CN103281062A - 一种带脉宽限制的igbt驱动电路及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带脉宽限制的IGBT驱动电路，其包括：依次连接的高频脉冲发生电路、驱动控制电路、隔离驱动电路，以及连接驱动控制电路使能端的脉宽限制电路，高频脉冲发生电路生成高频脉冲信号；脉宽限制电路连接外部脉冲信号，在外部脉冲信号到来时发出一个控制脉冲；驱动控制电路在所述控制脉冲到来时将所述高频脉冲信号转换成两路互补的驱动脉冲；隔离驱动电路将所述两路互补的驱动脉冲隔离后整流形成输送给IGBT的触发脉冲。本发明还公开了驱动电路的实现方法。本发明隔离了控制电路与IGBT模块，缩小了自身的体积，限制了驱动脉宽。在控制电路异常，长时间输入驱动信号时，避免IGBT模块长时间导通，有效地保护了IGBT模块。
Description
技术领域
本发明涉及IGBT驱动电路，尤其涉及一种带脉宽限制的以保护IGBT不易烧毁的IGBT驱动电路及其实现方法。
背景技术
在高压大电流的应用场合，IGBT模块作为半导体开关已经得到广泛应用。IGBT模块的导通和截止需于驱动电路来控制，现有的驱动电路存在两方面的缺陷：
一、成本高或体积大。控制电路为低压，IGBT模块为高压，故此接在控制电路与IGBT模块之间的驱动电路具有隔离功能。目前常用的隔离方式有光耦隔离和驱动变压器隔离。光耦隔离虽然体积小，频率范围也比较宽，但在高电压的应用场合，这种驱动方式成本相对较高，而且光耦传输比受温度影响比较大。隔离变压器驱动则成本比较低，不存在传输比的问题，但驱动变压器在低频驱动的场合，体积较大，无法满足小型化的需求。
二、没有脉宽限制保护。IGBT模块不光是关键的开关器件，也是个贵重的器件。有时由于控制电路本身的故障会导致驱动信号长时间有效。这样IGBT就会长时间导通，引起电路故障，甚至烧坏IGBT模块。
发明内容
本发明是要解决现有驱动电路低频驱动时体积大，没有脉宽限制保护的缺陷，提出一种带脉宽限制的IGBT驱动电路及其实现方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是设计一种带脉宽限制的IGBT驱动电路，其包括：依次连接的高频脉冲发生电路、驱动控制电路、隔离驱动电路，以及连接驱动控制电路使能端的脉宽限制电路，其中高频脉冲发生电路用于生成高频脉冲信号；脉宽限制电路连接外部脉冲信号，在外部脉冲信号到来时向驱动控制电路的使能端发出一个控制脉冲；驱动控制电路在所述控制脉冲到来时工作，将所述高频脉冲信号转换成两路互补的驱动脉冲；隔离驱动电路将所述两路互补的驱动脉冲隔离后整流形成输送给IGBT的触发脉冲。
所述高频脉冲发生电路采用555集成芯片构成的振荡电路，555集成芯片的输出管脚输出所述高频脉冲信号。
所述脉宽限制电路具有连接外部脉冲信号的信号输入端，该信号输入端连接第一电阻、第二电阻、第六电阻的一端以及第一二极管的阴极，第一电阻的另一端接地，第二电阻的另一端接第一二极管的阳极、第二电容的一端、基准电压芯片的参考极，基准电压芯片的阴极接第四电阻、第五电阻的一端以及第二场效应管的栅极，第二场效应管漏极接第七电阻、第八电阻的一端以及第三场效应管的栅极，第四电阻和第七电阻的另一端接电源，第二电容的另一端、基准电压芯片的阳极、第五电阻的另一端、第二场效应管的源极、第八电阻的另一端、第三场效应管的源极接地，第六电阻的另一端接第三场效应管的漏极并输出所述控制脉冲。
所述驱动控制电路采用双路驱动芯片，该芯片的两个输入管脚短接后连接所述高频脉冲信号，该芯片的两个输出管脚分别输出所述的两路互补的驱动脉冲。
所述隔离驱动电路具有隔离变压器，隔离变压器初级绕组的两端耦合连接所述两路互补的驱动脉冲，隔离变压器次级绕组的两端分别连接第二二极管和第三二极管的阳极，隔离变压器次级绕组具有一中间抽头，该中间抽头连接负极输出端，第二二极管和第三二极管的阴极并联后连接第十电阻的一端，第十电阻的另一端接第九电容的一端、第十二电阻的一端、第四三极管的基极、第四二极管的阳极，第四二极管的阴极接第十一电阻的一端、稳压二极管的阴极以及正极输出端，第十一电阻的另一端接第四三极管的发射极，第九电容的另一端、第十二电阻的另一端、第四三极管的集电极、稳压二极管的阳极接负极输出端，正极输出端和负极输出端向IGBT输送所述的触发脉冲。
一种带脉宽限制的IGBT驱动电路的实现方法，包括：构建依次连接的高频脉冲发生电路、驱动控制电路、隔离驱动电路，以及连接驱动控制电路使能端的脉宽限制电路，并且用高频脉冲发生电路生成高频脉冲信号；用脉宽限制电路连接外部脉冲信号，在外部脉冲信号到来时发出一个控制脉冲；驱动控制电路接到所述控制脉冲时开始转换工作，将所述高频脉冲信号转换成两路互补的驱动脉冲；隔离驱动电路对所述两路互补的驱动脉冲进行隔离和整流，形成输送给IGBT的触发脉冲。
所述驱动控制电路具有用以翻转输出的延时翻转电路，所述控制脉冲的宽度由翻转电路的充电系数确定。
所述高频脉冲信号的占空比为50%；所述驱动脉冲与高频脉冲信号的频率和占空比皆相同。
与现有技术相比，本发明隔离了控制电路与IGBT模块，缩小了自身的体积，限制了驱动脉宽。在控制电路异常，长时间输入驱动信号时，避免IGBT模块长时间导通，有效地保护了IGBT模块。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作出详细的说明，其中：
图1为本发明较佳实施例的原理框图；
图2为本发明较佳实施例的波形图；
图3为本发明较佳实施例的电路图；
图4为双路驱动芯片原理图。
具体实施方式
本发明揭示了一种带脉宽限制的IGBT驱动电路，参看图1示出的原理框图，其包括：依次连接的高频脉冲发生电路、驱动控制电路、隔离驱动电路，以及连接驱动控制电路使能端的脉宽限制电路，其中高频脉冲发生电路用于生成高频脉冲信号；脉宽限制电路连接外部脉冲信号，在外部脉冲信号到来时向驱动控制电路的使能端发出一个控制脉冲；驱动控制电路在所述控制脉冲到来时工作，将所述高频脉冲信号转换成两路互补的驱动脉冲；隔离驱动电路将所述两路互补的驱动脉冲隔离后整流形成输送给IGBT的触发脉冲。
高频脉冲发生电路主要是产生占空比为50%的高频脉冲信号，该电路可以由分立逻辑器件或集成控制芯片（如555定时器）构成的振荡电路产生；驱动控制电路是把高频脉冲发生电路输入的高频脉冲信号，转换成两路频率不变，占空比为50%，并且互补的驱动脉冲，该电路具有使能控制端，可以关断输出信号，受控于脉宽限制电路；隔离驱动电路包括隔离变压器和整流电路，把来自驱动控制电路的驱动脉冲隔离并整流产生IGBT模块的触发脉冲，同时也可以对IGBT模块的触发脉冲进行整形；脉宽限制电路在外部脉冲信号到来后发出一个控制脉冲，控制脉冲的宽度由脉宽限制电路内的充电系数控制，控制脉冲消失时，将关断高频驱动脉冲，进而导致IGBT模块的驱动电压关断，实现脉宽限制目的。
参看图3示出的较佳实施例的电路图，高频脉冲发生电路采用555集成芯片构成振荡电路，本例中555集成芯片采用LMC555CMX，其第三管脚输出所述高频脉冲信号。
参看图3示出的较佳实施例的电路图，脉宽限制电路具有连接外部脉冲信号输入端Drive，该信号输入端连接第一电阻R1、第二电阻R2、第六电阻R6的一端以及第一二极管D1的阴极，第一电阻的另一端接地，第二电阻的另一端接第一二极管的阳极、第二电容的一端、基准电压芯片U1的参考极，基准电压芯片的阴极接第四电阻R4、第五电阻R5的一端以及第二场效应管Q2的栅极，第二场效应管漏极接第七电阻R7、第八电阻R8的一端以及第三场效应管Q3的栅极，第四电阻和第七电阻的另一端接电源，第二电容的另一端、基准电压芯片的阳极、第五电阻的另一端、第二场效应管的源极、第八电阻的另一端、第三场效应管的源极接地，第六电阻的另一端接第三场效应管的漏极并输出所述控制脉冲。
参看图3示出的较佳实施例的电路图，驱动控制电路采用双路驱动芯片，该芯片的两个输入管脚短接后连接所述高频脉冲信号，该芯片的两个输出管脚分别输出所述的两路互补的驱动脉冲。在较佳实施例中双路驱动芯片采用UCC27425，图4示出了其内部原理图，有A,B两路输出，INA到OUTA是反相输出，其使能端为ENBA；INB到OUTB是同相输出，其使能端为ENBB.结合图3，其输入管脚INA和INB（第2和第4管脚）接所述控制脉冲，第6管脚（VDD）和第3管脚（GND）之间串接去耦电容C7,第1和第8输入管脚（ENBA和ENBB）接所述控制脉冲，第5和第7输出管脚（OUTB和OUTA），分别输出所述的两路互补的驱动脉冲。
参看图3示出的较佳实施例的电路图，隔离驱动电路具有隔离变压器T1，隔离变压器初级绕组的两端耦合连接所述两路互补的驱动脉冲（隔离变压器初级绕组的一端串接第8电容C8），隔离变压器次级绕组的两端分别连接第二二极管D2和第三二极管D3的阳极，隔离变压器次级绕组具有一中间抽头，该中间抽头连接负极输出端，第二二极管和第三二极管的阴极并联后连接第十电阻R10的一端，第十电阻的另一端接第九电容C9的一端、第十二电阻R12的一端、第四三极管Q3的基极、第四二极管D4的阳极，第四二极管的阴极接第十一电阻R11的一端、稳压二极管的阴极以及正极输出端，第十一电阻的另一端接第四三极管的发射极，第九电容的另一端、第十二电阻的另一端、第四三极管的集电极、稳压二极管的阳极接负极输出端，正极输出端和负极输出端向IGBT输送所述的触发脉冲。
本发明还揭示了一种带脉宽限制的IGBT驱动电路的实现方法，包括：构建依次连接的高频脉冲发生电路、驱动控制电路、隔离驱动电路，以及连接驱动控制电路使能端的脉宽限制电路，并且用高频脉冲发生电路生成高频脉冲信号；用脉宽限制电路连接外部脉冲信号，在外部脉冲信号到来时发出一个控制脉冲；驱动控制电路接到所述控制脉冲时开始转换工作，将所述高频脉冲信号转换成两路互补的驱动脉冲；隔离驱动电路对所述两路互补的驱动脉冲进行隔离和整流，形成输送给IGBT的触发脉冲。
所述驱动控制电路具有用以翻转输出的延时翻转电路，所述控制脉冲的宽度由翻转电路的充电系数确定。
所述高频脉冲信号的占空比为50%；所述驱动脉冲与高频脉冲信号的频率和占空比皆相同。
下面结合附图2、3，详述较佳实施例的工作过程：
高频脉冲发生电路中的U2（定时器LMC555）C3,C4,C5,C6和R9构成振荡器，产生占空比为50%的高频脉冲信号。驱动控制电路中的U3（型号可选用UCC27425）的第2和第4脚接收高频脉冲信号，U3的使能端1脚和8脚短后接收脉宽限制电路的控制脉冲；在控制脉冲为高电平时，U3进行脉冲转换，其5脚和7脚输出互补的驱动脉冲；驱动脉冲的频率和占空比与高频脉冲信号相同。隔离驱动电路包括隔离变压器T1，电容C8，两路互补的驱动脉冲，加到T1的初级绕组，T1的次级绕组感应出电势，经全波整流二极管D2、D3整理输出直流，后经过整形电路R10,C9,R12,D4,Q4和R11整形，然后加到IGBT的G极和E极；稳压管Z1对G极和E极的电压Vge进行限制，起保护作用。调整驱动电路的R10,R11可以调整驱动波形的上升沿和下降沿。脉宽限制电路连接的外部脉冲信号Drive为低频信号，Drive的高电位时经R6向U1输出控制脉冲（驱动控制电路开始工作），同时经过R2作用到基准电压芯片U1（较佳实施例选择AZ431，）的参考极，D1、R2、C2、Q2、Q3、R4、R5、R6、R7、R8构成延时翻转电路，Drive的高电位时电流经R2向C2充电，使C2电压上升，当C2电压达到U1内部的参考电压时，U1将把Q2的g极拉低，导致Q2关断，进而Q3开通，把R6右侧电位拉低，U3的使能端为低电位，U3停止工作，IGBT关闭。
图2示出了较佳实施例的波形图，其左列的4个波形为一组波形关系，右列的4个波形为另一组波形关系。第一至第四行分别为：外部脉冲信号（Drive）波形、控制脉冲波形、驱动脉冲波形、触发脉冲波形。
先看第一列，开机后高频脉冲发生电路始终发出高频脉冲信号，脉宽限制电路收到Drive上升沿后，控制脉冲随即发出，驱动控制电路开始将高频脉冲信号转换成两路互补的驱动脉冲，隔离驱动电路输出触发脉冲，IGBT导通；当高频脉冲信号下降沿到来时，控制脉冲也随之下降，驱动控制电路停止转换，触发脉冲随之下降，IGBT关闭。本例中R2,C2设定的最大脉宽为TLimit，Drive的宽度T1<=TLimit,那么作用到IGBT模块的实际触发脉宽就是T1。
第二列与第一列的区别在于，Drive宽度较宽，Drive的上升沿到来后，经D1、R2、C2构成的延时电路的延时，不论Drive的下降沿是否到来，控制脉冲波形都会下降，驱动控制电路停止转换，触发脉冲随之下降，IGBT关闭。本例中Drive的宽度T2>TLimit，那么作用到IGBT的实际触发脉宽就被限制在TLimit。从而有效保护了IGBT因为输入过长的驱动信号而损坏。
以上实施例仅为举例说明，非起限制作用。任何未脱离本申请精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于本申请的权利要求范围之中。
Claims (8)
1.一种带脉宽限制的IGBT驱动电路，其特征在于，包括：依次连接的高频脉冲发生电路、驱动控制电路、隔离驱动电路，以及连接驱动控制电路使能端的脉宽限制电路，其中
高频脉冲发生电路用于生成高频脉冲信号；
脉宽限制电路连接外部脉冲信号，在外部脉冲信号到来时向驱动控制电路的使能端发出一个控制脉冲；
驱动控制电路在所述控制脉冲到来时工作，将所述高频脉冲信号转换成两路互补的驱动脉冲；
隔离驱动电路将所述两路互补的驱动脉冲隔离后整流形成输送给IGBT的触发脉冲。
2.如权利要求1所述的带脉宽限制的IGBT驱动电路，其特征在于，所述高频脉冲发生电路采用555集成芯片构成的振荡电路，555集成芯片的输出管脚输出所述高频脉冲信号。
3.如权利要求2所述的带脉宽限制的IGBT驱动电路，其特征在于，所述脉宽限制电路具有连接外部脉冲信号的信号输入端，该信号输入端连接第一电阻（R1）、第二电阻（R2）、第六电阻（R6）的一端以及第一二极管（D1）的阴极，第一电阻的另一端接地，第二电阻的另一端接第一二极管的阳极、第二电容的一端、基准电压芯片（U1）的参考极，基准电压芯片的阴极接第四电阻（R4）、第五电阻（R5）的一端以及第二场效应管（Q2）的栅极，第二场效应管漏极接第七电阻（R7）、第八电阻（R8）的一端以及第三场效应管（Q3）的栅极，第四电阻和第七电阻的另一端接电源，第二电容的另一端、基准电压芯片的阳极、第五电阻的另一端、第二场效应管的源极、第八电阻的另一端、第三场效应管的源极接地，第六电阻的另一端接第三场效应管的漏极并输出所述控制脉冲。
4.如权利要求3所述的带脉宽限制的IGBT驱动电路，其特征在于，所述驱动控制电路采用双路驱动芯片，该芯片的两个输入管脚短接后连接所述高频脉冲信号，该芯片的两个输出管脚分别输出所述的两路互补的驱动脉冲。
5.如权利要求4所述的带脉宽限制的IGBT驱动电路，其特征在于，所述隔离驱动电路具有隔离变压器，隔离变压器初级绕组的两端耦合连接所述两路互补的驱动脉冲，隔离变压器次级绕组的两端分别连接第二二极管（D2）和第三二极管（D3）的阳极，隔离变压器次级绕组具有一中间抽头，该中间抽头连接负极输出端，第二二极管和第三二极管的阴极并联后连接第十电阻（R10）的一端，第十电阻的另一端接第九电容（C9）的一端、第十二电阻（R12）的一端、第四三极管（Q3）的基极、第四二极管（D4）的阳极，第四二极管的阴极接第十一电阻（R11）的一端、稳压二极管的阴极以及正极输出端，第十一电阻的另一端接第四三极管的发射极，第九电容的另一端、第十二电阻的另一端、第四三极管的集电极、稳压二极管的阳极接负极输出端，正极输出端和负极输出端向IGBT输送所述的触发脉冲。
6.一种带脉宽限制的IGBT驱动电路的实现方法，其特征在于：构建依次连接的高频脉冲发生电路、驱动控制电路、隔离驱动电路，以及连接驱动控制电路使能端的脉宽限制电路，并且
用高频脉冲发生电路生成高频脉冲信号；
用脉宽限制电路连接外部脉冲信号，在外部脉冲信号到来时发出一个控制脉冲；
驱动控制电路接到所述控制脉冲时开始转换工作，将所述高频脉冲信号转换成两路互补的驱动脉冲；
隔离驱动电路对所述两路互补的驱动脉冲进行隔离和整流，形成输送给IGBT的触发脉冲。
7.如权利要求6所述的带脉宽限制的IGBT驱动电路的实现方法，其特征在于：所述驱动控制电路具有用以翻转输出的延时翻转电路，所述控制脉冲的宽度由翻转电路的充电系数确定。
8.如权利要求7所述的带脉宽限制的IGBT驱动电路的实现方法，其特征在于：所述高频脉冲信号的占空比为50%；所述驱动脉冲与高频脉冲信号的频率和占空比皆相同。
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