势，驱动电源主电路结构采用半桥逆变电路结构，半桥逆变电路产生的方波经过限流电阻和隔直电容加在变压器上，变压器付边采用常规的整流电路和带稳压管的简单电路产生IGBT驱动电路正负电压，电压的大小可通过改变变压器的变比来实现；如果需要再产生一路正负电压，只需再增加一个变压器，然后将半桥逆变电路产生的方波电压再经过限流电阻和隔直电容加在变压器上，变压器付边再采用常规的整流电路和带稳压管的简单电路就又能一组产生IGBT驱动电路正负电压，同理，需要多少路，就并接上几个变压器，方式很灵活，适用于各种不同需要的场合。

驱动保护电路采用分立元件方式，可以根据IGBT管的特点，来调整驱动保护电路的参数，使IGBT管的性能得到充分的发挥。根据高速光耦HCPL4504的开关频率，选择光耦隔离来实现了控制电路和主电路的隔离，本实用新型开关频率为20kHz，选择高速光耦HCPL4504；根据IGBT管耐过流能力，设定慢降栅压的时间；根据IGBT管本身的输入电容，来选择推挽驱动的三极管及驱动电阻的大小。

隔离驱动电源电路采用定脉宽开环方式，电路简单可靠；

隔离驱动电源电路可方便扩展输出电源的路数，只需增加变压器和输出整流电路即可；

隔离驱动电源电路驱动电压的高低可通过改变变压器变比来灵活的进行调整。

IGBT驱动保护电路采用高速光耦HCPL4504实现了控制电路和主电路的隔离；

IGBT驱动保护电路具有IGBT过流保护功能，并采用慢降栅压技术，来限制IGBT管上的尖峰电压，能有效保护IGBT管，降栅时间可以通过参数方便进行调整；

IGBT驱动保护电路采用两级推挽方式，从而降低了驱动电路的输出阻抗。

Claims (8)

1、一种新型的IGBT驱动器，包括IGBT驱动保护电路、IGBT管，驱动信号经过IGBT驱动保护电路加在IGBT管上，其特征在于：还包括隔离驱动电源电路，隔离驱动电源电路给每一路IGBT驱动保护电路供电。

2、根据权利要求1所述的一种新型的IGBT驱动器，其特征在于：隔离驱动电源电路为n路，n≥1。

3、根据权利要求1所述的一种新型的IGBT驱动器，其特征在于：所述的隔离驱动电源电路包括半桥逆变部分和电压输出部分。

4、根据权利要求3所述的一种新型的IGBT驱动器，其特征在于：所述的半桥逆变部分通过控制芯片(N1)的电源输入脚VCC与二极管(D10)的负端、二极管(D11)的正端和输入电容(Cin)的正端相连接，输入电容(Cin)的负端与输入PGND相连接；(N1)的输出脚(RT)与电阻(Rt)的一端相连接，电阻(Rt)的另一端与(N1)的输入脚CT及电容(Ct)相连接，电容(Ct)的另一端连接到输入PGND；(N1)的输出接地脚COM与输入PGND相连接；(N1)的VB输出脚与二极管(D11)的负端和电容(C12)的一端相连接，(C12)的另一端连接到半桥逆变的中点(1)，中点(1)又连接到(N1)的输出脚VS、半桥上MOS管(Q10)的S极和半桥下MOS管(Q11)的D极相连接；(N1)的输出驱动脚H0与电阻(R10)的一段相连接，电阻(R10)的另一端与MOS管(Q10)的G极相连接；(N1)的输出驱动脚L0与电阻(R11)的一端相连接，电阻(R11)的另一端与MOS管(Q11)的G极相连接，MOS管(Q11)的S极与输入PGND相连接，MOS管(Q10)的D极与输入Vin相连接而成。

5、根据权利要求3所述的一种新型的IGBT驱动器，其特征在于：所述的电压输出部分通过限流电阻(R1r)的一端与半桥逆变的中点(1)相连接，限流电阻(R1r)的另一端与变压器(T1)原边的一端相连接；变压器(T1)原边的另一端与隔直电容(C1r)的一段相连接，隔直电容(C1r)的另一端与输入PGND相连接。变压器付边的一端与整流二极管(D1.1)的正端和整流二极管(D1.3)的负端相连接，变压器付边的另一端与整流二极管(D1.2)的正端和整流二极管(D1.4)的负端相连接，整流二极管(D1.1)的负端与整流二极管(D1.1)的负端、电容(C1.1)的正端、电阻(R1.1)的一端及电容(C1.2)的正端相连接，电容(C1.2)的正端即正电压+15V输出端；整流二极管(D1.3)的正端与整流二极管(D1.4)的正端、电容(C1.1)的负端、稳压管(Z1.1)的正端及电容(C1.3)的负端相连接，电容(C1.3)的负端即负电压-9V输出端；电阻(R1.1)的另一端与稳压管(Z1.1)的负端、电容(C1.2)的负端和电容(C1.3)的正端相连接，电容(C1.3)的正端即为输出正负电压的GND端而成。

6、根据权利要求1所述的一种新型的IGBT驱动器，其特征在于：IGBT驱动保护电路通过光耦(P1)的输出端的C极与电阻(R2)的一端相连接，光耦(P1)的输出端的E极与负电压-9V相连接；(R2)的另一端与A点相连接，A点又与电阻(R3)的一端、三极管(Q1)的b极、三极管(Q2)的b极和电容(C2)的一端相连接，电容(C2)的另一端与负电压-9V相连接；三极管(Q1)的e极与-9V相连接，(Q1)的c极与电阻(R4)的一端和电路中B点相连接，电阻(R4)的另一端与正电压+15V相连接，B点又与电阻(R5)的一端、电容(C3)的一端相连接，电阻(R5)的另一端与C点相连接，C点又与稳压管(Z1)的负端和电阻(R6)的一端相连接，电阻(R6)的另一端与二极管(D1)的正端相连接，二极管(D1)的负端与IGBT管的C极相连接；三极管(Q2)的e极与D点相连接，D点与电阻(R10)的一端、二极管(D2)的正端、三极管(Q4)的b极和三极管(Q5)的b极相连接，电阻(R10)的另一端接正电压+15V；二极管(D2)的负端与电容(C5)的一端、电阻(R8)的一段和电阻(R9)的一端相连接，电阻(R9)的另一端与正电压+15V相连接，电容(C5)的另一端与负电压-9V相连接，电阻(R8)的另一端与三极管(Q3)的c极相连接，同时给出信号ERR，三极管(Q3)的e极与负电压-9V相连接；三极管(Q4)的c极和三极管(Q6)的c极与正电压+15V相连接，三极管(Q5)的e极和三极管(Q7)的e极与负电压-9V相连接，三极管(Q4)的e极与三极管(Q5)的c极、电阻(R11)的一端相接，电阻(R11)的另一端与三极管(Q6)和(Q7)的b极相连接，三极管(Q6)的e极与三极管(Q7)的c极、电阻(R12)的一端相接，电阻(R12)的另一端与IGBT管的G极相连接，IGBT管的E极与正负电压的回地相接而成。

7、根据权利要求3所述的一种新型的IGBT驱动器，其特征在于：半桥逆变部分的控制芯片N1采用IR2153。

8、根据权利要求6所述的一种新型的IGBT驱动器，其特征在于：IGBT驱动保护电路光耦采用HCPL4504。

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