CN104135274A - 一种电磁耦合式大功率驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁耦合式大功率驱动电路，包括依次相连的移相全桥脉冲信号产生电路、信号隔离放大电路及IGBT驱动电路，其中所述信号隔离放大电路由高速门极驱动芯片、第一脉冲变压器、两个半桥电路组成，所述移相全桥脉冲信号产生电路产生的脉冲信号通过高速门极驱动芯片进行第一级放大后，由第一脉冲变压器隔离变换成相位相反的两路驱动脉冲信号；所述相位相反的两路驱动脉冲信号分别经两个半桥电路再次放大后，由IGBT驱动电路再次隔离，直至隔离到待驱动电路中IGBT所在的电压幅值范围内时输出。本发明实现了控制电路和功率电路高电压量级的电气隔离，又实现了信号的高速、有效传输，方便扩展输出功率,有效抑制电磁干扰。

Description

一种电磁耦合式大功率驱动电路

技术领域

本发明涉及一种电磁耦合式大功率驱动电路，属于相移式开关电源领域的技术领域。

背景技术

随着电力电子技术的飞速发展，IGBT的应用日益广泛，驱动电路的设计要使IGBT具有好的开关特性，同时也要保证IGBT安全可靠地工作。

目前常用集成驱动电路的不足是：需要提供单独浮地电源,使用不方便；采用光电隔离,工作频率低(一般不超过40kHz)；需要外接许多分离元件,价格昂贵等。

采用脉冲变压器隔离可以提高隔离电压耐量，同时成本方面又相对较低，可靠性高，传输延迟小，对共模信号的抑制能力强，可以实现较高的开关频率，不存在老化的问题，因此采用脉冲变压器作为隔离元件来完成驱动信号的隔离传输具有一定的优势。目前常见的脉冲变压器隔离传输脉冲信号方式是将一对极性相反、相位相差180°且有死区时间的脉冲信号完整耦合到次级后驱动IGBT，IGBT桥臂死区的产生通过在变压器初级增加辅助电路将驱动电压钳位形成，或在变压器次级通过外加延时电路将驱动信号延时来满足死区要求，或者采用调制驱动脉冲信号的方法，将其上升沿和下降沿转换为两个同相或反相的窄脉冲信号，脉冲变压器只是将这两个脉冲信号耦合到次级，再通过次级解调重构的方法还原驱动脉冲信号。上述方法存在电路复杂、可靠性差、难以灵活应用于多个模块化电源任意组合的场合。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种电磁耦合式大功率驱动电路，信号脉冲通过信号隔离放大电路的高速门极驱动芯片、脉冲变压器、半桥电路隔离放大，既实现了控制电路和功率电路高电压量级的电气隔离，采用了脉冲变压器这种无源驱动方式，在驱动电路中不需要再提供单独的浮地电源，可灵活驱动多个同步工作的开关电源的主功率器件，满足电源模块化组合的需要。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种电磁耦合式大功率驱动电路，包括依次相连的移相全桥脉冲信号产生电路、信号隔离放大电路及IGBT驱动电路，其中所述信号隔离放大电路由高速门极驱动芯片、第一脉冲变压器、两个半桥电路组成，所述移相全桥脉冲信号产生电路产生的脉冲信号通过高速门极驱动芯片进行第一级放大后，由第一脉冲变压器隔离变换成相位相反的两路驱动脉冲信号；所述相位相反的两路驱动脉冲信号分别经两个半桥电路再次放大后，由IGBT驱动电路再次隔离，直至隔离到待驱动电路中IGBT所在的电压幅值范围内时输出。

作为本发明的一种优选技术方案：所述IGBT驱动电路由若干组并联的IGBT驱动电路组成，所述经再次放大后的脉冲信号提供于每组IGBT驱动电路各自进行再次隔离。

作为本发明的一种优选技术方案：所述移相全桥脉冲信号产生电路根据待驱动电路的数量产生若干组电气隔离的同步脉冲信号。

作为本发明的一种优选技术方案：所述每个IGBT驱动电路包括第二脉冲变压器和用于阻挡第二脉冲变压器初级过流对并联的IGBT驱动电路形成回路的限流电阻。

作为本发明的一种优选技术方案：所述每个IGBT驱动电路还包括用于限制输出的驱动脉冲信号幅值的稳压管。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

(1)本发明的电磁耦合式大功率驱动电路，系统中所有同步工作电源的移相控制在移相全桥脉冲信号产生电路集中完成，脉冲信号通过信号隔离放大电路的高速门极驱动芯片、脉冲变压器、半桥电路隔离放大，脉冲信号经过了上述两级隔离和放大，能有效抑制共模干扰，显著提高信号的隔离电压耐量，既实现了控制电路和功率电路高电压量级的电气隔离，又实现了信号的高速、有效传输，传输延迟小，对共模信号的抑制能力强，可以实现较高的开关频率（几十kHz）。电路中多处采取抗干扰处理，整体设计简单实用，稳定可靠。

(2)将脉冲变压器应用于本发明的电磁耦合式大功率驱动电路，创新地应用电磁耦合方式将若干路驱动脉冲信号独立传输实现了驱动脉冲信号的高可靠传输与高电压耐量隔离，并且应用此电路可以轻松实现多台大功率相移式全桥电源通过并联驱动的方式同步工作，以方便扩展输出功率。由于采用了脉冲变压器这种无源驱动方式，在驱动电路中不需要再提供单独的浮地电源。将若干路驱动脉冲信号独立传输，可以不采用任何辅助电路来产生或重构死区时间。

(3)能有效提高系统的可靠性，特别是应用于大功率电源场合，在复杂的电磁环境下能有效抑制电磁干扰，同时电路形式简单，相对目前传统的电磁耦合式驱动电路明显简化了电路、降低了成本，应用在多台大功率相移式全桥电源同步工作的场合具有显著的优势。

附图说明

图1为本发明的电磁耦合式大功率驱动电路的电路结构图。

图2为本发明的电磁耦合式大功率驱动电路中信号隔离放大电路的电路结构图。

图3为本发明的电磁耦合式大功率驱动电路中IGBT驱动电路的电路结构图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

 如图1所示，本发明设计了一种电磁耦合式大功率驱动电路，包括依次相连的移相全桥脉冲信号产生电路、信号隔离放大电路及IGBT驱动电路，其中移相全桥脉冲信号产生电路用于产生具有一定死区时间的脉冲信号，信号隔离放大电路用于将该脉冲信号隔离放大；所述信号隔离放大电路由高速门极驱动芯片、第一脉冲变压器、两个半桥电路组成，所述移相全桥脉冲信号产生电路产生的脉冲信号通过高速门极驱动芯片进行第一级放大；所述经第一级放大后的脉冲信号由第一脉冲变压器隔离变换成相位相反的两路驱动脉冲信号；所述相位相反的两路驱动脉冲信号分别经两个半桥电路再次放大；所述经再次放大后的驱动脉冲信号由IGBT驱动电路再次隔离，直至隔离到待驱动电路的IGBT所在的电压幅值范围内时输出以驱动待驱动电路中的IGBT。脉冲信号经过了上述两级隔离和放大，能有效抑制共模干扰，显著提高信号的隔离电压耐量，同时该电路特性决定了脉冲信号的传输延迟小、工作可靠。

  以下以移相全桥脉冲信号产生电路产生4路具有一定死区时间的脉冲信号a、b、c、d为实施例说明。

如图1所示，移相全桥脉冲信号由移相全桥脉冲信号产生电路的移相控制芯片UC3875产生4路具有一定死区时间的信号脉冲a、b、c、d，这4路信号在电气上相互隔离，时间上同步，即为4路同步脉冲信号。这4路脉冲信号分别经过图2所示的信号隔离放大电路变换成幅值较高的4路驱动脉冲信号A、B、C、D。

 信号隔离放大电路电路结构如图2所示，包括第一电阻R1、 第二电阻R2、第三电阻R3、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、第一电容C1、第二电容C2 、隔直电容C3、 第四电容C4、第五电容C5、高速门极驱动芯片N1、第一脉冲变压器T1、第一稳压管V1、第二稳压管V2、第三稳压管V3、第四稳压管V4、第一开关管Q1、第二开关管Q2，其中所述第一脉冲变压器T1包括输入端和第一输出端、第二输出端，所述输入端、第一输出端和第二输出端均包括第一端和第二端；如图2所示，可将第一脉冲变压器T1的1引脚作为输入端的一端，第一脉冲变压器T1的2引脚作为输入端的另一端，第一脉冲变压器T1的3引脚作为第一输出端的第一端，第一脉冲变压器T1的4引脚作为第一输出端的第二端，第一脉冲变压器T1的5引脚作为第二输出端的第一端，第一脉冲变压器T1的6引脚作为第二输出端的第二端；而对于高速门极驱动芯片N1，包括8个引脚，其中高速门极驱动芯片N1的1和8引脚作为电源端，高速门极驱动芯片N1的4和5引脚作为接地端，高速门极驱动芯片N1的2和3引脚作为输入端，高速门极驱动芯片N1的6和7引脚作为输出端。所述脉冲信号的正端通过第一电阻R1与高速门极驱动芯片N1的2引脚连接，高速门极驱动芯片N1的2、3引脚短接；所述第二电阻R2和第一电容C1并联在高速门极驱动芯片N1的2引脚和参考地GND之间；所述脉冲信号的负端连接参考地GND；所述高速门极驱动芯片N1的1、8引脚与正电源+15V连接，所述正电源+15V通过第二电容C2与参考地GND连接；所述高速门极驱动芯片N1的4、5引脚接参考地GND；所述高速门极驱动芯片N1的6、7引脚短接，高速门极驱动芯片N1的6引脚通过隔直电容C3连接到第一脉冲变压器T1的1引脚；所述第一脉冲变压器T1的2引脚连接参考地GND，第一脉冲变压器T1的3引脚连接第一开关管Q1的E极，第一脉冲变压器T1的4引脚通过第三电阻R3连接第一开关管Q1的G极，所述第一稳压管V1与第三电阻R3并联；所述第三稳压管V3和第五电阻R5并联在第一开关管Q1的E极和G极；所述第一开关管Q1的C极连接至正电源；所述第一脉冲变压器T1的5引脚通过第四电阻R4连接第二开关管Q2的G极，第一脉冲变压器T1的6引脚连接第二开关管Q2的E极，所述第二稳压管V2与第四电阻R4并联；所述第四稳压管V4、第六电阻R6并联在第二稳压管V2的E极和G极；所述第四电容C4的正端连接正电源，第四电容C4的负端连接第五电容C5的正端，所述第七电阻R7与第四电容C4并联；所述第五电容C5的负端连接负电源，第八电阻R8与第五电容C5并联；且第一开关管Q1的E极与第二开关管Q2的C极相连，第四电容C4的负端为输出脉冲信号的正端，第二开关管Q2的C极为输出脉冲信号的负端。以移相控制芯片产生的脉冲信号a为例，由脉冲信号a经R1送至高速门极驱动芯片N1的输入端，高速门极驱动芯片N1输出的放大后的脉冲信号经过隔直电容C3后到达第一脉冲变压器T1的初级，在第一脉冲变压器T1次级产生两组极性相反的脉冲信号，这两组脉冲信号分别去驱动第一开关管Q1和第二开关管Q2两只MOSFET，第一开关管Q1、第二开关管Q2、第四电容C4、第五电容C5组成半桥电路，借助外接电源将脉冲信号增强为幅值2HV的驱动脉冲信号A。

IGBT驱动电路的电路结构如图3所示，包括限流电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第二脉冲变压器T2、第五稳压管V5，其中所述第二脉冲变压器T2包括输入端和输出端，输入端和输出端均包括两端，如图所示，将第二脉冲变压器T2的1引脚作为输入端的一端，第二脉冲变压器T2的2引脚作为输入端的另一端，第二脉冲变压器T2的3引脚作为输出端的一端，第二脉冲变压器T2的4引脚作为输出端的另一端。所述经信号隔离放大电路输出的驱动脉冲信号的正端通过限流电阻R9连接第二脉冲变压器T2的1引脚，驱动脉冲信号的负端连接第二脉冲变压器T2的2引脚，第二脉冲变压器T2的3引脚通过第十电阻R10连接待驱动的IGBT管V6的G极，第二脉冲变压器T2的4引脚连接待驱动的IGBT管V6的E极；所述第五稳压管V5和第十一电阻R11并联在待驱动电路中IGBT的V6的G极和E极；经过前级电路放大的较强驱动脉冲信号A经过限流电阻R9送至第二脉冲变压器T2的初级，通过第二脉冲变压器T2降压后驱动一只IGBT管。在生成4路独立的同步脉冲信号时，放大后的驱动脉冲信号A、B、C、D都分别经过IGBT驱动电路即可驱动全桥电路的4只IGBT管。当需要进行功率扩展时，IGBT驱动电路的并联方式如图1所示，信号隔离放大电路输出的驱动脉冲信号A可作为多个IGBT驱动电路的输入信号A并联使用，信号隔离放大电路输出的驱动脉冲信号B可作为多个IGBT驱动电路的输入信号B并联使用，信号隔离放大电路输出的驱动脉冲信号C可作为多个IGBT驱动电路的输入信号C并联使用，信号隔离放大电路输出的驱动脉冲信号D可作为多个IGBT驱动电路的输入信号D并联使用。4路移相脉冲信号相互独立传输并经过二次隔离和放大，可以根据应用需求，该电磁耦合式大功率驱动电路可并联驱动多组全桥电路IGBT管，以达到扩展输出功率的目的。进一步地，在第二脉冲变压器T2初级串联了限流电阻R9，以防止某一路IGBT的G极短路造成变压器初级过流对并联的其它驱动回路的影响。 以及待驱动的IGBT的G极和E极并联了正反向稳压管，将驱动脉冲信号限幅在合理范围以内，保证开关管安全。

本实施例的工作原理如下，由移相控制芯片UC3875产生的每一路脉冲信号（例如脉冲信号a），通过高速门极驱动芯片N1进行第一级放大。经过第一级放大以后的每一路脉冲信号由第一脉冲变压器T1隔离变换成相位相反的两路低功率驱动脉冲信号，该相位相反的两路驱动脉冲信号分别驱动半桥电路的两个低功率开关管。半桥电路将脉冲信号再次放大为幅值较高的功率脉冲信号（驱动脉冲信号A）。选择适当的驱动电阻、设计适当的脉冲变压器参数是维持脉冲波形及死区时间的关键。这样，移相控制芯片UC3875产生的4路脉冲信号都经过信号隔离放大电路，形成A、B、C、D 4路放大的驱动脉冲信号，不需要额外的辅助电路可以保证脉冲前后沿及死区时间。信号脉冲经过了上述两级隔离和放大，能有效抑制共模干扰，显著提高信号的隔离电压耐量，同时该电路特性决定了脉冲信号的传输延迟小、工作可靠。

放大后的驱动脉冲信号A经过第二脉冲变压器T2隔离到合适的电压幅值用以驱动大功率IGBT。第二脉冲变压器T2初级串联了限流电阻R9，以防止某一路IGBT栅极短路造成第二脉冲变压器T2初级过流对并联的其它驱动回路的影响。第二脉冲变压器T2栅极并联了正反向稳压管，将驱动脉冲信号限幅在±15V以内，保证开关管安全。

如图1所示，由移相控制芯片UC3875产生的4路具有一定死区时间的脉冲信号a、b、c、d，分别经过信号隔离放大电路后放大成一组幅值为±HV的强脉冲信号A、B、C、D，此强脉冲信号可以为多个并联的IGBT驱动电路提供驱动脉冲信号，经过IGBT驱动电路变换后的每一组驱动脉冲可以驱动一组全桥电路相应的4只IGBT。这样，多台大功率逆变器可以在完全相同的驱动脉冲下同步工作，根据功率需求可以选择同步工作的逆变器的台数，移相脉冲控制在移相全桥脉冲信号产生电路部分集中完成，增加或减少同步工作的逆变器只需要将信号隔离放大电路输出的驱动脉冲信号A、B、C、D连接至某台逆变器的IGBT驱动电路或者从IGBT驱动电路断开即可。

在本发明电路实例中，4路移相脉冲信号相互独立传输并经过多级隔离和放大，器件选用均考虑了转换速率、信号延迟及抗干扰能力，电路中多处采取抗干扰处理，整体设计简单实用，稳定可靠。

本发明将脉冲变压器应用于大功率驱动电路，创新地应用电磁耦合方式将4路驱动脉冲信号独立传输实现了驱动信号的高可靠传输与高电压耐量隔离，并且应用此电路可以轻松实现多台大功率相移式全桥电源通过并联驱动的方式同步工作，以方便扩展输出功率。由于采用了脉冲变压器这种无源驱动方式，在驱动电路中不需要再提供单独的浮地电源。将4路驱动脉冲信号独立传输，可以不采用任何辅助电路来产生或重构死区时间。系统中所有同步工作电源的移相控制在移相全桥脉冲信号产生电路集中完成，脉冲信号经过两次隔离放大，实现了控制电路和功率电路高电压量级的电气隔离，又实现了信号的高速、有效传输，传输延迟小，对共模信号的抑制能力强，可以实现较高的开关频率（几十kHz）。

由此，本电路能有效提高系统的可靠性，特别是应用于大功率电源场合，在复杂的电磁环境下能有效抑制电磁干扰，同时电路形式简单，相对目前传统的电磁耦合式驱动电路明显简化了电路、降低了成本，应用在多台大功率相移式全桥电源同步工作的场合具有显著的优势。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种电磁耦合式大功率驱动电路，其特征在于：包括依次相连的移相全桥脉冲信号产生电路、信号隔离放大电路及IGBT驱动电路，其中所述信号隔离放大电路由高速门极驱动芯片、第一脉冲变压器、两个半桥电路组成，所述移相全桥脉冲信号产生电路产生的脉冲信号通过高速门极驱动芯片进行第一级放大后，由第一脉冲变压器隔离变换成相位相反的两路驱动脉冲信号；所述相位相反的两路驱动脉冲信号分别经两个半桥电路再次放大后，由IGBT驱动电路再次隔离，直至隔离到待驱动电路中IGBT所在的电压幅值范围内时输出。

2.根据权利要求1所述电磁耦合式大功率驱动电路，其特征在于：所述IGBT驱动电路由若干组并联的IGBT驱动电路组成，所述经再次放大后的脉冲信号提供于每组IGBT驱动电路各自进行再次隔离。

3.根据权利要求2所述电磁耦合式大功率驱动电路，其特征在于：所述移相全桥脉冲信号产生电路根据待驱动电路的数量产生若干组电气隔离的同步脉冲信号。

4.根据权利要求3所述电磁耦合式大功率驱动电路，其特征在于：所述IGBT驱动电路包括第二脉冲变压器和用于阻挡第二脉冲变压器初级过流对并联的IGBT驱动电路形成回路的限流电阻。

5.根据权利要求4所述电磁耦合式大功率驱动电路，其特征在于：所述IGBT驱动电路还包括用于限制输出的驱动脉冲信号幅值的稳压管。