CN101640526B

CN101640526B - 一种内置隔离电源的igbt驱动电路

Info

Publication number: CN101640526B
Application number: CN 200910041967
Authority: CN
Inventors: 尹向阳
Original assignee: Mornsun Guangzhou Science and Technology Ltd
Current assignee: Mornsun Guangzhou Science and Technology Ltd
Priority date: 2009-08-19
Filing date: 2009-08-19
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2029-08-19
Also published as: CN101640526A

Abstract

本发明公开一种内置隔离电源的IGBT驱动电路，包括电源电路和驱动电路，所述电源电路依次包括：一振荡电路，电源输入时产生推挽驱动信号；一变换电路，包括至少一对开关管，根据所述推挽驱动信号交替导通/关闭，实现能量的转换；一功率变压器，将能量从其初级绕组传递到次级绕组；一整流滤波电路，对所述功率变压器次级绕组分两路独立整流滤波，并引出公共端实现正、负电源输出，用于为所述驱动电路供电。将高效率的DC/DC隔离变换器与IGBT驱动电路集成，可以省去用户外接隔离电源，方便驱动器的应用；本发明易于采用混合集成厚膜电路的形式实现，有利于采用SIP封装形式，节约PCB面积。

Description

一种内置隔离电源的IGBT驱动电路

技术领域

本发明涉及混合集成型IGBT驱动电路，特别涉及一种内置隔离电源的IGBT驱动电路。

背景技术

绝缘栅双极晶体管(IGBT)具有较高的电流容量及电压耐量，其开关频率高，导通饱和压降低，输入阻抗高，驱动简单，在中、大功率变换系统中得到广泛应用。驱动电路作为控制电路与功率电路之间的桥梁，在充分利IGBT的性能及提高功率系统可靠性、稳定性方面起着至关重要的作用。IGBT驱动电路的功能是，将来自于控制器的控制信号经隔离转换为具有足够功率的驱动信号，以保证IGBT的可靠开通与关断。同时，IGBT驱动电路也为控制器和功率管之间提供安全的电气隔离。此外，为了使IGBT在出现过流或短路时得到有效的保护，保护功能也被集成到驱动电路之中。IGBT驱动器的具体性能要求主要体现在以下几方面：由于IGBT栅极输入具有电容特性，为了能使IGBT具有较快的开关速度，驱动器必须能够提供较大瞬时驱动电流，以减小开关损耗；要求为IGBT提供完善的过流和短路保护功能；由于驱动器位于控制电路与功率电路之间，还要求驱动器提供足够的安全距离、较高的绝缘电压耐量和较高的共模信号抑制比。

目前，市场上已有较多的IGBT驱动器产品，主要有以下两部分：

其一是在供电方面：很多IGBT驱动器不带隔离电源，在应用时还需要增加隔离的电源为其供电。使用时占用PCB面积较大；少数IGBT驱动器自带隔离电源，其所带的隔离电源电路繁杂，实用性较小，功能利用率也较小，同时功率较大，用于中小功率IGBT驱动电路上有很大的多余。

其二是在驱动方面：大多数驱动电路是采用光耦隔离传递驱动信号的。光耦隔离电压耐量有限，存在较大的传输延迟时间；采用脉冲变压器直接驱动电路，传递速度得到了很大提升，但对驱动信号的频率与占空比有限制。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种功能完善、性能可靠、成本低廉的内置隔离电源的IGBT驱动电路。

为解决以上技术问题，本发明提供的内置隔离电源的IGBT驱动电路，包括电源电路和驱动电路，所述电源电路依次包括：

一振荡电路，电源输入时产生推挽驱动信号；

一变换电路，包括至少一对开关管，根据所述推挽驱动信号交替导通/关闭，实现能量的转换；

一功率变压器，将能量从其初级绕组传递到次级绕组；

一整流滤波电路，对所述功率变压器次级绕组分两路独立整流滤波，并引出公共端实现正、负电源输出，用于为所述驱动电路供电。

优选地，所述振荡电路包括一振荡IC，用于产生一组反相的PWM信号；所述变换电路包括两个金属氧化物半导体场效应管的开关管，其中：两者的源极共同接于所述振荡IC的过流监测端口；两者的栅极分别接于所述振荡IC的一个输出端口；两者的漏极分别接于所述功率变压器带中间抽头的初级绕组的两个端头；所述功率变压器初级绕组的中间抽头接于电源输入正端。

优选地，所述振荡电路包括一振荡IC，用于产生一组反相的PWM信号；所述变换电路包括四个金属氧化物半导体场效应管的开关管，其中：第一开关管、第二开关管的漏极共同接于电源输入正端；第三开关管、第四开关管的源极共同接于所述振荡IC的过流监测端口(5)；第一开关管、第四开关管的栅极共同接于所述振荡IC的一个输出端口(6)；第二开关管、第三开关管的栅极共同接于所述振荡IC的另一个输出端口(4)；第一开关管的源极、第三开关管的漏极共同接于所述功率变压器初级绕组的一个端头；第二开关管的源极、第四开关管的漏极共同接于所述功率变压器初级绕组的另一个端头。

优选地，所述振荡电路包括利用所述功率变压器磁芯饱和特性形成的自激振荡电路；所述变换电路包括两个晶体管的开关管，其中：两者的射极共同接于电源输入地；两者的基极分别接于所述功率变压器初级辅助绕组的一个端头，该功率变压器初级辅助绕组的中间抽头接于电源输入地；两者的集电极分别接于所述功率变压器初级主绕组的一个端头，该功率变压器初级主绕组的中间抽头接于电源输入正端。

优选地，所述振荡电路包括由所述信号变压器的饱和功能产生自激振荡信号；其初级绕组与功率变压器绕组通过电阻(R1)相接；所述变换电路包括两个晶体管的开关管，其中：两者的基极分别接于所述信号变压器次级绕组的一个端头；两者的射极与所述信号变压器次级绕组的中间抽头共同接于限流电阻(R2)和软启动电容(C2)之间；两者的集电极分别接于所述功率变压器初级绕组的一个端头，该功率变压器初级绕组的中间抽头接于电源输入正端。优选地，所述驱动电路依次包括：

一脉冲调制电路，将控制信号调制成所需的窄脉冲；

一脉冲变压器，将窄脉冲从其初级绕组传递到次级绕组；

一脉冲解调电路，将所述脉冲变压器传递过来的窄脉冲还原成与控制信号相同的脉冲信号；

一功率放大电路，将解调后的脉冲信号放大，输出IGBT所需的功率驱动信号。

优选地，所述驱动电路中设置有脉冲电平变换电路，串接在所述脉冲解调电路与所述功率放大电路之间，将解调后的脉冲信号电平变换为输出所需电平。

优选地，所述驱动电路中设置有保护电路，接入所述脉冲电平变换电路，用以对IGBT进行短路及过流保护。

优选地，所述驱动电路中设置有故障监测端口，连接所述保护电路，用以监测故障状态。

与现有技术相比，本发明内置隔离电源的IGBT驱动电路，其有益技术效果在于：将高效率的DC/DC隔离变换器与IGBT驱动电路集成，可以省去用户外接隔离电源，方便驱动器的应用；整个电路可方便地采用混合集成厚膜电路的形式实现，SIP封装形式，节约PCB面积，封装体积小，有利于IGBT驱动器的广泛应用。其中，可选用不同IGBT驱动所使用的DC/DC拓扑供电方式，其适用性极好。特别地，将控制信号转换为窄脉冲再经脉冲变压器传递，传输延迟时间短，不受驱动信号频率与占空比的限制，可在高频与低频范围有效工作，同时可使IGBT驱动器产生的杂散电感更小，工作更稳定，产生驱动信号更加平滑，是具有性能完善、可靠性高、电路简单、元器件少、封装体积小、成本低廉等优势的设计方案。

附图说明

图1是本发明内置隔离电源的IGBT驱动电路功能框图；

图2是本发明第一实施例的电路原理图；

图3是本发明第二实施例的电路原理图；

图4是本发明第三实施例的电路原理图；

图5是本发明第四实施例的电路原理图。

具体实施方式

本发明的基本构思是，内部集成隔离DC/DC电源，提供正负两路输出电压，为IGBT驱动电路提供能量。

为便于深入理解本发明，下面结合附图与实施例具体说明。

参见图1，本发明内置隔离电源的IGBT驱动电路，包括电源电路100与驱动电路200两部分，其中，

电源电路100依次包括：

振荡电路101，在电源输入时产生推挽驱动信号；

推挽式变换电路102，包括至少一对开关管，根据所述推挽驱动信号交替导通/关闭，实现能量的转换；

定圈数比电源功率变压器T1，将能量从其初级绕组传递到次级绕组；

整流滤波电路103，对功率变压器T1次级绕组分两路独立整流滤波，并引出公共端实现正、负电源输出，用于为驱动电路200供电。

所述驱动电路200依次包括：

脉冲调制电路201，将控制信号调制成所需的窄脉冲(可根据情况设定脉冲宽度)；

脉冲变压器T3，将窄脉冲从其初级绕组传递到次级绕组；

脉冲解调电路202，将脉冲变压器T3传递过来的窄脉冲还原成与控制信号相同的脉冲信号；

脉冲电平变换电路203，将解调后的脉冲信号电平变换为输出所需电平；

功率放大电路204，将解调后的脉冲信号放大，输出IGBT所需的功率驱动信号；

保护电路205，接入脉冲电平变换电路204，用以对IGBT进行短路及过流保护。该保护电路205连接故障监测端口，当IGBT发生故障时，经监测电路反馈启动保护电路，对IGBT驱动信号进行控制，从而保护IGBT及时关断，实现保护。

本发明中，内部集成的隔离DC/DC电源电路100提供正、负两路输出电压，为IGBT驱动电路200提供能量；脉冲调制电路201将驱动控制信号调制成固定脉宽的窄脉冲，经脉冲变压器T3隔离后，脉冲解调电路202再将窄脉冲还原为驱动控制信号，经过功率放大电路204后驱动IGBT；当IGBT发生故障时，将启动保护电路205关断IGBT。

所述DC/DC电源电路100可以采用多种电路拓扑结构形式，兹举几例说明。

参见图2，采用振荡IC产生采用振荡IC产生推挽驱动信号，控制两个开关管Q1、Q2来实现能量转换，具体而言：U1为振荡IC(如广州金升阳科技有限公司生产的320068芯片或其它型号的芯片)，用于产生一组反相的PWM信号；变换电路包括两个MOSFET(Metal Oxide Semicoductor Field EffectTransistor，金属氧化物半导体场效应管的开关管)，其中：开关管Q1、Q2的源极共同接于振荡IC的过流监测端口(5脚)；两者的栅极分别接于振荡IC的输出端口(4脚、6脚)；两者的漏极分别接于功率变压器T1初级绕组的一个端头，而该功率变压器T1初级绕组的中间抽头接于电源输入正端VD。

本实施例中的外围电路接法为，振荡IC的1脚接电源输入地端GND，2脚通过电容C2接地，3脚接电源输入正端VD，5脚通过过流监测电阻R1接地；同时，电源通过C1进行滤波。

所述整流滤波电路可采用多种形式，如图2所示，经二极管D1、D4全桥整流后，再分别经电阻R2和电容C3、电阻R3和电容C4组成的滤波电路滤波，输出驱动电路所需的电压，其中：通过公共端COM与输出电源正端VCC输出正电源；通过公共端COM与输出电源负端VEE输出负电源。

该电路的工作过程为：振荡IC即U1产生一组相互反向的PWM信号，来控制开关管Q1、Q2交替导通/关断。通过功率变压器T1将信号隔离后，进行双路整流滤波输出，之后再经共接实现相对于公共端的正负电源输出。最后，为IGBT驱动电路供电。由此，控制信号从输入端Vin、地端GND输入后，经信号转换、传递、还原、功率放大后输出到IGBT。

参见图3，该例采用振荡器IC产生推挽驱动信号，控制四个开关管Q1、Q2、Q3、Q4来实现能量转换，具体地：开关管Q1、Q2的漏极共同接于电源输入正端VD；开关管Q3、Q4的源极共同接于振荡IC的过流监测端口5；开关管Q1、Q4的栅极共同接于振荡IC的一个输出端口6；开关管Q2、Q3的栅极共同接于振荡IC的另一个输出端口4；开关管Q1的源极、开关管Q3的漏极共同接于功率变压器T1初级绕组的一个端头；开关管Q2的源极、开关管Q4的漏极共同接于述功率变压器初级绕组的另一个端头。

其工作过程为：振荡IC产生一组相互反向的PWM信号，来控制开关管Q1、Q2、Q3、Q4。通过功率变压器T1将电能隔离后传递到次级，之后再分别进行整流滤波输出，最后共接实现相对于公共端的正、负电源输出。从而实现为IGBT驱动电路供电。

参见图4，采用功率变压器自激产生振荡推挽驱动信号；控制两个开关管Q1、Q2来实现能量转换：该振荡电路为利用功率变压器T1磁芯饱和特性形成的自激振荡电路；所述变换电路包括两个晶体管的开关管Q1、Q2，其中：电源正端VD、地GND之间串接有电阻R1、电容C2；而开关管Q1、Q2两者的射极共同接于电源输入地GND；两者的基极分别接于功率变压器初级辅助绕组T1-2的两个端头，其中间抽头接于启动电阻R1与电容C2的节点；两者的集电极分别接于所述功率变压器主初级绕组T1-1的两个端头，其中间抽头接于电源输入正端VD。

其电路的具体工作过程为：由功率变压器T1的自饱和从而自激产生振荡驱动信号来控制开关管Q1，Q2。通过功率变压器T1将隔离后的进行双路整流滤波输出，之后再经共接实现相对于公共端的正负电源输出。最终实现为IGBT驱动电路供电。

参见图5，采用信号变压器T2产生推挽驱动信号；控制两个开关管Q1、Q2来实现能量转换，本例中，振荡电路包括信号变压器T2，其初级绕组与功率变压器T1初级绕组经一个电阻R1相连，利用信号变压器T2饱和激磁产生振荡信号；信号变压器T2次级绕组的中间抽头接于启动电阻R1与电容C2的节点，变换电路包括两个晶体管的开关管Q1、Q2，其中：开关管Q1、Q2两者的基极分别接于信号变压器T2次级绕组的两个端头；两者的发射极接于电源输入地GND；两者的集电极分别接于功率变压器T1初级绕组的两个端头，该功率变压器T1初级绕组的中间抽头接于电源输入正端VD。

其电路的具体工作过程为：由信号变压器T2饱和激磁产生振荡驱动信号来控制开关管Q1、Q2。通过功率变压器T1隔离后进行双路整流滤波输出，之后再经共接实现相对于公共端的正负电源输出。由此，为IGBT驱动电路供电。

本发明电路集成度高，可靠性高，实用性强，可广泛应用于各类IGBT的驱动。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种内置隔离电源的IGBT驱动电路，包括电源电路和驱动电路，所述电源电路依次包括：

一振荡电路，电源输入时产生推挽驱动信号；

一功率变压器，将能量从其初级绕组传递到次级绕组；

一整流滤波电路，对所述功率变压器次级绕组分两路独立整流滤波，并引出公共端实现正、负电源输出，用于为所述驱动电路供电；

其特征在于，所述振荡电路包括一振荡IC，用于产生一组反相的PWM信号；所述变换电路包括两个金属氧化物半导体场效应管的开关管，其中：两者的源极共同接于所述振荡IC的过流监测端口；一个开关管的栅极接于所述振荡IC的一个输出端口，另一个开关管的栅极接于所述振荡IC的另一个输出端口；两者的漏极分别接于所述功率变压器带中间抽头的初级绕组的两个端头；所述功率变压器初级绕组的中间抽头接于电源输入正端；所述振荡IC的接地端口(1)接电源输入地端，对地电容端口(2)通过第二电容(C2)接地，电源端口(3)接电源输入正端，过流监测端口(5)通过过流监测电阻(R1)接地；电源输入正端和电源输入地端之间通过第一电容(C1)进行滤波。

2.一种内置隔离电源的IGBT驱动电路，包括电源电路和驱动电路，所述电源电路依次包括：

一振荡电路，电源输入时产生推挽驱动信号；

一功率变压器，将能量从其初级绕组传递到次级绕组；

其特征在于，所述振荡电路包括一振荡IC，用于产生一组反相的PWM信号；所述变换电路包括四个金属氧化物半导体场效应管的开关管，其中：第一开关管、第二开关管的漏极共同接于电源输入正端；第三开关管、第四开关管的源极共同接于所述振荡IC的过流监测端口(5)；第一开关管、第四开关管的栅极共同接于所述振荡IC的一个输出端口(6)；第二开关管、第三开关管的栅极共同接于所述振荡IC的另一个输出端口(4)；第一开关管的源极、第三开关管的漏极共同接于所述功率变压器初级绕组的一个端头；第二开关管的源极、第四开关管的漏极共同接于所述功率变压器初级绕组的另一个端头；所述振荡IC的接地端口(1)接电源输入地端，对地电容端口(2)通过第二电容(C2)接地，电源端口(3)接电源输入正端，过流监测端口(5)通过过流监测电阻(R1)接地；电源输入正端和电源输入地端之间通过第一电容(C1)进行滤波。

3.如权利要求1或2所述的内置隔离电源的IGBT驱动电路，其特征在于，所述驱动电路依次包括：

一脉冲调制电路，将控制信号调制成所需的窄脉冲；

一脉冲变压器，将窄脉冲从其初级绕组传递到次级绕组；

4.如权利要求3所述的内置隔离电源的IGBT驱动电路，其特征在于，所述驱动电路中设置有脉冲电平变换电路，串接在所述脉冲解调电路与所述功率放大电路之间，将解调后的脉冲信号电平变换为输出所需电平。

5.如权利要求4所述的内置隔离电源的IGBT驱动电路，其特征在于，所述驱动电路中设置有保护电路，接入所述脉冲电平变换电路，用以对IGBT进行短路及过流保护。

6.如权利要求5所述的内置隔离电源的IGBT驱动电路，其特征在于，所述驱动电路中设置有故障监测端口，连接所述保护电路，用以监测故障状态。