CN103973084A - 一种用于串联谐振大功率igbt模块驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于串联谐振大功率IGBT模块驱动电路，包括DC/DC隔离电源电路、光耦隔离电路、逻辑控制电路、PWM信号功率放大电路；DC/DC隔离电源电路连接光耦隔离电路、逻辑控制电路及PWM信号功率放大电路，光耦隔离电路在电气上隔离前端PWM信号输出电路与PWM信号功率放大电路，逻辑控制电路使PWM信号功率放大电路对PWM信号进行电流放大且输出在IGBT栅极与发射极间产生正开通电压与负关断电压。本发明电路结构简单、成本低、驱动功率容量大、实用范围广、性能可靠。

Description

一种用于串联谐振大功率IGBT模块驱动电路

技术领域

本发明涉及一种用于串联谐振大功率IGBT模块驱动电路，主要用于大功率逆变电路。

背景技术

随着生产的发展，逆变技术向着大功率、高电压方向发展，传统的逆变开关器件（晶闸管）逐渐由高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性能的IGBT所替代，逆变控制技术使逆变开关器件从硬开关向软开关转变。实现逆变电路中的开关器件工作在软开关，可使逆变电路工作在串联谐振状态，逆变电路中开关器件工作在软开关状态理论上可使开关器件工作零开通与零关断损耗，然而实际上由于大功率IGBT栅极和发射极间较大的寄生电容会使驱动脉冲的上升沿与下降沿产生时间延迟，从而使逆变开关器件产生开通与关断损耗，为了减少开通与关断损耗这就要求需IGBT驱动电路能提供较大的驱动功率。目前市场上大多IGBT驱动器厂商，例如西门子、富士康、英飞凌等生产的IGBT驱动器价格昂贵、电路结构复杂、不利于维修，而且其中还不乏有一些驱动器同时需要正值直流电源和负值直流电源。如中国专利申请号为201220733397.1，名称为IGBT的驱动电路的公开文献，其披露一种IGBT的驱动电路，虽然其电路结构简单，但是一个IGBT的驱动需要两个DC/DC电源，增加电路制作成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于串联谐振大功率IGBT模块驱动电路，具有电路结构简单、成本低、可靠性高、驱动容量大的特点。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种用于串联谐振大功率IGBT模块驱动电路，包括DC/DC隔离电源电路、光耦隔离电路、逻辑控制电路和PWM信号功率放大电路；

所述DC/DC隔离电源电路，用于供给光耦隔离电路、逻辑控制电路及PWM信号功率放大电路直流电压，

所述光耦隔离电路，用于在电气上隔离前端PWM信号输出电路与所述PWM信号功率放大电路，

所述逻辑控制电路，用于控制所述PWM信号功率放大电路对PWM信号进行电流放大且输出在IGBT栅极与发射极间产生正开通电压与负关断电压。

优选的，所述DC/DC隔离电源电路包括驱动信号产生电路，全桥驱动电路，功率推挽电路和全桥整流滤波电路；

所述驱动信号产生电路包括驱动信号产生集成芯片U1、电阻R1、R2、R3、R4、电容C1、C2，其中电阻R1、R2、R3、R4一端分别连接U1的10、6、13、12脚，电阻R1、R2另一端连接VCC电源地，电阻R3、R4另一端连接电源VCC,电容C1、C2一端连接U1的9、7脚另一端连接VCC电源地，U1的1、2、4、5、14、11脚连接VCC电源地，U1的15脚连接电源VCC，U1的16与9脚相连接，U1的13与12脚输出驱动控制信号，

所述全桥驱动电路包括逻辑变换驱动集成芯片U2、U3、电容C3、C4，其中U2的2、4脚分别连接U1的13、12脚，U2的7、5脚分别与U3的2、4脚连接，电容C3一端与U2的6脚连接电源VCC，电容C3另一端与U2的3脚连接VCC电源地，电容C4一端与U3的6脚连接电源VCC，电容C4另一端与U3的3脚连接VCC电源地，

所述功率推挽电路包括场效应管Q1、Q2、Q3、Q4、电容C5，其中场效应管Q1、Q2、Q3、Q4的栅极分别连接U3的7脚、U2的5脚、U3的5脚、U2的7脚，电容C5正极与Q3源极连接电源VCC，另一端与Q2源极连接VCC电源地，场效应管Q1源极与电源VCC连接，Q1漏极与Q2漏极连接，场效应管Q4源极与VCC电源地连接，Q4漏极与Q3漏极连接，

所述全桥整流滤波电路包括电源隔离变压器TA、二极管D1、D2、D3、D4、电容C6、C7，其中二极管D1、D2、D3、D4电容C6、C7组成的整流滤波电路，电源隔离变压器TA初级的一端与场效应管Q1漏极连接，另一端与场效应管Q3漏极连接，电源隔离变压器TA次级输出到整流滤波电路，所述全桥整流滤波电路输出直流电压+15V。

优选的，所述光耦隔离电路包括高速开关电路，信号隔离电路，

所述高速开关电路包括电阻R5、R6、电容C8、三极管Q0，其中电阻R5电容C8一端同时连接PWM信号输入端，电阻R5电容C8另一端同时连接三极管Q0基极，三极管Q0集电极与发射极分别连接电源VCC与高速光耦U4的1脚，电阻R6一端连接U4的3脚，另一端连接VCC电源地；

所述信号隔离电路包括高速光耦U4、电阻R7，其中高速光耦U4的6脚连接+15V电源与电阻R7一端，电阻R7另一端连接U4的5脚，高速光耦U4的4脚连接+15V电源地。

优选的，所述逻辑控制电路包括逻辑变换驱动集成芯片U5、电容C9，其中逻辑变换驱动集成芯片U5的2、4脚与高速光耦U4的5脚连接，电容C9一端与U5的6脚连接+15V电源，电容C9另一端与U5的3脚连接+15V电源地，U5的7、5脚输出连接所述信号功率放大电路。

优选的，所述信号功率放大电路包括场效应管Q5、Q6、Q7、Q8电容C10、C11电阻R8、R9、R10、R11、R12发光二极管LED1、LED2双向瞬态抑制二极管D5，U5的7脚连接场效应管Q5、Q6的栅极，U5的5脚连接场效应管Q7、Q8的栅极，其中电容C10、C11一端分别与场效应管Q5、Q7的源极连接+15V电源，电容C10、C11另一端分别与场效应管Q6、Q8的源极连接+15V电源地，电阻R8、R9、R10、R11一端分别连接场效应管Q5、Q6、Q7、Q8的漏极，电阻R8、R9另一端与电阻R12的一端及双向瞬态抑制二极管D5的一端连接，电阻R10、R11另一端与发光二极管LED1的负极LED2的正极及双向瞬态抑制二极管D5的另一端连接，发光二极管LED1的正极LED2的负极与电阻R12的另一端连接，IGBT模块VT1的栅极与发射极与双向瞬态抑制二极管两端并联连接。

优选的，所述驱动信号产生集成芯片U1为集成芯片LM2524，所述逻辑变换驱动集成芯片U2、U3为集成芯片TC4426，所述电源隔离变压器TA初级与次级隔离电压为2000V，工作频率为50～100kHz。

优选的，所述高速光耦U4为集成芯片TLP105。所述逻辑变换驱动集成芯片U5为集成芯片TC4428。

本发明的优点是：电路结构简单、成本低、驱动功率容量大、实用范围广、性能可靠。

附图说明

图1是本发明实施例原理图；

图2是本发明DC/DC隔离电源电路波形示意图；

图3是本发明IGBT驱动波形示意图；

图4是本发明适用于半桥串联谐振IGBT驱动示意图。其中的L是谐振电感、C是谐振电容、T是负载变压器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行进一步详尽的描述。

如图1所示，一种用于串联谐振大功率IGBT模块驱动电路，包括有DC/DC隔离电源电路、光耦隔离电路、逻辑控制电路、PWM信号功率放大电路；DC/DC隔离电源电路供给光耦隔离电路、逻辑控制电路及PWM信号功率放大电路直流电压，光耦隔离电路在电气上隔离前端PWM信号输出电路与PWM信号功率放大电路，逻辑控制电路使PWM信号功率放大电路对PWM信号进行电流放大且输出在IGBT栅极与发射极间产生正开通电压与负关断电压。

DC/DC隔离电源电路包括驱动信号产生集成芯片U1及电阻R1、R2、R3、R4、电容C1、C2组成的驱动信号产生电路；逻辑变换驱动集成芯片U2、U3、电容C3、C4组成的全桥驱动电路；场效应管Q1、Q2、Q3、Q4、电容C5组成的功率推挽电路；电源隔离变压器TA及二极管D1、D2、D3、D4、电容C6、C7组成的全桥整流滤波电路结合而成。驱动信号产生电路中U1LM2524的13、12脚输出一对驱动信号D1、D2频率80kHz。全桥驱动电路中逻辑变换驱动集成芯片U2、U3是TC4426，驱动信号D1、D2分别连接所述逻辑变换驱动集成芯片U2TC4426的2、4脚，逻辑变换驱动集成芯片U2TC4426的7、5脚分别连接逻辑变换驱动集成芯片U3TC4426的2、4脚，逻辑变换驱动集成芯片U2、U3TC4426的7、5脚分别输出K1、K2、K3、K4独立的4路驱动信号，K1、K2、K3、K4独立的4路驱动信号分别连接场效应管Q4、Q2、Q1、Q3的栅极，场效应管Q1、Q3源极连接VCC电源，场效应管Q2、Q4源极连接VCC电源地，场效应管Q1、Q2场效应管Q3、Q4漏极相连接，极性电容C5的正极与负极分别连接Q2、Q3的源极，场效应管Q1、Q2、Q3、Q4属于电压型控制器件，K1、K2、K3、K4独立的4路驱动信号使Q1与Q4和Q3与Q2分时同时导通，在电源隔离变压器TA初级产生80kHz的+VCC至-VCC的高频方波电压Vta，全桥整流滤波电路对80kHz高频方波电压整流滤波得到+15V电源，全桥整流滤波电路比较其它结构整流滤波电路形式能输出更大功率，在本实例中+15V电源功率为10W，可驱动400A/1200V大功率IGBT，+15V电源与VCC电源相互隔离，隔离电压2500V。

下面结合图2对DC/DC隔离电源电路波形示意图进行进一步说明。

如图2所示波形中D1、D2是U1LM2524的13、12脚输出的两路驱动波形，D1、D2两路驱动波形分别连接U2TC4426的2、4脚，通过U2TC4426的逻辑变换分别从U2TC4426的7、5脚输出K1、K2互补驱动信号。K1、K2互补驱动信号一方面连接Q4、Q2的栅极，另一方面连接U3TC4426的2、4脚通过U3TC4426的逻辑变换分别从U3TC4426的7、5脚输出K3、K4互补驱动信号，K3、K4互补驱动信号连接Q1、Q3的栅极。从波形示图中可以看出K1与K4、K2与K3是两组相同的驱动信号，K1、K4与K2、K3互补驱动信号之间有驱动死区时间△t=t2-t1或△t=t4-t3。如图2所示，在t2至t3时间段驱动信号K1与K4使Q3场效应管导通、Q4场效应管不导通，驱动信号K2与K3使Q2场效应管导通、Q1场效应管不导通，电流从电源VCC流经Q3场效应管、电源隔离变压器TA、Q2场效应管到VCC电源地。在t4至t5时间段驱动信号K1与K4使Q3场效应管不导通、Q4场效应管导通，驱动信号K2与K3使Q2场效应管不导通、Q1场效应管导通，电流从电源VCC流经Q1场效应管、电源隔离变压器TA、Q4场效应管到VCC电源地。如此反复即在电源隔离变压器TA初级产生+VCC至-VCC的高频方波电压Vta，电源隔离变压器TA次级输出连接二极管D1、D2、D3、D4、电容C6、C7组成的全桥整流滤波电路得到+15V电源。此电路的优点在于；场效应管Q1、Q2、Q3、Q4的驱动电路不需要做隔离处理，通过U2、U3TC4426的逻辑变换即可使驱动信号K1、K4与K2、K3之间产生驱动死区时间△t。

光耦隔离电路包括电阻R5电容C8三级管Q0和限流电阻R6组成的PWM信号加速电路，三极管Q0是NPN型高速三极管，电阻R5电容C8一端连接PWM输入信号，另一端连接三极管Q0基极，三极管集电极与发射极分别连接VCC电源与高速光耦U4的1脚，高速光耦U4的1脚连接所述限流电阻R6到VCC电源地，高速光耦U4是TLP105，包括高速隔离光耦U4TLP105和上拉电阻R7组成的PWM信号隔离电路，高速隔离光耦U4TLP105的6脚与电阻R7连接+15V电源，U4TLP105的5脚连接电阻R7另一端，U4TLP105的4脚连接+15V电源地，PWM信号加速电路把输入PWM信号延时减小，信号延时时间小于10Ns,所述PWM信号隔离电路把输入PWM信号通过光耦隔离在U4TLP105的5脚上输出隔离信号PWM1，所述信号PWM1与所述输入PWM信号在电气上隔离，隔离电压3750Vrms。

逻辑控制电路包括逻辑变换驱动集成芯片U5TC4428与电容C9组成，所述逻辑变换驱动集成芯片U5TC4428的2、4脚连接所述隔离信号PWM1，U5TC4428的6脚与电容C9连接+15V电源，U5TC4428的3脚与电容C9另一端连接+15V电源地，U5TC4428的7、5脚输出电平互为相反值的信号与PWM1B信号。

PWM信号功率放大电路包括场效应管Q5、Q6、Q7、Q8电容C10、C11电阻R8、R9、R10、R11、R12发光二极管LED1、LED2瞬态抑制二极管D5，信号连接场效应管Q5、Q6的栅极，PWM1B信号连接所述场效应管Q7、Q8的栅极，场效应管Q5、Q7的源极分别与电容C10、C11一端连接+15V电源，场效应管Q6、Q8的源极分别与电容C10、C11另一端连接+15V电源地，场效应管Q5、Q6、Q7、Q8的漏极分别与电阻R8、R9、R10、R11一端连接，电阻R8、R9另一端与电阻R12及双向瞬态抑制二极管D5连接，电阻R10、R11另一端与发光二级管LED1负极LED2正极及双向瞬态抑制二极管D5另一端连接，发光二级管LED1正极LED2负极与电阻R12另一端连接，双向瞬态抑制二极管D5并连接IGBT VT1的栅极与发射极，双向瞬态抑制二极管D5两端是IGBT模块VT1驱动信号Vg，双向瞬态抑制二极管D5在电路中主要箝位IGBT栅极与发射极端电压保护IGBT正常工作。PWM信号功率放大电路的有益效果是：所述场效应管Q5、Q8与场效应管Q6、Q7分时同时导通，在双向瞬态抑制二极管D5两端产生+15V的驱动开通IGBT信号与-15V的驱动IGBT关断信号；发光二极管LED1在所述+15V的驱动开通信号时点亮，发光二极管LED2在-15V的驱动关断信号时点亮，发光二极管LED1、LED2在电路中可指示+15V的驱动开通IGBT信号与-15V的驱动IGBT关断信号正常与否，电路故障可由此快速找到故障点便于维修；前端PWM输出信号电路在保护状态时输出PWM信号为零电平，所述IGBT驱动信号Vg始终保持输出-15V的驱动关断信号以免IGBT误动作。

下面结合图3IGBT驱动波形示意图进一步说明。如图3中所示PWM输入信号经过光耦隔离电路在U4TLP105的5脚上输出隔离信号PWM1，隔离信号PWM1与输入PWM信号相位同相且在电气上相互隔离。U4TLP105的5脚上输出隔离信号PWM1与U5TC4428的2、4脚连接，通过U5TC4428的逻辑变换使U5TC4428的7脚与5脚分别输出与PWM1B信号，信号连接Q5与Q6的栅极PWM1B信号连接Q7与Q8的栅极，与PWM1B信号电平是互为相反值。如图3所示；在t0至t1时间段信号使Q5场效应管导通，Q6场效应管不导通，PWM1B信号使Q8场效应管导通，Q7场效应管不导通，电流从电源+15V流经Q5场效应管、电阻R8、电阻R12、发光二极管LED1、电阻R11、Q8场效应管到+15V电源地。在t1至t2时间段信号使Q6场效应管导通，Q5场效应管不导通，PWM1B信号使Q7场效应管导通，Q8场效应管不导通，电流从电源+15V流经Q7场效应管、电阻R10、发光二极管LED2、电阻R12、电阻R9、Q6场效应管到+15V电源地。如此反复即在双向瞬态抑制二极管D5两端也就是IGBT栅极与发射极之间产生+15V的IGBT开通电压，-15V的IGBT关断电压。从波形示图中还可以看出当PWM输入信号消失，在IGBT栅极与发射极之间始终是-15V的IGBT关断电压。

图4列举了一种用于串联谐振大功率IGBT模块驱动电路，在半桥谐振逆变电路中的应用，本领域技术人员应该理解电路工作原理，故不再赘述。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种用于串联谐振大功率IGBT模块驱动电路，其特征在于：包括DC/DC隔离电源电路、光耦隔离电路、逻辑控制电路和PWM信号功率放大电路；

所述DC/DC隔离电源电路，用于供给光耦隔离电路、逻辑控制电路及PWM信号功率放大电路直流电压，

所述光耦隔离电路，用于在电气上隔离前端PWM信号输出电路与所述PWM信号功率放大电路，

所述逻辑控制电路，用于控制所述PWM信号功率放大电路对PWM信号进行电流放大且输出在IGBT栅极与发射极间产生正开通电压与负关断电压。

2.根据权利要求1所述的用于串联谐振大功率IGBT模块驱动电路，其特征在于：所述DC/DC隔离电源电路包括驱动信号产生电路，全桥驱动电路，功率推挽电路和全桥整流滤波电路；

所述驱动信号产生电路包括驱动信号产生集成芯片U1、电阻R1、R2、R3、R4、电容C1、C2，其中电阻R1、R2、R3、R4一端分别连接U1的10、6、13、12脚，电阻R1、R2另一端连接VCC电源地，电阻R3、R4另一端连接电源VCC,电容C1、C2一端连接U1的9、7脚另一端连接VCC电源地，U1的1、2、4、5、14、11脚连接VCC电源地，U1的15脚连接电源VCC，U1的16与9脚相连接，U1的13与12脚输出驱动控制信号，

所述全桥驱动电路包括逻辑变换驱动集成芯片U2、U3、电容C3、C4，其中U2的2、4脚分别连接U1的13、12脚，U2的7、5脚分别与U3的2、4脚连接，电容C3一端与U2的6脚连接电源VCC，电容C3另一端与U2的3脚连接VCC电源地，电容C4一端与U3的6脚连接电源VCC，电容C4另一端与U3的3脚连接VCC电源地，

所述功率推挽电路包括场效应管Q1、Q2、Q3、Q4、电容C5，其中场效应管Q1、Q2、Q3、Q4的栅极分别连接U3的7脚、U2的5脚、U3的5脚、U2的7脚，电容C5正极与Q3源极连接电源VCC，另一端与Q2源极连接VCC电源地，场效应管Q1源极与电源VCC连接，Q1漏极与Q2漏极连接，场效应管Q4源极与VCC电源地连接，Q4漏极与Q3漏极连接，

所述全桥整流滤波电路包括电源隔离变压器TA、二极管D1、D2、D3、D4、电容C6、C7，其中二极管D1、D2、D3、D4电容C6、C7组成的整流滤波电路，电源隔离变压器TA初级的一端与场效应管Q1漏极连接，另一端与场效应管Q3漏极连接，电源隔离变压器TA次级输出到整流滤波电路，所述全桥整流滤波电路输出直流电压+15V。

3.根据权利要求1所述的用于串联谐振大功率IGBT模块驱动电路，其特征在于：所述光耦隔离电路包括高速开关电路，信号隔离电路，

所述高速开关电路包括电阻R5、R6、电容C8、三极管Q0，其中电阻R5电容C8一端同时连接PWM信号输入端，电阻R5电容C8另一端同时连接三极管Q0基极，三极管Q0集电极与发射极分别连接电源VCC与高速光耦U4的1脚，电阻R6一端连接U4的3脚，另一端连接VCC电源地；

所述信号隔离电路包括高速光耦U4、电阻R7，其中高速光耦U4的6脚连接+15V电源与电阻R7一端，电阻R7另一端连接U4的5脚，高速光耦U4的4脚连接+15V电源地。

4.根据权利要求3所述的用于串联谐振大功率IGBT模块驱动电路，其特征在于：所述逻辑控制电路包括逻辑变换驱动集成芯片U5、电容C9，其中逻辑变换驱动集成芯片U5的2、4脚与高速光耦U4的5脚连接，电容C9一端与U5的6脚连接+15V电源，电容C9另一端与U5的3脚连接+15V电源地，U5的7、5脚输出连接所述信号功率放大电路。

5.根据权利要求4所述的用于串联谐振大功率IGBT模块驱动电路，其特征在于：所述信号功率放大电路包括场效应管Q5、Q6、Q7、Q8电容C10、C11电阻R8、R9、R10、R11、R12发光二极管LED1、LED2双向瞬态抑制二极管D5，U5的7脚连接场效应管Q5、Q6的栅极，U5的5脚连接场效应管Q7、Q8的栅极，其中电容C10、C11一端分别与场效应管Q5、Q7的源极连接+15V电源，电容C10、C11另一端分别与场效应管Q6、Q8的源极连接+15V电源地，电阻R8、R9、R10、R11一端分别连接场效应管Q5、Q6、Q7、Q8的漏极，电阻R8、R9另一端与电阻R12的一端及双向瞬态抑制二极管D5的一端连接，电阻R10、R11另一端与发光二极管LED1的负极LED2的正极及双向瞬态抑制二极管D5的另一端连接，发光二极管LED1的正极LED2的负极与电阻R12的另一端连接，IGBT模块VT1的栅极与发射极与双向瞬态抑制二极管两端并联连接。

6.根据权利要求2至5之一所述用于串联谐振大功率IGBT模块驱动电路，其特征在于：所述驱动信号产生集成芯片U1为集成芯片LM2524，所述逻辑变换驱动集成芯片U2、U3为集成芯片TC4426，所述电源隔离变压器TA初级与次级隔离电压为2000V，工作频率为50～100kHz。

7.根据权利要求6所述用于串联谐振大功率IGBT模块驱动电路，其特征在于：所述高速光耦U4为集成芯片TLP105。

8.根据权利要求7所述用于串联谐振大功率IGBT模块驱动电路，其特征在于：所述逻辑变换驱动集成芯片U5为集成芯片TC4428。