CN205283106U - 一种高频高压发生器及其功率模块驱动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于过流保护领域，提供了一种高频高压发生器及其功率模块驱动器，所述功率模块驱动器,包括脉冲输入端口、光电耦合器、漏源极间电压检测电路、故障隔离输出电路、外部功率放大电路和IGBT开关管。在过流保护电路检测IGBT漏源极间电压时，为了提高过流保护的精度以及对电流快速变化的抗扰度，放弃使用光电耦合器芯片内部过流保护功能，采用外接电源通过大电流i1和光电耦合器提供的充电电流i2共同对电容器充电，通过电容器两端电压来判断IGBT开关管是否过流的方式，对IGBT开关管进行更为精确的过流保护。

Description

一种高频高压发生器及其功率模块驱动器

技术领域

本实用新型属于过流保护领域，尤其涉及一种高频高压发生器及其功率模块驱动器。

背景技术

在医疗影像设备数字成像技术中，需要强电场来激发电子云，产生X射线，其中高频高压发生器被用来提供所需电场。所述高频高压发生器的主要功能是把工频输入的380V的交流电转化为几万至十几万伏特的高压直流电，为了减小所述发生器的体积，我们一般将380V的交流电整流后再进行高频逆变，逆变后的交流脉冲通过所述发生器升压、整流，最后由高压电缆输出到负载。在设计中一般采用绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)或者功率场效应晶体管(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor，MOSFET)来做功率开关管。

所述发生器输出端不同于普通电源后级并联有大电解电容，普通电源对输出电压上升时间要求不高，主电路电流缓慢上升。发生器工作时长是毫秒级，而且输出高压脉冲无外接电容，在3个毫秒内就达到额定输出功率，这就决定了IGBT必须在短时间内完全导通与关断，主电路磁性元器件如变压器和电感在开关管快速开通与关断的过程中流过的电流等于电感量*电压的变化率，电压变化越快，主电路电流就越大，瞬间大电流变化导致了市面上大部分IGBT驱动器并不能满足所述发生器工作过程中的所需的精确过流保护功能，容易造成误保护动作，影响使用的连续性和较好的用户体验。普通IGBT驱动芯片开关频率最高50kHz，在配合高速开关IGBT的使用上受到频率的限制。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种高频高压发生器及其功率模块驱动器，旨在解决现有技术中高频高压发生器中的功率模块驱动器不能满足发生器在工作过程中的精确的过流保护功能。

本实用新型是这样实现的，一种功率模块驱动器,包括脉冲输入端口、光电耦合器、漏源极间电压检测电路、故障隔离输出电路、外部功率放大电路和IGBT开关管；

所述光电耦合器分别与脉冲输入端口、漏源极间电压检测电路、故障隔离输出电路、外部功率放大电路相连接；所述IGBT开关管分别与漏源极间电压检测电路、外部功率放大电路相连接；

所述光电耦合器用于从所述脉冲输入端口接收外部脉冲发生装置输入的脉冲信号并对该脉冲信号进行光耦隔离，并将经过光耦隔离的脉冲信号输出至外部功率放大电路；或者用于与漏源极间电压检测电路配合检测IGBT开关管的状态，当检测到IGBT开关管为过流状态时所述光电耦合器产生故障信号并将此故障信号发送至故障隔离输出电路；

所述故障隔离输出电路用于将所述故障信号发送至所述脉冲发生装置用于控制所述脉冲发生装置停止输出脉冲信号，以通过切断所述脉冲信号的方式实现对IGBT开关管的保护；

所述外部功率放大电路用于驱动IGBT开关管，或者用于断开IGBT开关管以实现对IGBT开关管的保护。

进一步地，所述脉冲输入端口包括第一电阻，所述第一电阻的一端与所述光电耦合器的脉冲输入引脚连接，另一端与所述脉冲发生装置连接。

进一步地，所述漏源极间电压检测电路包括第一二极管、第二二极管、第一零电平端子、第一电容器、第二电阻和第三电阻；

所述第一电容器的第一端分别与光电耦合器的电流检测引脚、第一二极管的阴极、第二电阻的第一端、第三电阻的第二端连接，第二端分别与第一二极管的阳极和第一零电平端子连接；

所述第三电阻的第一端与所述光电耦合器的第一外接电源引脚连接；

所述第二电阻的第二端与所述第二二极管的阳极连接；

所述第二二极管的阴极与所述IGBT开关管连接。

进一步地，所述故障隔离输出电路包括第一三极管、电源端和第九电阻；

所述第九电阻的第一端与所述第一三极管的基极连接、第二端与所述光电耦合器的故障输出引脚连接；

所述第一三极管的集电极连接所述电源端，发射极接地。

进一步地，所述外部功率放大电路包括P沟道MOSFET管、第一N沟道MOSFET管、第二N沟道MOSFET管、第二外接电源、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第十电阻；

所述第四电阻的第一端与所述光电耦合器的第一脉冲输出引脚连接，第二端与所述P沟道MOSFET管的栅极连接；

所述P沟道MOSFET管的漏极与所述光电耦合器的第一外接电源引脚连接，源极与所述第五电阻的第一端连接；

所述第五电阻的第二端分别与所述第六电阻的第一端、第八电阻的第二端、所述IGBT开关管连接；

所述第七电阻的第一端与所述光电耦合器的第二脉冲输出引脚连接，第二端与所述第一N沟道MOSFET管的栅极连接；

所述第一N沟道MOSFET管的漏极与所述第八电阻的第一端连接，源极分别与所述第二外接电源、所述第二N沟道MOSFET管的源极、所述第十电阻的第一端连接；

所述第二N沟道MOSFET管的栅极与所述光电耦合器的IGBT过流脉冲输出引脚连接，漏极与所述第六电阻的第二端连接；

所述第十电阻的第二端与所述IGBT开关管连接。

进一步地，所述IGBT开关管包括第三N沟道MOSFET管、第三二极管和第二零电平端子；

所述第三N沟道MOSFET管的栅极分别与所述外部功率放大电路中第五电阻的第二端、第六电阻的第一端、第八电阻的第二端连接，漏极分别与所述第三二极管的阴极、所述漏源极间电压检测电路中第二二极管的阴极连接，源极分别与所述第三二极管的阳极、所述第二零电平端子连接。

本实用新型还提供了一种高频高压发生器，其特征在于，包括一脉冲发生装置和一如上述的功率模块驱动器。

本实用新型与现有技术相比，有益效果在于：提供一种高频高压发生器及其功率模块驱动器，在过流保护电路检测IGBT漏源极间电压时，为了提高过流保护的精度以及对电流快速变化的抗扰度，放弃使用光电耦合器芯片内部过流保护功能，采用外接电源通过大电流i1和光电耦合器提供的充电电流i2共同对电容器充电，通过电容器两端电压来判断IGBT开关管是否过流的方式，对IGBT开关管进行更为精确的过流保护；在对IGBT开关管进行过流保护的过程中，本实用新型所提供的功率模块驱动器还具有软关断功能，当所述IGBT开关管过流时，通过光电耦合器的IGBT过流脉冲输出引脚输出脉冲，使IGBT开关管关断；通过调节泄放电阻的阻值可以调节所述IGBT开关管关断时间；通过更改外接电源模块以及MOSFET管的功率等级可还以使电路能驱动10-500KW之间功率等级的IGBT开关管。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的功率模块驱动器的结构原理图。

图2是图1所示功率模块驱动器的一种具体电路图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，是本实用新型提供的一种功率模块驱动器7，包括脉冲输入端口1、光电耦合器2、漏源极间电压检测电路3、故障隔离输出电路4、外部功率放大电路5和IGBT开关管6。

光电耦合器2分别与脉冲输入端口1、漏源极间电压检测电路3、故障隔离输出电路4、外部功率放大电路5相连接；IGBT开关管6分别与漏源极间电压检测电路3、外部功率放大电路5相连接。

光电耦合器2用于从脉冲输入端口1接收外部脉冲发生装置8输入的脉冲信号并对该脉冲信号进行光耦隔离，并将经过光耦隔离的脉冲信号输出至外部功率放大电路5；或者用于与漏源极间电压检测电路3配合检测IGBT开关管6的状态，当检测到IGBT开关管6为过流状态时光电耦合器2产生故障信号并将此故障信号发送至故障隔离输出电路4。

故障隔离输出电路4用于将所述故障信号发送至外部脉冲发生装置8用于控制脉冲发生装置8停止输出脉冲信号，以通过切断所述脉冲信号的方式实现对IGBT开关管6的保护。

外部功率放大电路5用于驱动IGBT开关管6，或者用于断开IGBT开关管6以实现对IGBT开关管的保护。

如图2所示，是本实用新型提供的功率模块驱动器7的电路图，此电路为图1功率模块驱动器的一种具体电路结构示例，应当理解，图1中的上述各器件不局限于图2所示的结构，在满足上文所述各器件的功能原理的基础上，还可以有其他的实现方式。

一并参照图1、图2，脉冲输入端口1包括第一电阻R1，第一电阻R1的一端与光电耦合器2的脉冲输入引脚PWM连接，另一端与脉冲发生装置8连接。

漏源极间电压检测电路3包括第一二极管D1、第二二极管D2、第一零电平端子VE1、第一电容器C1、第二电阻R2和第三电阻R3；第一电容器C1的第一端分别与光电耦合器2的电流检测引脚DESAT、第一二极管D1的阴极、第二电阻R2的第一端、第三电阻R3的第二端连接，第二端分别与第一二极管D1的阳极和第一零电平端子VE1连接；第三电阻R3的第一端与光电耦合器2的第一外接电源引脚VCC连接；第二电阻R2的第二端与第二二极管D2的阳极连接；第二二极管D2的阴极与IGBT开关管6连接。

故障隔离输出电路4包括第一三极管Q1、电源端VC和第九电阻R9；第九电阻R9的第一端与第一三极管Q1的基极连接、第二端与光电耦合器2的故障输出引脚FAULT连接；第一三极管Q1的集电极连接电源端VC，发射极接地。

外部功率放大电路5包括P沟道MOSFET管Q2、第一N沟道MOSFET管Q3、第二N沟道MOSFET管Q4、第二外接电源VEE、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第十电阻R10；第四电阻R4的第一端与光电耦合器2的第一脉冲输出引脚OUT1连接，第二端与P沟道MOSFET管Q2的栅极连接；P沟道MOSFET管Q2的漏极与光电耦合器2的第一外接电源引脚VCC连接，源极与第五电阻R5的第一端连接；第五电阻R5的第二端分别与第六电阻R6的第一端、第八电阻R8的第二端、IGBT开关管6连接；第七电阻R7的第一端与光电耦合器2的第二脉冲输出引脚OUT2连接，第二端与第一N沟道MOSFET管Q3的栅极连接；第一N沟道MOSFET管Q3的漏极与第八电阻R8的第一端连接，源极分别与第二外接电源VEE、第二N沟道MOSFET管Q4的源极、第十电阻R10的第一端连接；第二N沟道MOSFET管Q4的栅极与光电耦合器2的IGBT过流脉冲输出引脚VG连接，漏极与第六电阻R6的第二端连接；第十电阻R10的第二端与IGBT开关管6连接。

IGBT开关管6包括第三N沟道MOSFET管Q5、第三二极管D3和第二零电平端子VE2；第三N沟道MOSFET管Q5的栅极分别与外部功率放大电路5中第五电阻R5的第二端、第六电阻R6的第一端、第八电阻R8的第二端连接，漏极分别与第三二极管D3的阴极、漏源极间电压检测电路3中第二二极管D2的阴极连接，源极分别与第三二极管D3的阳极、第二零电平端子VE2连接。

当脉冲信号从第一电阻R1输入到光电耦合器2中后，经过光电耦合器2内部光耦隔离，输出相同占空比的两路脉冲信号，分别从第一脉冲输出引脚OUT1和第二脉冲输出引脚OUT2输出，其中第二脉冲输出引脚OUT2相对第一脉冲输出引脚OUT1的信号有几十个纳秒的延时。

当所述第一脉冲输出引脚OUT1、第二脉冲输出引脚OUT2输出高电平时，P沟道MOSFET管Q2截止、第一N沟道MOSFET管Q3导通，IGBT开关管Q5的栅源极间电荷通过R8、第一N沟道MOSFET管Q3、第二外接电源VEE释放到低电平，IGBT关断；当第一脉冲输出引脚OUT1、第二脉冲输出引脚OUT2输出低电平时，P沟道MOSFET管Q2导通、第一N沟道MOSFET管Q3截止，第一外接电源VCC通过P沟道MOSFET管Q2、第五电阻R5给IGBT的栅源极间电容充电，达到IGBT门限开通电压阈值后，IGBT开关管6导通；通过两路不同时间的开关信号来避免外部MOSFET缓冲器电路中的交越传导。

第一外接电源VCC以充电电流i1和光电耦合器2通过电流检测引脚以充电电流i2共同给第一电容器C1充电，用来检测IGBT开关管漏源极间电压。由于第一电容器C1的第二端和IGBT开关管的源极连接电源的电压均为0V，且由于Q5导通时的电压钳位作用，所以近似的认为第一电容器C1两端电压和IGBT开关管漏源极间两端电压相等。当检测到第一电容器C1两端电压达到或者超过IGBT开关管的过流电压时，即认为IGBT开关管过流或者短路，光电耦合器2产生故障信号并将此信号输出至故障隔离输出电路，使故障隔离输出电路中第一三极管Q1导通，脉冲发生装置8接收到第一三极管Q1发出的信号后，切断脉冲信号输出，达到保护IGBT开关管的目的。在所述高频高压发生器工作过程中，当瞬态电流超过保护设置点值时，所述第一外接电源VCC通过R3的电流i1不能在IGBT漏源间形成回路，此时i1给C1充电，充电时间ΔU*C＝it，时间t就是抑制瞬态干扰的缓冲时间，可以通过调节电阻阻值或者电容的容量来设定。

其中利用充电电流i1和充电电流i2一同给电容充电是本发明的重要创新点，若单独利用芯片电流源给电容充电达到电压阈值后来判断是否过流，在高频高压发生器的应用里极易引起误保护动作。

当光电耦合器2芯片检测到IGBT开关管出现过流信号时，所述光电耦合器的IGBT过流脉冲输出引脚VG的脉冲将发生翻转，电平由低电平变为高电平，第二N沟道MOSFET管Q4导通，通过第六电阻R6缓慢泄放栅极电荷来关断IGBT开关管，此为IGBT开关管的软关断。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种功率模块驱动器,其特征在于，包括脉冲输入端口、光电耦合器、漏源极间电压检测电路、故障隔离输出电路、外部功率放大电路和IGBT开关管；

所述光电耦合器分别与脉冲输入端口、漏源极间电压检测电路、故障隔离输出电路、外部功率放大电路相连接；所述IGBT开关管分别与漏源极间电压检测电路、外部功率放大电路相连接；

所述光电耦合器用于从所述脉冲输入端口接收外部脉冲发生装置输入的脉冲信号并对该脉冲信号进行光耦隔离，并将经过光耦隔离的脉冲信号输出至外部功率放大电路；或者用于与漏源极间电压检测电路配合检测IGBT开关管的状态，当检测到IGBT开关管为过流状态时所述光电耦合器产生故障信号并将此故障信号发送至故障隔离输出电路；

所述故障隔离输出电路用于将所述故障信号发送至所述脉冲发生装置用于控制所述脉冲发生装置停止输出脉冲信号，以通过切断所述脉冲信号的方式实现对IGBT开关管的保护；

所述外部功率放大电路用于驱动IGBT开关管，或者用于断开IGBT开关管以实现对IGBT开关管的保护。

2.如权利要求1所述的功率模块驱动器，其特征在于，所述脉冲输入端口包括第一电阻，所述第一电阻的一端与所述光电耦合器的脉冲输入引脚连接，另一端与所述脉冲发生装置连接。

3.如权利要求1所述的功率模块驱动器，其特征在于，所述漏源极间电压检测电路包括第一二极管、第二二极管、第一零电平端子、第一电容器、第二电阻和第三电阻；

所述第一电容器的第一端分别与光电耦合器的电流检测引脚、第一二极管的阴极、第二电阻的第一端、第三电阻的第二端连接，第二端分别与第一二极管的阳极和第一零电平端子连接；

所述第三电阻的第一端与所述光电耦合器的第一外接电源引脚连接；

所述第二电阻的第二端与所述第二二极管的阳极连接；

所述第二二极管的阴极与所述IGBT开关管连接。

4.如权利要求1所述的功率模块驱动器，其特征在于，所述故障隔离输出电路包括第一三极管、电源端和第九电阻；

所述第九电阻的第一端与所述第一三极管的基极连接、第二端与所述光电耦合器的故障输出引脚连接；

所述第一三极管的集电极连接所述电源端，发射极接地。

5.如权利要求1所述的功率模块驱动器，其特征在于，所述外部功率放大电路包括P沟道MOSFET管、第一N沟道MOSFET管、第二N沟道MOSFET管、第二外接电源、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第十电阻；

所述第四电阻的第一端与所述光电耦合器的第一脉冲输出引脚连接，第二端与所述P沟道MOSFET管的栅极连接；

所述P沟道MOSFET管的漏极与所述光电耦合器的第一外接电源引脚连接，源极与所述第五电阻的第一端连接；

所述第五电阻的第二端分别与所述第六电阻的第一端、第八电阻的第二端、所述IGBT开关管连接；

所述第七电阻的第一端与所述光电耦合器的第二脉冲输出引脚连接，第二端与所述第一N沟道MOSFET管的栅极连接；

所述第一N沟道MOSFET管的漏极与所述第八电阻的第一端连接，源极分别与所述第二外接电源、所述第二N沟道MOSFET管的源极、所述第十电阻的第一端连接；

所述第二N沟道MOSFET管的栅极与所述光电耦合器的IGBT过流脉冲输出引脚连接，漏极与所述第六电阻的第二端连接；

所述第十电阻的第二端与所述IGBT开关管连接。

6.如权利要求1所述的功率模块驱动器，其特征在于，所述IGBT开关管包括第三N沟道MOSFET管、第三二极管和第二零电平端子；

所述第三N沟道MOSFET管的栅极分别与所述外部功率放大电路中第五电阻的第二端、第六电阻的第一端、第八电阻的第二端连接，漏极分别与所述第三二极管的阴极、所述漏源极间电压检测电路中第二二极管的阴极连接，源极分别与所述第三二极管的阳极、所述第二零电平端子连接。

7.一种高频高压发生器，其特征在于，包括一脉冲发生装置和如权利要求1至6任一项所述的功率模块驱动器。