CN101714830A - 一种开关电源的绝缘栅双极型晶体管驱动电路 - Google Patents

Abstract

一种开关电源的绝缘栅双极型晶体管驱动电路，包括变压器，供电电路，信号电路和放大输出电路，该变压器包括一个由初级线圈构成的初级绕组和次级绕组，该次级绕组至少包括绕在同一个磁芯上的第一次级线圈和第二次级线圈；供电电路与变压器次级绕组中的第一次级线圈连接；信号电路由变压器的次级绕组中的第二次级线圈与二极管连接构成，其接收第二次级线圈耦合过来的驱动信号，将从变压器的驱动信号经过整流处理后送给放大输出电路；保护电路与绝缘栅双极型晶体管的输入端连接，保护电路包括第一稳压二极管和第二稳压二极管。

Description

一种开关电源的绝缘栅双极型晶体管驱动电路

技术领域

本发明涉及一种开关电源驱动部分的设计方法，尤其涉及一种大功率或超大功率开关电源的驱动电路，可为IGBT提供简单且低成本的驱动方法。

背景技术

在开关电源电路中，IGBT(Insolated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)通常都是由驱动电路来控制其开关的。好的驱动电路不但能使IGBT在复杂的电磁环境中可靠地工作，而且在成本上也具有竞争优势。参见图1，所示的是现有的一种IGBT的驱动电路2ED300C17-S的结构图，从图1中可以看出，该驱动模块在驱动IGBT时需要一个DC/DC(Direct Current Converter)转换器，而且需要两个变压器，这个驱动模块在设计中，使用一个DC/DC转换器和一个变压器为IGBT提供驱动能量，使用另一个变压器提供IGBT需要的驱动脉冲，这种设计由于增加了DC/DC转换器和变压器，增加了驱动电路的成本。

参见图2，为另外一种IGBT驱动电路的设计，这是一种带驱动芯片的驱动电路，该电路虽然改进了原先电路在高频下工作时的功率开关管的开关性能，但该电路仍存在以下缺陷：该电路在设计中采用了一个变压器绕组，但由于线圈匝数比较多，容易产生幅值很高的负脉冲而损坏驱动芯片；另外，由于电路采用的是半波整流，电容充电周期长、功率小，当驱动电压没有升到一定幅值时，容易损坏IGBT(完全导通时的驱动电压为13V)；而且次级线圈的匝数越多，产生的误驱动脉冲(即当一个桥臂的功率管关闭时，对同一个桥臂上的另外一个功率管感应出促使其导通的驱动脉冲)幅值越高，越容易引起误驱动。

发明内容

针对上面提到的开关电源驱动电路设计上的缺陷，本发明的目的是提供一种改进的开关电源驱动电路，可提高开关电源驱动电路工作的可靠性，通过优化开关电源驱动电路设计，降低开关电源驱动电路的设计成本。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种开关电源的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动电路，包括变压器，供电电路，信号电路及放大输出电路，该变压器包括由初级线圈构成的初级绕组和次级绕组，次级绕组至少包括绕在同一个磁芯上的第一次级线圈和第二次级线圈，变压器的初级绕组与第一电容连接；变压器次级绕组中的第一次级线圈与供电电路连接；信号电路由变压器的次级绕组中的第二次级线圈与第二整流二极管连接构成，信号电路接收第二次级线圈耦合过来的驱动信号，将从变压器的驱动信号经过整流处理后送给放大输出电路，直流电压和驱动信号送给放大输出电路以产生IGBT的驱动脉冲和驱动电路的工作电压；该放大输出电路为驱动芯片；IGBT电路的输入端设有保护电路，保护电路包括第一稳压二极管和第二稳压二极管，第一稳压二极管的正极与第二稳压二极管的负极相连，并共同连接到驱动芯片的输出管脚，第一稳压二极管的负极与驱动芯片的电源管脚相连，第二稳压二极管的正极与驱动芯片的电源参考地管脚相连。

所述变压器的次级绕组的第一次级线圈与4个第一整流二极管组成的全桥整流电路连接构成供电电路，并与所述驱动芯片的电源管脚连接。

所述4个第一整流二极管组成的全桥整流电路与第一电阻和第二电容依次连接构成供电电路，并与所述驱动芯片的电源管脚连接。

所述信号电路还包括第二电阻、第三电阻和第三电容，所述第二整流二极管的负极与第二电阻连接，所述第二电阻与第三电容连接，所述第三电容与第三电阻并联，两端分别与驱动芯片的正向输入端和反向输入端相连。

所述次级绕组的第一次级线圈的一端连接第三整流二极管的正极，所述第一次级线圈的另一端连接第四整流二极管的正极，第三整流二极管的正极与第四整流二极管的正极、第一电阻的一端相连，第一电阻的另一端和第二电容的正极共同连接到驱动芯片的电源管脚，构成供电电路；所述第二整流二极管的负极与驱动芯片的正向输入端相连。

在交流电上半周期，所述第三整流二极管导通，所述第四整流二极管截止，电源经过所述第一电阻给第二电容充电；在交流电下半周期，所述第四整流二极管导通，所述第三整流二极管截止，电源经过第一电阻给第二电容充电，完成一个周期的整流。

根据上述技术方案，本发明采用在一个变压器磁芯上增加绕组的方式来代替采用外加DC/DC的供电方式，节省了成本，同时简化了变压器设计的体积和复杂程度，由于次级线圈匝数的较少，大大降低了误驱动脉冲的幅值，从而减少干扰。

附图说明

图1是现有的2ED300C17-S驱动电路内部结构电路图；

图2是现有的带驱动芯片的驱动电路设计图；

图3是本发明的IGBT驱动电路框图；

图4是本发明第一实施例的电路图；

图5是本发明第二实施例的电路图。

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

具体实施方式

本发明所涉及的开关电源驱动电路的原理框图如图3所示，其为一个IGBT的驱动电路部分，开关电源其它几个IGBT的电路与此相同。参照图3及图4，本发明的驱动电路主要由变压器T4，供电电路1，信号电路2，放大输出电路3以及保护电路4构成。其中，变压器T4包括由初级线圈构成的初级绕组T40和次级绕组T41，次级绕组T41至少包括绕在同一个磁芯上的第一次级线圈T410和第二次级线圈T411。变压器T4主要用于将输入电压按照要求变换为IGBT需要的驱动电压，同时传递IGBT工作时的驱动信号。供电电路1将交流电压变换为IGBT需要的直流工作电压送给放大输出电路3，信号电路2由变压器T4次级绕组T41中的第二次级线圈T411与第二整流二极管D38连接构成，信号电路2接收第二次级线圈T411耦合过来的驱动信号，将从变压器T4的驱动信号经过整流处理后送给放大输出电路3。直流电压和驱动信号送给放大输出电路3，产生IGBT的驱动脉冲和驱动电路的工作电压，从而确保IGBT按照规定的时序工作，输出需要的工作电压。该放大输出电路3可以是驱动芯片IC，本发明以放大输出电路3是驱动芯片IC作说明。由放大输出电路3经过处理后产生IGBT工作所需要的驱动电压和脉冲控制信号。在IGBT电路的输入端设有保护电路4。图3为一个IGBT工作所需要的驱动电路，实际开关电源中有几个IGBT就会有几路这样的驱动电路，这几路驱动电路的构成一致，在驱动脉冲的时序方面，有一对IGBT的驱动脉冲是相同的，另外一对IGBT的驱动脉冲也是相同的，这两对IGBT的驱动脉冲只是在时序上有区别。

在正常工作时，电网交流电压通过变压器T4变换，在变压器T4的次级绕组T41的第一次级线圈T410产生驱动IGBT的驱动电压，同时驱动信号通过变压器T4次级绕组T41的第二次级线圈T411传给驱动芯片IC，驱动芯片IC经过处理后驱动IGBT按照规定的时序工作。

图4为本发明第一实施例的驱动电路图。参照图4，该开关电源的驱动电路包括变压器T4，变压器T4的初级绕组T40与第一电容C26连接，变压器T4的次级绕组T41的第一次级线圈T410与4个第一整流二极管D34组成的全桥整流电路连接，全桥整流电路与第二电容C29构成供电电路1，第二电容C29为供电电路的可选元件。全桥整流电路给IGBT提供驱动电源，本实施例中全桥整流电路与第一电阻R26和第二电容C29依次连接，并与驱动芯片IC的电源管脚连接；次级绕组T41的第二次级线圈T411与第二整流二极管D38的正极连接，构成信号电路2，信号电路2中的第二整流二极管D38作为整流二极管也起整流作用。第三电容C30在为可选元件，第三电容C30为去耦电容，主要起去除高频噪声的作用。本实施例中的信号电路包含了第三电容C30、第二电阻R27和第三电阻R28，通过驱动芯片IC给IGBT提供驱动脉冲。第二整流二极管D38的负极与第二电阻R27连接，第二电阻R27与第三电容C30连接，第三电阻R28与第三电容C30并联，且两端分别与驱动芯片IC的正向输入端和反向输入端相连，驱动芯片IC使IGBT按照规定时序实现导通和截止功能。本实施例中第二电阻R27和第三电阻R28为分压电阻，结合变压器T4第二次级线圈T411的匝数以及驱动芯片IC的输入的电压范围起到分压的作用，如果第二次级线圈T411匝数合适则第二电阻R27和第三电阻R28可以省略。

为了防止驱动电压过冲对IGBT的损害，本发明在IGBT电路的输入端设有保护电路4，保护电路4包括第一稳压二极管D39和第二稳压二极管D40，第一稳压二极管D39的正极与第二稳压二极管D40的负极相连，并共同连接到驱动芯片IC的输出管脚，第一稳压二极管D39的负极与驱动芯片IC的电源管脚相连，第二稳压二极管D40的正极与驱动芯片IC的电源参考地管脚相连；第一稳压二极管D39在驱动电压过高时，可将IGBT的驱动电压高电平稳定在IGBT可以正常工作的范围；在IGBT的输入电压出现负压时，第二稳压二极管D40导通，将输入电压钳位于地电平，从而保护IGBT。

第一实施例中，第一次级线圈T410与第一整流二极管D34构成的全桥整流电路可确保驱动电路在电网电压全周期内都能够正常工作，经过整流后的电压经过第二电容C29的稳压后送给IGBT，作为驱动IGBT的驱动电源。变压器T4的第二次级线圈T411将从初级绕组T40的初级线圈传递过来的驱动信号送给驱动芯片IC，经过驱动芯片IC的整形，形成一定时序的驱动脉冲，该脉冲施加到IGBT电路，作为IGBT的时序控制脉冲，驱动IGBT按照规定的时序完成开关动作。

参照图5，为本发明第二实施例的驱动电路图。第二实施例的驱动电路除了供电电路1中采用两个整流二极管进行整流之外，其它电路形式类似，图中相同的部件也采用相同的标号。第二实施例开关电源的驱动电路包括变压器T4，变压器T4的初级绕组T40与第一电容C26连接，次级绕组T41的第一次级线圈T410的一端连接第三整流二极管D27的正极，第一次级线圈T410的另一端连接第四整流二极管D28的正极，第三整流二极管D27的正极与第四整流二极管D28的正极及第一电阻R26的一端相连，第一电阻R26的另一端和第二电容C29的正极共同连接到驱动芯片IC的电源管脚，以此构成本实施例的供电电路1；次级绕组T41的第二次级线圈T411与第二整流二极管D38的正极连接，第二整流二极管D38的负极与驱动芯片IC的正向输入端相连，通过驱动芯片IC给IGBT提供驱动脉冲，驱动芯片IC使IGBT按照规定时序实现导通和截止功能。第二实施例IGBT电路的输入端也设有由第一稳压二极管D39和第二稳压二极管D40组成的保护电路4。在交流电上半周期，第三整流二极管D27导通，第四整流二极管D28截止，电源经过第一电阻R26给第二电容C29充电；在交流电下半周期，第四整流二极管D28导通，第三整流二极管D27截止，电源经过第一电阻R26给第二电容C29充电，完成一个周期的整流。其它电路工作原理与图4完全相同。

本发明所提出的开关电源的一种驱动电路设计方法，变压器设计中通过增加次级线圈的绕组的方法，省去了功率IGBT驱动所需要的电源，由于传递驱动信号的次级线圈匝数较少，因而大大降低了误驱动脉冲的幅值及干扰。另外，第一实施例中，由于驱动电路采用全桥设计，克服了现有驱动电路半桥工作的弊病，提高了驱动电路的工作效率，使得驱动电路的驱动电压的建立时间相对于现有开关电源驱动电路大大缩短。本方法和装置在降低了驱动电路设计的复杂程度同时，也降低了误驱动脉冲的干扰，同时通过去掉外加电源降低了成本，提高了产品的竞争力。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种开关电源的绝缘栅双极型晶体管驱动电路，包括：变压器(T4)，供电电路(1)，信号电路(2)以及放大输出电路(3)，其特征在于：

所述变压器(T4)包括由初级线圈构成的初级绕组(T40)和次级绕组(T41)，所述次级绕组(T41)至少包括绕在同一个磁芯上的第一次级线圈(T410)和第二次级线圈(T411)，所述变压器(T4)的初级绕组(T40)与第一电容(C26)连接；

所述变压器(T4)次级绕组(T41)中的第一次级线圈(T410)与所述供电电路(1)连接；

所述信号电路(2)由所述变压器(T4)次级绕组(T41)中的第二次级线圈(T411)与第二整流二极管(D38)连接构成，所述信号电路(2)接收所述第二次级线圈(T411)耦合过来的驱动信号，将从所述变压器(T4)的驱动信号经过整流处理后送给所述放大输出电路(3)，直流电压和驱动信号送给放大输出电路(3)以产生绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的驱动脉冲和驱动电路的工作电压；

所述放大输出电路(3)为驱动芯片(IC)；

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的输入端设有保护电路(4)，所述保护电路(4)包括第一稳压二极管(D39)和第二稳压二极管(D40)，所述第一稳压二极管(D39)的正极与所述第二稳压二极管(D40)的负极相连，并共同连接到所述驱动芯片(IC)的输出管脚，所述第一稳压二极管(D39)的负极与驱动芯片(IC)的电源管脚相连，所述第二稳压二极管(D40)的正极与所述驱动芯片(IC)的电源参考地管脚相连。

2.如权利要求1所述的开关电源的绝缘栅双极型晶体管驱动电路，其特征在于：所述变压器(T4)的次级绕组(T41)的第一次级线圈(T410)与4个第一整流二极管(D34)组成的全桥整流电路连接后与所述驱动芯片(IC)的电源管脚连接。

3.如权利要求2所述的开关电源的绝缘栅双极型晶体管驱动电路，其特征在于：所述4个第一整流二极管(D34)组成的全桥整流电路与第一电阻(R26)和第二电容(C29)依次连接构成供电电路(1)，并与所述驱动芯片(IC)的电源管脚连接。

4.如权利要求3所述的开关电源的绝缘栅双极型晶体管驱动电路，其特征在于：所述信号电路(2)还包括第二电阻(R27)、第三电阻(R28)和第三电容(C30)，所述第二整流二极管(D38)的负极与第二电阻(R27)连接，所述第二电阻(R27)与第三电容(C30)连接，所述第三电容(C30)与第三电阻(R28)并联，并联的两端分别与驱动芯片(IC)的正向输入端和反向输入端相连。

5.如权利要求1所述的开关电源的绝缘栅双极型晶体管驱动电路，其特征在于：所述次级绕组(T41)的第一次级线圈(T410)的一端连接第三整流二极管(D27)的正极，所述第一次级线圈(T410)的另一端连接第四整流二极管(D28)的正极，所述第三整流二极管(D27)的正极与第四整流二极管(D28)的正极、第一电阻(R26)的一端相连，所述第一电阻(R26)的另一端和第二电容(C29)的正极共同连接到驱动芯片(IC)的电源管脚，构成供电电路(1)；

所述第二整流二极管(D38)的负极与驱动芯片(IC)的正向输入端相连。

6.如权利要求5所述的开关电源的绝缘栅双极型晶体管驱动电路，其特征在于：在交流电上半周期，所述第三整流二极管(D27)导通，所述第四整流二极管(D28)截止，电源经过所述第一电阻(R26)给第二电容(C29)充电；在交流电下半周期，所述第四整流二极管(D28)导通，所述第三整流二极管(D27)截止，电源经过第一电阻(R26)给第二电容(C29)充电，完成一个周期的整流。

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