CN104682678B - 一种igbt驱动用的隔离电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开IGBT驱动用的隔离电源，用于给IGBT提供导通/关断电压，包括DC‑DC隔离电源、基准电路和电压跟随器；基准电路根据DC‑DC隔离电源的输出总电压VDD大小给电压跟随器提供不同的基准输入电压VB，电压跟随器的输出端连接至IGBT的发射极；需要导通时，DC‑DC隔离电源的正电压输出端与IGBT栅极连通，以使正电压输出端与电压跟随器输出端之间的电位差作为导通电压；需要关断时，DC‑DC隔离电源的负电压输出端与IGBT栅极连通，以使负电压输出端与电压跟随器输出端之间的电位差作为关断电压；基准电路根据IGBT导通/关断电压要求提供导通电压基准VON和关断电压绝对临界VM；VDD≥VON+VM时，VB为第一值以优先保证IGBT导通电压等于VON；VDD＜VON+VM时，VB为第二值以优先保证IGBT关断电压等于VM。

Description

一种IGBT驱动用的隔离电源
技术领域
本发明涉及IGBT技术领域，尤其涉及一种IGBT驱动用的隔离电源。
背景技术
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)广泛应用于新型的电力电子变换领域，例如光伏、风力发电、变频以及电动汽车等热门行业都能见到IGBT在其中发挥非常重要的作用。在工业领域使用大功率的IGBT(额定电流大于100A)开关元件，由于IGBT本身米勒电容的存在，容易出现误导通以及关断不迅速的情况。
IGBT的关断电压一般为负电压(-15V～-5V)，为了让IGBT更快速的关断，并且不会有误开通的情况发生，目前通常采用以下几种方式来提供IGBT的驱动电源：
1)采用正负独立电源单独给IGBT驱动电路供电。例如分别采用±15V的电源模块给IGBT驱动作为供电电源，即需要两路电源给一个IGBT驱动供电，购买此类电源模块成本高，而自行设计太过复杂；
2)采用一个电源，通过稳压来分出正负电压给IGBT驱动电路供电。如图1所示，输入电源VIN先经过一个线性稳压芯片来得到一个稳定的总电压，再通过电阻R与稳压二极管D得出想要的正负电压V+’和V-’。此种方式中，线性稳压芯片以及稳压二极管D都会消耗一定的功率导致电源效率较低，另一方面线性稳压芯片以及稳压二极管D的散热也是一个需要克服的问题，通常需要占据较大的电路板面积以解决散热问题。
发明内容
本发明的主要目的在于根据IGBT驱动所需电源的特点(对导通电压值要求较高，对关断电压值要求较低)提出一种只需单路电源供电，转换效率高且体积较小的电源，以解决现有的IGBT驱动电源存在的需要双电源供电或者使用单电源供电但电源效率低、散热不好的技术问题。
一种IGBT驱动用的隔离电源，用于给IGBT的驱动电路提供IGBT的导通/关断电压，包括DC-DC隔离电源，所述DC-DC隔离电源具有正电压输出端和负电压输出端，分别输出大小相等的正电压和负电压；所述IGBT驱动用的隔离电源还包括基准电路和电压跟随器，所述基准电路根据所述IGBT的导通/关断电压参数要求，提供一导通电压基准和一关断电压绝对临界，所述电压跟随器的输出端连接至所述IGBT的发射极；所述基准电路具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端连接于所述DC-DC隔离电源的正电压输出端，所述第二输入端连接于所述DC-DC隔离电源的负电压输出端，所述输出端连接于所述电压跟随器的输入端，所述基准电路用于向所述电压跟随器的输入端提供基准输入电压，当所述DC-DC隔离电源的输出总电压大于或等于所述导通电压基准与所述关断电压绝对临界之和时，所述基准输入电压的值使得所述正电压输出端与所述电压跟随器的输出端之间的电位差等于所述导通电压基准；当所述DC-DC隔离电源的输出总电压小于所述导通电压基准与所述关断电压绝对临界之和时，所述基准输入电压的值使得所述负电压输出端与所述电压跟随器的输出端之间的电位差等于所述关断电压绝对临界的负值；其中，所述输出总电压等于所述正电压与所述负电压的绝对值之和；所述驱动电路用于：在驱动所述IGBT导通时，将所述DC-DC隔离电源的正电压输出端与所述IGBT的栅极连通；在驱动所述IGBT关断时，将所述负电压输出端与所述IGBT的栅极连通。
在IGBT导通/关断时，一般，所需的导通电压是15V，而所需的关断电压是-5V以下(即-4V、-3V等就会严重影响的IGBT的关断动作)，可以将15V看成是导通电压基准，5V看成是关断电压绝对临界，在运行中应当尽量保证提供的关断电压的绝对值不小于该关断电压绝对临界。由于DC-DC隔离电源输出的是两路大小相等、方向相反的电压，如果直接供给IGBT的驱动电路以驱动IGBT导通/关断，则可能出现关断电压充足但导通电压不足的情况，例如，DC-DC隔离电源的输出总电压为25V，虽大于20V，但是被分配成+12.5V和-12.5V，若直接供给IGBT驱动电路，则关断电压-12.5非常充足，但是导通电压+12.5V却不够，即便能够导通，由于电压值不够，会增加IGBT发热量。
因此，本方案中根据DC-DC隔离电源的输出总电压的大小，基于IGBT的所需导通电压基准/关断电压绝对临界，来合理地将输出总电压进行分配。具体而言，本方案中将电压跟随器的输出端电压作为IGBT的发射极电压，而将DC-DC隔离电源的正电压输出端和负电压输出端分别作为IGBT导通、关断时栅极应该接通的电源端口，通过调整电压跟随器的输出端电压，即可调整导通/关断电压即栅极与发射极之间的电压VGE(VGE＝VG-VE)。而电压跟随器的输出端电压等于输入端电压，因此，根据DC-DC隔离电源的输出总电压大小来给电压跟随器提供不同的基准输入电压时，就形成不同的发射极电压，从而实现根据DC-DC隔离电源输出的正/负电压，产生合适的VGE。
当DC-DC隔离电源的输出总电压大于或等于导通电压基准与关断电压绝对临界之和时，说明输出总电压在保证关断电压的绝对值为关断电压绝对临界的基础上，至少能提供达到导通电压基准的导通电压，此时基准电路提供给电压跟随器的基准输入电压能够使得正电压输出端与电压跟随器输出端之间的电压即提供给IGBT的导通电压等于所述导通电压基准，而此时余下的电压(即输出总电压与提供给IGBT的导通电压之差，电路中表现为负电压输出端与电压跟随器输出端之间的电压)即可提供关断所需的负电压，而且该负电压的绝对值大于或等于关断电压绝对临界，足够让IGBT快速关断；
当DC-DC隔离电源的输出总电压小于导通电压基准与关断电压绝对临界之和时，则应当考虑牺牲一部分的导通电压来优先保证提供的关断电压的绝对值至少等于所述关断电压绝对临界(例如5V)，此时基准电路提供给电压跟随器的基准输入电压则够使得负电压输出端与电压跟随器的输出端之间的电压等于所述关断电压绝对临界(例如5V)的负值，即提供了一个上限关断电压(-5V，不能再比-5V大)，此时余下的电压(即输出总电压与提供给IGBT的关断电压的绝对值之差，电路中表现为正电压输出端与电压跟随器输出端之间的电压)即可提供导通电压(会比导通电压基准小，但能够导通)。
优选地，所述基准电路包括第一稳压二极管、第二稳压二极管、第一电阻和第二电阻；所述第一稳压二极管的阴极连接至所述正电压输出端，阳极连接至所述电压跟随器的输入端；所述第二稳压二极管的阳极连接至所述负电压输出端；所述第一电阻连接于所述第一稳压二极管的阳极与所述第二稳压二极管的阴极之间，所述第二电阻连接于所述正电压输出端与所述第二稳压二极管的阴极之间；所述第一稳压二极管的稳压值为所述导通电压基准，所述第二稳压二极管的稳压值为所述关断电压绝对临界。
优选地，所述第一稳压二极管和所述第二稳压二极管的稳压值分别为15V和5V。
优选地，还包括第一电容和第二电容，所述第一电容连接于所述电压跟随器的输出端与所述正电压输出端之间，所述第二电容连接于所述电压跟随器的输出端与所述负电压输出端之间，分别用于稳定所述IGBT的导通电压和关断电压。通过本方案，即便负载突然加大或者输入掉电的情况下，电容的作用也能保证提供稳定的导通/关断电压以使IGBT正常导通或关断。
优选地，所述电压跟随器包括运算放大器，所述运算放大器的输出端与反相输入端连接，所述运算放大器的正相输入端和输出端分别为所述电压跟随器的输入端和输出端。
优选地，所述DC-DC隔离电源包括振荡电路、功率变压器以及整流滤波电路，所述振荡电路用于产生推挽驱动信号传递至所述功率变压器的初级绕组，所述整流滤波电路用于对所述功率变压器的次级绕组输出电压进行整流滤波，以输出所述正电压和所述负电压。
优选地，所述DC-DC隔离电源还包括至少一对参数相同的开关管，根据所述推挽驱动信号交替导通，以交替地将能量传递到所述功率变压器的初级绕组。通过开关管来传递能量，能降低信号传输过程中的损耗。
优选地，所述振荡电路为振荡电路芯片，所述推挽驱动信号为一组反相的PWM信号。
优选地，所述整流滤波电路包括两组全桥整流电路，以分别输出所述正电压和所述负电压。
总之，本发明提供的前述IGBT驱动用的隔离电源，采用结构简单的DC-DC隔离电源提供正负电压，不需要额外的反馈电路，再通过后续的基准电路和电压跟随器的调整，最终输出更加准确合适的导通/关断电压，为IGBT的驱动电路提供更加准确的电源驱动，以实现IGBT的准确导通/关断。同时，由于采用基准电路和电压跟随器来进行后续的电压调整，相比现有技术，能够使得电路中能量的传递损失减少，能量转换效率高，并且发热少，整体体积小，不占用太多电路板面积。
附图说明
图1是现有的一种采用单电源给IGBT驱动电路供电的示意图；
图2是IGBT的等效电路图；
图3是本发明具体实施例提供的IGBT驱动用隔离电源的原理框图；
图4-1是图3中的DC-DC隔离电源的一种具体实现方式；
图4-2是图4中的DC-DC隔离电源的另一种具体实现方式；
图5是采用了图4-1的DC-DC隔离电源的一种IGBT驱动用隔离电源的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明。
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor)简称IGBT，其等效电路如图2所示，具有栅极G、发射极E和集电极C，在栅极G与发射极E之间加合适的电压VGE，以实现IGBT的导通或关断。
本发明的具体实施方式提供一种IGBT驱动用隔离电源，用于给IGBT的驱动电路提供IGBT的导通/关断电压，以实现IGBT的导通/关断。如图3所示，该IGBT驱动用隔离电源包括DC-DC隔离电源100、基准电路200和电压跟随器300，参考图4-1和图4-2，所述DC-DC隔离电源100具有正电压输出端和负电压输出端，用以分别输出大小相等的正电压V正和负电压V负。基准电路200根据IGBT的导通/关断电压参数要求，提供一导通电压基准VON和一关断电压绝对临界VM，电压跟随器300的输出端连接至IGBT的发射极E；
参考图5，基准电路200具有第一输入端、第二输入端和输出端，第一输入端连接于所述正电压输出端，第二输入端连接于所述负电压输出端，输出端连接于所述电压跟随300的输入端。
基准电路200用于向电压跟随器300的输入端提供基准输入电压VB，当DC-DC隔离电源100的输出总电压VDD≥VON+VM时，提供的基准输入电压VB的值能够使得正电压输出端与电压跟随器300的输出端之间的电位差等于导通电压基准VON；当VDD＜VON+VM时，提供的基准输入电压VB的值能够使得负电压输出端与电压跟随器300的输出端之间的电位差等于关断电压绝对临界VM的负值；其中，输出总电压VDD等于正电压V正与负电压V负的绝对值之和。
当需要导通IGBT时，IGBT的驱动电路(图中未示)将DC-DC隔离电源100的正电压输出端与IGBT的栅极G连通，以使正电压输出端与电压跟随器300的输出端之间的电位差作为IGBT的导通电压(即导通时的VGE＝V正-VE)；当需要关断IGBT时，IGBT的驱动电路将DC-DC隔离电源100的负电压输出端与IGBT的栅极G连通，以使负电压输出端与电压跟随器300的输出端之间的电位差作为IGBT的关断电压(即关断时的VGE＝V负-VE)。
具体地，基准电路200包括第一稳压二极管D1、第二稳压二极管D2、第一电阻R1和第二电阻R2。如图5所示：第一稳压二极管D1的阴极连接至正电压输出端，阳极连接至电压跟随器300的输入端；第二稳压二极管D2的阳极连接至负电压输出端；第一电阻R1连接于第一稳压二极管D1的阳极与第二稳压二极管D2的阴极之间，第二电阻R2连接于正电压输出端与第二稳压二极管D2的阴极之间。第一稳压二极管D1的稳压值即为所述导通电压基准VON，第二稳压二极管D2的稳压值即为所述关断电压绝对临界VM。第一稳压二极管和第二稳压二极管也可以用基准芯片替代，这样可以防止温漂。电压跟随器300优选可以采用运算放大器IC2，通过将运放的反相输入端连接到输出端实现电压跟随。
一般而言，IGBT的最佳导通电压为15V，而关断电压以-10V为佳，最多不超过-5V，因此，在本例中，以导通电压基准VON＝15V，关断电压绝对临界VM＝5V为例对本发明进行详细的说明：第一稳压二极管D1的稳压值即等于导通电压基准VON＝15V，第二稳压二极管D2的稳压值即等于关断电压绝对临界VM＝5V。
基准电路200和运放IC2的工作原理大致为：
举例：DC-DC隔离电源100的输出总电压VDD＝V正-V负＝25V时，正电压输出端相对于COM端的电压V正为+12.5V，负电压输出端相对于COM端的电压V负为-12.5V，此时VDD＞VON+VM，如图5所示，此种情况下，在基准电路200中，第二电阻R2到第二稳压二极管D2形成电流通路的同时第一稳压二极管D1到第一电阻R1再到第二稳压二极管D2也形成电流通路，由于第一稳压二极管D1两端的电压是15V，而其阴极(即正电压输出端)电压是12.5V，所以此时运放IC2的正相输入端的电压(即所述基准输入电压VB)是-2.5V，从而运放IC2的输出端电压VE也是-2.5V，从而，在正电压输出端与运放IC2的输出端之间产生+15V的电压差，而前述已提到IGBT导通时其栅极G接通正电压输出端，因此+15V即成为提供给IGBT的实际导通电压；同时，负电压输出端与运放IC2的输出端之间产生-12.5-(-2.5)＝-10V的电压差，因此该-10V即为提供给IGBT的实际关断电压。也就是说，通过基准电路200和电压跟随器300的配合工作，将25V的输出总电压进行了灵活的分配，而不再总是以大小相等的正负电压输出作为导通/关断电压。
另一种情形，例如：当DC-DC隔离电源100的输出总电压VDD＝V正-V负＝18V时，正电压输出端相对于COM端的电压V正为+9V，负电压输出端相对于COM端的电压V负为-9V，此时VDD＜VON+VM，如图5所示，此种情况下，在基准电路200中仅有第二电阻R2到第二稳压二极管D2之间形成电流通路，第一电阻R1没有电流流过(因为运放IC2一般阻抗较大)，此时第二电阻R2与第二稳压二极管D2的阴极之间的A点的电位即等于运放IC2的正相输入端的电位。即，此种情况下的所述基准输入电压VB等于A点的电压，由于第二稳压二极管D2的稳压值是5V，因此A点(D2的阴极)的电压比D2的阳极(即负电压输出端)高5V，即此时VB＝V负+5＝-9+5＝-4V，因此运放IC2的输出端电压VE＝-4V，从而，在负电压输出端与运放IC2的输出端之间产生-9-(-4)＝-5V的电压差，优先保证了提供给IGBT的实际关断电压为最低要求-5V(认为不能再比-5大，例如，认为-4、-3V则无法正常关断IGBT)；同时，在正电压输出端与运放IC2的输出端之间产生9-(-4)＝+13V的电压差，此+13V即成为提供给IGBT的实际导通电压。也就是说，通过基准电路200和电压跟随器300的配合工作，将较小的输出总电压18V进行了灵活的分配，优先满足关断电压的最低要求(-5V)，然后余下的电压13V就作为导通电压，保证IGBT正常导通/关断。
在一些具体的实施方式中，如图4-1和图5所示，DC-DC隔离电源100包括振荡电路101、变换电路102、功率变压器T1以及整流滤波电路103，振荡电路101在原始电源Vi输入时可产生推挽驱动信号，该推挽驱动信号通过变换电路102传递至功率变压器T1的初级绕组，整流滤波电路103包括两组全桥整流电路，用于对功率变压器T1的次级绕组输出电压进行整流滤波，以分别输出正电压V正和负电压V负。具体地，振荡电路101可以是振荡电路芯片，例如深圳青铜剑电力电子科技有限公司生产的QD1011芯片或者采用其他的PWM信号产生器，而变换电路包括一对开关管。以QD1011芯片IC1作为振荡电路芯片为例，芯片IC1的16脚接电源正端VDC，1脚接地，15脚和2脚分别接一个开关管Q1和Q2(具体为N沟道的MOS管)，芯片IC1产生一组反相的PWM(脉冲宽度调制)信号，来使开关管Q1和Q2交替导通，以将电压信号交替传递到功率变压器T1的初级绕组，初级绕组的中间抽头接电源正端VDC，功率变压器T1对电压进行隔离变换后，形成两组(具有两组次级绕组)电压分别进行全桥整流滤波，产生驱动用的原始正负电平(即所述正电压V正和所述负电压V负)输出，以为后面的基准电路200以及IGBT的驱动电路供电。COM端相当于整个IGBT驱动用隔离电源的地端。
在另一些实施方式中，如果对电源实际功率需求较小时，也可以没有变换电路102，如图4-2所示。
在更加优选的实施方式中，如图5所示，电压跟随器300的输出端与正电压输出端之间，以及电压跟随器的输出端与负电压输出端之间，分别连接有用于稳定IGBT的导通电压和关断电压的第一电容C1和第二电容C2。如果原始电源Vi突然消失，则第一电容C1和第二电容C2还能作为备用电源，在一定程度上保证IGBT的正常导通/关断。或者由于负载突然加大，需要更大的导通电压，则第一电容C1中存储的电压可以作为增加的导通电压，以保证IGBT仍能正常导通。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种IGBT驱动用的隔离电源，用于给IGBT的驱动电路提供IGBT的导通/关断电压，包括DC-DC隔离电源，所述DC-DC隔离电源具有正电压输出端和负电压输出端，分别输出大小相等的正电压和负电压；
其特征在于：还包括基准电路和电压跟随器，所述基准电路根据所述IGBT的导通/关断电压参数要求，提供一导通电压基准和一关断电压绝对临界，所述电压跟随器的输出端连接至所述IGBT的发射极；
所述基准电路具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端连接于所述DC-DC隔离电源的正电压输出端，所述第二输入端连接于所述DC-DC隔离电源的负电压输出端，所述输出端连接于所述电压跟随器的输入端，所述基准电路用于向所述电压跟随器的输入端提供基准输入电压，当所述DC-DC隔离电源的输出总电压大于或等于所述导通电压基准与所述关断电压绝对临界之和时，所述基准输入电压的值使得所述正电压输出端与所述电压跟随器的输出端之间的电位差等于所述导通电压基准；当所述DC-DC隔离电源的输出总电压小于所述导通电压基准与所述关断电压绝对临界之和时，所述基准输入电压的值使得所述负电压输出端与所述电压跟随器的输出端之间的电位差等于所述关断电压绝对临界的负值；其中，所述输出总电压等于所述正电压与所述负电压的绝对值之和；
所述驱动电路用于：在驱动所述IGBT导通时，将所述DC-DC隔离电源的正电压输出端与所述IGBT的栅极连通；在驱动所述IGBT关断时，将所述负电压输出端与所述IGBT的栅极连通。
2.如权利要求1所述的IGBT驱动用的隔离电源，其特征在于：所述基准电路包括第一稳压二极管、第二稳压二极管、第一电阻和第二电阻；所述第一稳压二极管的阴极连接至所述正电压输出端，阳极连接至所述电压跟随器的输入端；所述第二稳压二极管的阳极连接至所述负电压输出端；所述第一电阻连接于所述第一稳压二极管的阳极与所述第二稳压二极管的阴极之间，所述第二电阻连接于所述正电压输出端与所述第二稳压二极管的阴极之间；所述第一稳压二极管的稳压值为所述导通电压基准，所述第二稳压二极管的稳压值为所述关断电压绝对临界。
3.如权利要求2所述的IGBT驱动用的隔离电源，其特征在于：所述第一稳压二极管和所述第二稳压二极管的稳压值分别为15V和5V。
4.如权利要求1所述的IGBT驱动用的隔离电源，其特征在于：还包括第一电容和第二电容，所述第一电容连接于所述电压跟随器的输出端与所述正电压输出端之间，所述第二电容连接于所述电压跟随器的输出端与所述负电压输出端之间，分别用于稳定所述IGBT的导通电压和关断电压。
5.如权利要求1至4任一项所述的IGBT驱动用的隔离电源，其特征在于：所述电压跟随器包括运算放大器，所述运算放大器的输出端与反相输入端连接，所述运算放大器的正相输入端和输出端分别为所述电压跟随器的输入端和输出端。
6.如权利要求1至4任一项所述的IGBT驱动用的隔离电源，其特征在于：所述DC-DC隔离电源包括振荡电路、功率变压器以及整流滤波电路，所述振荡电路用于产生推挽驱动信号传递至所述功率变压器的初级绕组，所述整流滤波电路用于对所述功率变压器的次级绕组输出电压进行整流滤波，以输出所述正电压和所述负电压。
7.如权利要求6所述的IGBT驱动用的隔离电源，其特征在于：所述DC-DC隔离电源还包括至少一对参数相同的开关管，根据所述推挽驱动信号交替导通，以交替地将能量传递到所述功率变压器的初级绕组。
8.如权利要求6所述的IGBT驱动用的隔离电源，其特征在于：所述振荡电路为振荡电路芯片，所述推挽驱动信号为一组反相的PWM信号。
9.如权利要求6所述的IGBT驱动用的隔离电源，其特征在于：所述整流滤波电路包括两组全桥整流电路，以分别输出所述正电压和所述负电压。
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