CN105680839A - 一种i型三电平驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种I型三电平驱动电路，包括：信号调制电路，DC/DC转换电路，隔离传输电路，信号解调电路，驱动电路，过压保护电路。发明的优点在于，能够抑制IGBT关断过程中产生的集电极电压尖峰，能够有效防止门极电压过高。优选地，本发明还对输入信号时序进行检测处理，防止异常的换流时序，当出现短路故障时无需考虑特定的关断时序。

Description

一种I型三电平驱动电路

技术领域

本发明涉及三电平IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)驱动电路，特别涉及一种I型三电平驱动电路。

背景技术

随着太阳能发电、风力发电、UPS技术的不断发展和市场的不断扩大，对逆变器效率的要求也越来越被制造商重视，因此三电平的拓扑结构便应运而生。

三电平逆变器与两电平逆变器相比具有以下优点：1.使用同一电压水平的IGBT时，三电平逆变器可使输出电压及功率增大一倍；2.在无须高电压的应用中，三电平逆变器允许使用较低压的IGBT模块，能提高IGBT开关频率；3.三电平逆变器的电源侧电流比两电平中的电流更接近正弦，正弦性更好，功率因数更高；4.不要求集电极电压达到静态和动态对称，从而简化IGBT驱动的设计，并避免使用外部缓冲电路；5.当使用相同的开关频率时，最终的输出频率可以提高一倍，显然有助于减小无源元件的尺寸和降低开关损耗。

另一方面，三电平逆变器的控制会带来一些其他问题：1.关断IGBT所产生的的电压尖峰通常高于两电平逆变器，因此在抑制关断过压方面，需要进行更多的考虑；需要考虑特定的换流时序。

发明内容

本发明的目的在于根据三电平逆变器控制所需要的特点有效抑制关断过压的三电平门极驱动电路。

本发明次一目的是提供一种能够对换流时序进行检测的三电平门极驱动电路。

为此，本发明提出的一种I型三电平驱动电路包括：信号调制电路，用于将信号检测电路输入的信号调制为能通过隔离传输装置的信号；DC/DC转换电路，用于通过信号调制电路，使该转换电路输出频率可调；隔离传输电路，用于将调制好的信号通过隔离变换电路，传输到信号解调电路和整流滤波电路；信号解调电路，用于将经过隔离传输过来的信号解调得到可以驱动IGBT模块的信号；驱动电路，用于控制和保护IGBT门极；电源变换电路，用于将整流滤波电路的输出电源进行分配，分配成一个适合IGBT开通的正电压和适合IGBT关断的负电压，两者正负电压绝对值之和仍为整流滤波电路的输出电源；过压保护电路，用于当IGBT过电压时有效抑制IGBT过电压，使IGBT工作在正常电压范围内；所述过压保护电路中包含过压检测电路和至少一个瞬变电压抑制二极管，分别与IGBT集电极相连，组成有源钳位电路；所述有源钳位电路当有源钳位对应的IGBT发生过压时通过至少一个瞬变电压抑制二极管将过电压钳位在IGBT安全的工作电压范围内。

优选地，本发明还包括如下改进特征：

还包括信号检测电路，用于检测电路的输入信号时序，防止异常的信号时序对IGBT造成的损坏；逻辑保护电路，用于实时监测外部IGBT或者内部故障，出现故障时迅速动作保护IGBT。

所述DC/DC转换电路根据驱动IGBT功率要求可以外接MOSFET来增加输出能力。

还包括欠压保护电路，用于实时监测整个电路中模块供电电压，当电压低于某一值时，输出故障信号，IGBT被保护。

所述DC/DC转换电路、信号调制电路、逻辑保护电路集成于一个芯片中；所述电源变换电路、信号解调电路集成于另一个芯片中。

所述信号检测电路对三电平模块中的各个IGBT所对应的四路PWM信号进行逻辑处理，输出端与故障输出端连接在一起，当不能同时为高的两路PWM信号同时为高时，输出为低，此时出现故障，所述信号检测电路输出故障信号到信号调制电路进而输入到逻辑保护电路，逻辑保护电路检测到故障后会输出关断信号并经过隔离传输电路的传输和次边信号解调电路的解调最终输出负电压使各个IGBT均被关断。

所述隔离传输电路是一种脉冲变压器，该脉冲变压器包括最少一组原边线圈和最少一组副边线圈，将经过原边集成电路处理过形成的窄脉冲信号和直流变换信号通过该变压器传输到次边。

还包括整流滤波电路，用于将隔离传输电路的输出分两路独立整流滤波，并引出公共端实现正负电源输出，用于为所用正负电源供电。

所述过压检测电路通过一系列电阻串联将IGBT端高压转换为低压，与预设的电压通过比较电路进行比较，检测是否发生过压。

在门极与发射极之间也并联了一个低压TVS管，当门极电压超过了TVS管的耐压值时TVS管迅速导通，将门极电压钳位在设定的电压范围。

电源变换电路用于将整流滤波电路的输出电源进行分配，分配成一个适合IGBT开通的正电压和适合IGBT关断的负电压，两者正负电压绝对值之和仍为整流滤波电路的输出电源。

本发明的优点在于，通过采用具有快速响应速度的瞬变电压抑制二极管(TVS)所组成的有源钳位电路，当电路集电极电压过高时TVS管能够迅速导通使电压钳在设定的安全的电压范围内故能够抑制IGBT关断过程中产生的集电极电压尖峰。

在优选方案中，将门极电压钳位在设定的电压范围，因此能够有效防止门极电压过高。

更优选地，本发明还对输入信号时序进行检测处理，防止异常的换流时序，当出现短路故障时无需考虑特定的关断时序。

进一步优选地，本发明还有如下优点：采用单电源供电，即可满足IGBT驱动正负电源的需求；将PWM信号变换为控制开通与关断的正负电平；当电源电压出现欠压时能够迅速关断IGBT，以防止出现误开通。

附图说明

图1是本发明实施例电路原理方框图。

图2是本发明实施例电路原理图。

图3是本发明实施例信号检测处理电路的一种实施方式原理图。

图4-1是本发明实施例中芯片QD1011的应用框图。

图4-2是本发明实施例中芯片QD1011的原理框图。

图4-3是本发明实施例中芯片QD1011的输入与输出引脚逻辑关系图。

图4-4是本发明实施例中芯片QD1011的模式选择原理框图。

图4-5是本发明实施例中芯片QD1011的半桥模式下输入输出关系图。

图4-6是本发明实施例中芯片QD1011的故障锁定示意图。

图4-7是本发明实施例中芯片QD1011的DCDC控制应用电路示例图。

图5-1是本发明实施例中芯片QD2011的应用框图。

图5-2是本发明实施例中芯片QD2011的原理框图。

图5-3是本发明实施例中芯片QD2011的输入与输出引脚逻辑关系图。

图5-4是本发明实施例中芯片QD2011的短路保护原理框图。

图5-5是本发明实施例中芯片QD2011的IGBT发射级电压的确定示意图。

图5-6是本发明实施例中芯片QD2011的Fault端口波形图。

图5-7是本发明实施例中芯片QD2011的门极驱动原理框图。

图5-8是本发明实施例中芯片QD2011的有源箝位工作原理图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的I型三电平驱动电路依次包括：

一信号检测电路100，检测电路的输入信号时序，防止异常的信号时序对IGBT造成的损坏；

一信号调制电路(101的一部分)，将信号检测电路输入的信号调制为能通过隔离传输装置的信号；

一DC/DC转换电路(101的一部分)，通过信号调制电路，使该转换电路输出频率可调，并且根据驱动IGBT功率要求可以外接MOSFET来增加输出能力；

一逻辑保护电路(101的一部分)，实时监测外部IGBT或者内部故障，出现故障时迅速动作保护IGBT；

一隔离传输电路102，将调制好的信号通过隔离变换电路，传输到信号解调电路和整流滤波电路；

一信号解调电路(104的一部分)，将经过隔离传输过来的信号解调得到可以驱动IGBT模块的信号；

一整流滤波电路103，将隔离传输电路的输出分两路独立整流滤波，并引出公共端实现正负电源输出，用于为所用正负电源供电。

一驱动电路(105的一部分)，控制和保护IGBT门极；

一电源变换电路(104的一部分)，将整流滤波电路的输出电源进行分配，分配成一个适合IGBT开通的正电压和适合IGBT关断的负电压，两者正负电压绝对值之和仍为整流滤波电路的输出电源；

一欠压保护电路(105的一部分)，实时监测整个电路中模块供电电压，当电压低于某一值时，输出故障信号，IGBT被保护；

一过压保护电路(105的一部分)，当IGBT过电压时有效抑制IGBT过电压，使IGBT工作在正常电压范围内。

本发明的一种I型三电平驱动技术，其技术优点和效果在于：

(1)将原边信号处理电路和次边信号处理电路集成化，减小了设计时的难度和缩短设计周期，节约物料成本，安装方便。如图2中的第101、104两部分，其中原边信号处理电路包含模式选择、信号处理、故障锁定等其它电路，次边信号处理电路包含信号处理、短路保护阈值设定、故障管理等比较复杂的电路，如果这些电路都由设计人员一个个进行设计，不仅加大了开发者的难度，拖长开发时间而且需要使用更多的元器件使得开发成本增加，布局面积加大，而本实施例中是将原边和次边的功能分别集成到只有16个引脚的集成芯片QD1011和QD2011，使用者只需要参考该芯片的使用说明书根据自己的设计要求搭建简单的外围电路即可完成驱动电路的设计工作，节约了物料成本，缩短开发周期。

(2)采用单电源供电，该电源不仅能够满足该模块的供电，而且内部通过能量转换能够产生IGBT开通关断时所需要的正负电平。如图2中所示，在整个I型三电平驱动电路中由外部输入的电源只有VDC(QD1011第16脚)且为正电源，为了使IGBT能够充分关断，IGBT关断时电压为负，本驱动电路通过内部DC/DC电源转换、隔离传输、整流滤波以及电源变换等过程最终实现了开通信号为正，关断信号为负的功能要求。

(3)所采用的DC/DC隔离变换器控制简单，无需额外的反馈电路和原次边隔离电路。如图2第102部分，采用的是一种具有隔离作用的变压器，能够对原次边信号进行良好的隔离，因此无需其他隔离电路。

(4)功能齐全。如图2中及具体说明，该I型三电平驱动电路具有电源欠压保护、IGBT过压保护、有源钳位、完整的DC-DC隔离电源等功能，尤其是有源钳位技术不仅能够有效抑制IGBT关断过电压，还能够在出现错误换流时序时对电压进行钳位以保护IGBT，该有源钳位技术有效解决了三电平拓扑结构出现的关断电压过高的问题。

(5)保护响应速度快。如图2第101部分，本I型三电平驱动电路中保护响应时间可调，通过改变R1电阻的阻值即可改变响应时间，响应时间为毫秒级别，完全能够在IGBT损坏之前保护IGBT。

为了便于深入理解本发明，下面结合实施例具体说明。

参见图2，本实施例主要由信号检测处理电路100、原边信号处理电路101、变压器隔离传输电路102、整流滤波电路103、次边信号处理电路104，IGBT驱动及其保护电路105，以及I型三电平电路106组成。

一信号检测处理电路100，保证IGBT模块正确的换流时序，当检测到错误的换流时序时电路能够及时保护IGBT；

参见图3，为电路100的一个具体实施例，为了防止图2中的Q1、Q2，Q3、Q4同时导通，本实施例中通过四个与非门对四路PWM信号进行逻辑处理，PWM1～PWM4分别对应三电平模块中的Q1～Q4四个IGBT，输出端与故障输出端连接在一起，当PWM1、PWM3或者PWM2、PWM4同时为高时，输出为低，此时出现故障，当图2中的第101部分的集成芯片检测到故障后会输出关断信号并经过变压器3(102)的传输和次边信号处理电路5(104)的解调最终输出负电压使四个IGBT均被关断。

一原边信号处理的专用集成电路101，其特征在于，所述集成电路依次包括：

一信号调制电路，包含下面两个电路：

一模式选择电路，通过调节由青铜剑公司自主研发的ASIC集成芯片QD1011(芯片详细说明见后)的10管脚所连接的R2、R10的阻值，就可以选择驱动器的工作模式(半桥模式，直接模式)；

一信号处理电路，两路控制信号从QD1011集成芯片的5、6两个管脚输入经内部转换电路将两路控制信号转换为可用于脉冲变压器传输的窄脉冲信号并分别由QD1011的11、12和13、14四个管脚输出；

一逻辑保护电路，包含下面两个电路：

一故障锁定电路，通过调节QD1011集成芯片的9号管脚所连接的电阻阻值可以设定阻断时间，该电路可以侦测由外部输入的故障信号，并将对应的故障信号进行锁定，对外发出故障信号；

一欠压保护电路，QD1011集成芯片的16号管脚与电源电压相连，内部集成有电源电压检测电路，该电路会实时检测电源电压，当电源电压小于某一特定值时，芯片会将信号锁定，并输出故障信号和关断信号使四个IGBT关断以防止误开通，此时如果电源电压升高到某一特定值时，内部电路认为芯片可正常工作，欠压保护故障信号解除，芯片进入正常工作状态；

一DC/DC转换电路，即DC-DC电源，通过设置QD1011集成芯片的8管脚所连接的电阻可以设置2、15两个管脚的输出频率，这两个管脚即为DC/DC转换输出的引脚，为了减小更多的外围电源电路的设计，内部集成了用于DCDC转换的模块，该模块可根据实际工作情况，选择不同的工作方式，当次边需要电源较小时，该输出端可直接用于变压器两端，当次边电源较大时，可通过外接的MOSFET来增加输出能力；

本实施例的外围电路接法是在QD1011集成芯片的1、16脚分别接电源的地与电源正极，7脚通过一电组连接到地来设定线性电源的基准电流，8脚通过一电阻连接到地用来设置内部DCDC转换模块的频率，9脚通过电阻连接到地用来设置故障保持时间，10管脚可以通过连接电阻与电容来进行模式选择和互锁时间的设定。

一种脉冲变压器102，其特征在于，该变压器包括最少一组原边线圈和最少一组副边线圈，将经过原边集成电路处理过形成的窄脉冲信号和直流变换信号通过该变压器传输到次边，本实施例中有两组脉冲变压器，该变压器是专门为QD1011集成芯片两通道驱动设计的，使用者根据自己的需求也可设计出仅使用一个或者多个脉冲变压器来实现上述功能。

一整流滤波电路103，该电路包含整流、滤波两个部分，将次边传输过来的直流变换信号经过整流电路进行整流，整流后经过滤波电路滤波后，给下一级电路进行供电，并提供IGBT开关过程中的正负电源；

本实施例中，经过二极管的全桥整流后，再经过两个电容滤波，输出驱动电路所需的原始电压。

一次边信号处理的专用集成电路104，其特征在于，所述集成电路芯片为青铜剑公司自主研发，型号为QD2011(芯片详细说明书见后)依次包括：

一电源变换电路，主要是用来确定IGBT的开通关断电压，QD2011的输入电源为25V左右，为了能使电源正常的控制IGBT的开通和关断，需要将此电源针对IGBT发射极作为参考电压进行分配，该电源变换电路会将开通电压设定在+15V，关断电压设定在-10V；

一信号解调电路，包括以下电路：

一信号传输处理电路，该电路集成在QD2011集成芯片内部，将由脉冲变压器传输过来的短脉冲信号，通过逻辑处理转换成用于三电平IGBT开通和关断的正常信号，开通时信号电平为正，关断时信号电平为负；

一短路保护电路，该电路集成在QD2011内部，短路保护实现的方式是通过检测三电平模块中IGBT开通时集电极、发射极间电压来判断是否有短路情况的发生，其特征在于，所述电路依次包括：

一短路保护阈值，通过QD2011的5号管脚所连接的电阻R6来设置阈值电压从而来确定保护发生时的基准值；

一集电极电压检测，QD2011集成芯片的6号管脚上面的电压与5号管脚设置的阈值电压进行比较，当6号管脚电压高于阈值电压时QD2011芯片即认为IGBT发生过压，反之没有发生过压；

一短路保护响应时间，通过调节QD2011集成芯片的6号管脚与地之间的电容C1可以用来调节短路保护响应时间；

一故障管理，QD2011集成芯片集成了故障管理电路，一旦检测到故障(欠压或短路)，会迅速关断IGBT，并输出故障信号。

一欠压保护电路，QD2011集成芯片内部也集成了电源电压检测电路，该欠压保护电路会时实检测次边电源电压以保证三电平模块中的IGBT能够可靠的开通和关断，并且能够有效预防由于开通电压过低导致IGBT开通时损耗过高导致器件损坏，当电压低于某一特定值时，欠压保护电路工作，IGBT被关断，同时发出故障信号，直到电压恢复到某一特定值以上，故障信号消除，控制IGBT的信号正常输出；

本实施例中，QD2011集成芯片外围电路的接法，5号管脚通过一电阻连接到地该电阻用来设定短路保护阈值，7管脚通过一电阻连接到地，该电阻用来设置电路保护的基准电流。

一IGBT驱动核保护电路105，其特征在于，所述电路依次包括：

一门极电路，主要包括门极驱动电阻和门极保护电路：

一门极驱动电阻RG，该电阻一般是根据IGBT资料里面推荐值来设定，设计时需要考虑到门极电阻的功率问题，门极电阻的功率一般由IGBT门极驱动功率来决定，一般来说门级驱动电阻的总功率至少为门极驱动功率的2倍；

一门极保护电路，如图2中第6部分(105)中的Tv1、Rt1，Tv2、Rt2，Tv3、Rt3，Tv4、Rt4，电路主要保护IGBT门极不失效，主要是为了防止在IGBT静止状态下误开通，以及IGBT门极开关电压过高；

一过压保护电路，主要是对过压进行检测并保护如图2中第6部分(105)中的RVCE串联的电阻网络和串联的TVS管，该电路主要是实时检测IGBT是否发生过压，当发生过压时能够将电压钳位在IGBT安全的电压范围内，并将过压信息传到次边处理电路，电路能够迅速发出响应动作，保护IGBT不被过压损坏；

本实施例中，过压检测电路通过一系列电阻串联RVCE(高压电阻也可以)检测是否发生过压，通过至少一个TVS(瞬变电压抑制二极管,具有快速响应时间的瞬态抑制器件)将过电压钳位在IGBT安全的工作电压范围内，本电路中至少包含一个双极性的瞬态抑制器，门极保护电路至少包括一瞬态抑制器和一电阻，瞬态抑制器和电阻接在门极和发射级之间，瞬态抑制器以防止门极开通电压过高，电阻是为了在门极与发射级之间形成一个低阻抗回路。

本发明上述实施例具有如下优点：

1.采用单电源供电，即可满足IGBT驱动正负电源的需求；

2.将PWM信号变换为控制开通与关断的正负电平；

3.能够抑制IGBT关断过程中产生的集电极电压尖峰，当出现短路故障时无需考虑特定的关断时序；

4.能够有效防止门极电压过高；

5.当电源电压出现欠压时能够迅速关断IGBT，以防止出现误开通；

6.对输入信号时序进行检测处理，防止异常的换流时序。

附加说明：下面对芯片QD1011、QD2011进行详细说明，此说明的内容做为说明书的组成部分，有于说明本发明的实施例。

一、芯片QD1011详细说明：

QD1011是深圳青铜剑电力电子科技有限公司针对目前IGBT驱动市场，专门研发的用于IGBT驱动核中用于原边处理的专用集成电路。可用于替代CONCEPT基于scale‐2芯片的IGBT驱动器上。图4‐1是其应用框图，图4‐2是其原理框图。

引脚序号及定义

序号	定义	说明	序号	定义	说明
						1	GND	15V电源地	9	TB	故障保持时间设置
2	DC1	DCDC转换输出	10	MOD	模式选择及互锁时间设定
						3	SOB	B通道故障输出	11	ON_B	B通道开通短脉冲信号
4	SOA	A通道故障输出	12	OFF_B	B通道关断短脉冲信号
						5	INB	B通道PWM信号输入	13	ON_A	A通道开通短脉冲信号
6	INA	A通道PWM信号输入	14	OFF_A	A通道关断短脉冲信号
						7	BIAS	基准电流设置	15	DC2	DCDC转换输出
8	F‐SET	DCDC转换频率设置	16	VDD	15V电源

表2QD1011引脚定义

系统性能参数

以下参数如无特别说明均在VDC＝15V,环境温度T＝25℃下测试得到。

功能模块详解

1.信号传输

芯片QD1011主要功能是将输入信号转化为可以用于脉冲变压器传输的窄脉冲开通和关断信号。输入PWM信号范围在3.3V‐15V都能是芯片正常开通和关断。图4‐3是直接模式下，输入引脚INA,INB与输出控制引脚ON_A,OFF_A,ON_B,OFF_B的关系。

2.模式选择

如图4‐4，芯片QD1011引脚MOD端直接连接到驱动器的外围电路，通过在MOD端连接一个电阻(R_MOD)到GND，就可以选择驱动器的工作模式。

MOD端接一个电阻(R_MOD)到地电位，芯片内部是一个恒流源(I1)，则MOD端口的电位V_MOD与芯片内部的基准ref1＝1.3V作比较，当V_MOD电压低于ref1时候，则会使芯片工作于直接模式；反之当V_MOD电压大于ref1时，则芯片会工作于半桥模式。

直接模式：在这种模式下，两个通道各自独立，没有联系。输入INA对应1通道,而输入INB对应2通道，高电平则将对应的IGBT打开。

半桥模式：当R_MOD阻值范围在71kΩ<R_MOD<181kΩ之间时，则芯片会处于半桥模式；在半桥模式下，INA是驱动信号，而INB则为使能信号。当INB为低电平时，两个通道都会被关断；如果INB为高电平，则两个通道都被使能，输出信号由INA来决定。当INA信号由低变高，2通道的门极信号会马上断开，再通过一个死区时间TD后，1通道的门极会开通。请看图4‐4,该模式中为了防止上下桥臂的IGBT直通，在同一桥臂IGBT中，其中一个IGBT关断后，驱动芯片会将信号锁定一段时间才将另一个IGBT开通。这个时间我们叫互锁时间(图4‐4中的蓝色部分)，互锁时间T_D与MOD端电阻R_MOD关系如下：

R_MOD[kΩ]＝3.15·T_D[μs]+52.70.6μs<T_D<4.1μs72Ω<R_MOD<182Ω

图5是半桥模式下输入输出关系。

3.故障锁定

芯片QD1011可以侦测由外部输入的故障信号，并将对应的信号进行锁定，发出故障信号。

如图4‐6，在TB管脚与GND之间接一个电阻R_TB，通过选择R_TB的数值，就可以设定阻断时间TB。以下式子给出了R_TB和TB的关系(典型值)：

V_b[V]＝0.02·T_b[ms]+1.02(20ms<T_b<130ms1.42<V_b<3.62V)

4.欠压保护

芯片QD1011会检测电源电压,当电源电压低于13V时，芯片会将信号锁定，并输出故障信号(SOA,SOB被拉至地电平)。这时如果电源升高，超过13.7V时，QD1011内部电路会认为芯片可以正常工作，欠压保护会清楚，芯片进入正常工作状态。

5.DCDC电源

芯片QD1011作为IGBT驱动的原边芯片，为了减少更多的外围电路，芯片内部集成了用于DCDC转换的功能模块。

外围需要接一个用于控制芯片输出频率的电阻R_F‐SET，该电阻的阻值可以设定输出端口DC1,DC2的输出频率。R_F‐SET＝62K时，开关频率F＝330KH_Z左右。如图4‐7所示，该功能可以根据实际情况，选择不同的工作方式。当次边需要电源较小时，可以将DC1,DC2端口直接接于变压器两端，这时芯片可以输出的最大功率为2W。当次边需要电源大于2W时，可以通过DC1,DC2端控制外接的MOSFET来增加输出能力。

二、芯片QD2011详细说明：

QD2011是深圳青铜剑电力电子科技有限公司针对目前IGBT驱动市场，专门研发的用于IGBT驱动核中用于次边处理的专用集成电路。可用于替代CONCEPT基于scale-2芯片的IGBT驱动器上。图5-1是其应用框图，图5-2是其原理框图。

引脚序号及定义

序号	定义	说明	序号	定义	说明
						1	VD2	开通MOS门极驱动电源	9	ON_Pulse	开通短脉冲信号
2	DH	开通MOS门极驱动	10	OFF_Pulse	关断短脉冲信号
						3	GON	IGBT门极开通输出	11	DL	关断MOS门极驱动
4	GOFF	IGBT门极关断输出	12	ACL	有源箝位监测
						5	VREF	短路保护阈值设定	13	GND	地
6	VCE	IGBTCE电压监测	14	VISO	输入电源
						7	BIAS	基准电流设置	15	ST1	信号状态监测
8	Fault	故障状态输出	16	VE	IGBTE极电位设定

表1QD2011引脚定义

系统性能参数

以下参数如无特别说明均在VISO＝25V,环境温度T＝25℃下测试得到。

表2QD2011主要性能参数

功能模块详解

1.信号传输

芯片QD2011主要功能是将变压器输入的端脉冲信号,通过逻辑处理转换成用于IGBT开通和关断的正常信号。图5‐3输入引脚ON_pulse,OFF_pulse与IGBTVGE电压的关系。

QD2011的输入引脚ON_pulse,OFF_pulse均为短脉冲信号,同时芯片内部有共模抑制功能,即如果两个引脚同时输入为高,则IGBTVGE应该是处于关断的电平,同时此两引脚输入的脉冲信号电压幅度大于等于10V即可。

不仅OFF_pulse能关断IGBT门极，而且芯片内部的欠压保护以及短路保护等模块都能关断IGBT，以保护IGBT。

2.短路保护

芯片QD2011具有短路保护功能。短路保护的实现方式是通过检测IGBT开通时的C,E电压来判断IGBT是否有短路的情况发生。

如图5‐4所示，阴影部分是芯片QD2011内部的短路保护的电路结构图，主要通过端口V_REF,V_CE来进行保护的设定。

1.V_REF端口内部有个150uA的恒流源输出，通过外部接的电阻R_REF来设定短路保护的阈值。

V_REF＝150×R_REF(KΩ)×10^‐3

2.V_CE端口是用来检测实际IGBT开通时候的电压。

3.当IGBT关断时候，芯片内部逻辑会将VCE端口下拉至低电平，这样能保证芯片不会在IGBT关断的时候进行短路保护。

4.R_CE与IGBT的C极相接，用来监测IGBT集电极的电压，R_CE的数值选取依据以下方法，根据不同的母线电压，使得流过R_CE的电流为0.6mA‐1mA，例如，V_DC‐Link＝1200V时，R_CE＝1.2MΩ‐1.8MΩ。R_CE可以选择高压电阻，也可以是多个电阻串联，在任何情况下，爬电距离都是必须考虑的因素。

5.当IGBT开通是，V_CE电压大于V_REF电压则QD2011芯片内部比较器电平会翻转，从而关断IGBT并发出故障信号。

6.C_CE是用来调节短路保护的响应时间这一参数的，而且响应时间与R_CE以及R_REF都相关，详细参数列表如下：

表3响应时间(responsetime)与C_CE和R_REF的关系

3.IGBT开通关断电压确定

芯片QD2011的输入电源为25V左右，为了能使电源正常控制IGBT的开通和关断，需要将此电源针对IGBT发射极作为参考电位进行分配。假设VISO相对GND输入电源是25V的话，则QD2011会将发射极电压VE相对GND电压控制在10V，这样IGBT开通时VGE电压为+15V，IGBT关断时候VGE电压为‐10V。

详细的工作原理请看图5‐5的原理框图。

如图5‐5所示，IGBT开通关断电压的控制主要是通过芯片内部的两个运放AMP1,AMP2的反馈来实现的。

1.在一般情况下，IGBT开通时候的门极电压VG＝VISO，关断时候的门极电压VG＝0,即GND电位。

2.当VISO电压足够(VISO>21V)的时候，主要是AMP2起作用，从图4中可以看出AMP2的正极电压:VGE＝150uA×100K＝15V。

但VISO<21V时，假设IGBT开通时VGE＝15V，则IGBT关断时候VGE>‐6V，如果IGBT关断电压过高，会导致IGBT关不断的情况。为了防止这种情况的发生，芯片内部通过AMP1来控制AMP2正极输入端的电压，以保证IGBT关断时候VGE电压小于‐6V。

4.欠压保护

芯片QD2011会检测电源电压,为了保证IGBT开通和关断的电压都在能让IGBT正常工作的范围内，QD2011对IGBT开通电压VISO-VE以及关断电压VE都进行了监测。

1.VISO-VE电压是IGBT开通时候的电压。当电压低于12V时，为了保证IGBT不会因为开通时后损耗过高导致器件损耗，QD2011会将IGBT置低并发出故障信号。这种情况下，只有当电压高于12.5V时芯片才能从欠压状态恢复过来。

2.-VE是IGBT关断时候的电压。当此VE电压小于5V时，QD2011会将IGBT门极置低并发出故障信号。一旦进入欠压状态，只有点VE电压高于6V芯片才能从欠压保护中自动恢复。

欠压保护是为了保证IGBT能可靠地开通和关断。

5.故障管理

芯片QD2011一旦检测到有故障(欠压或短路),芯片会如下动作:

1.关断IGBT。

2.通过ON_Pulse引脚发出一个200ns左右的短脉冲信号，用于通过变压器传输到原边芯片接收故障信号。

3、Fault端口也会输出低电平信号；正常情况下Fault引脚应该是5V左右的高电平信号，同时伴随输入PWM信号有100ns左右的低脉冲尖峰。此引脚可用于光纤传输故障信号。如图5-6。

4、ST1端口可以用来设置故障延迟时间。正常情况下为低电平，故障时为芯片内部5V电平。

6.IGBT门极驱动

QD2011门极驱动部分是将芯片内部的低电压的IGBT开关控制信号，通过各种功能模块转化为可以控制IGBT开通和关断的门极驱动信号，以及需要向相应的功能模块提供电源的电源模块。

1.如图5-7所示，GONGOFF为驱动器的输出端，可以接电阻用来控制IGBT开通及关断时间。其中开通时间由GON引脚所接电阻RGON决定，关断时间由GOFF引脚所接的电阻RGOFF决定。所选电阻的阻值以及功率需要根据IGBT的具体型号来决定。

2.QD2011同时将内部驱动IGBT门极的MOSFET的控制端口也作出引脚(GH，GL)，这样可以在QD2011本身内部驱动能力不够的情况下外接MOSFET来提高驱动峰值电流能力。

3.驱动器内部的Q1,Q2为峰值电流8A的NMOS。Q1,Q2的驱动电平为0-10V电平，即开通时候VGS＝10V，关断时候VGS＝0。为了达到这个电平，芯片内部有单独的驱动电源模块，同时外接电容C(1～10nF都可以)来达到稳定此电源的作用。

4.电平转换模块，主要是将原本芯片内部5V的逻辑电平信号转换成驱动部分需要的电平。

6.有源箝位

QD2011芯片带有有源箝位功能，在集电极电压过高的时候可以保护IGBT。

如图5-8所示，外围电路有TVS或者高压稳压管来检测IGBT集电极的电压，此二极管的稳压值就是有源箝位功能动作的临界值。

正常工作是集电极电压较低，二极管处于截止状态，ACL引脚处于低电平，芯片处于正常开通与关断状态。当集电极电压升至高于二极管的稳压值后(一般在短路情况下发生)，二极管反向导通，这时ACL端口会置为高电平，通过门电路将Q2关断；同时二极管电流也会流至IGBT门极，一旦Q2关断，门极电流流过，IGBT门极电位被抬高；当门极电位高于一定值时IGBT就会开通，这样IGBT上的集电极电压相应地会降低。整个过程保证了IGBT不会因为集电极电压过高损坏。

TVS管或者稳压管的值选取需要结合IGBT器件本身以及应用实际情况综合考虑，另外本身对ACL以及IGBT门极做好保护措施，以防止二极管过来的电压过高导致芯片或者IGBT损坏。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效方法变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种I型三电平驱动电路，其特征是包括：

信号调制电路，用于将信号检测电路输入的信号调制为能通过隔离传输装置的信号；

DC/DC转换电路，用于通过信号调制电路，使该转换电路输出频率可调；

隔离传输电路，用于将调制好的信号通过隔离变换电路，传输到信号解调电路和整流滤波电路；

信号解调电路，用于将经过隔离传输过来的信号解调得到可以驱动IGBT模块的信号；

驱动电路，用于控制和保护IGBT门极；

电源变换电路，用于将整流滤波电路的输出电源进行分配，分配成一个适合IGBT开通的正电压和适合IGBT关断的负电压，两者正负电压绝对值之和仍为整流滤波电路的输出电源；

过压保护电路，用于当IGBT过电压时有效抑制IGBT过电压，使IGBT工作在正常电压范围内；

所述过压保护电路中包含过压检测电路和至少一个瞬变电压抑制二极管，分别与IGBT集电极相连，组成有源钳位电路；所述有源钳位电路当有源钳位对应的IGBT发生过压时通过至少一个瞬变电压抑制二极管将过电压钳位在IGBT安全的工作电压范围内。

2.如权利要求1所述的I型三电平驱动电路，其特征在于还包括：信号检测电路，用于检测电路的输入信号时序，防止异常的信号时序对IGBT造成的损坏；逻辑保护电路，用于实时监测外部IGBT或者内部故障，出现故障时迅速动作保护IGBT。

3.如权利要求1所述的I型三电平驱动电路，其特征在于：所述DC/DC转换电路根据驱动IGBT功率要求可以外接MOSFET来增加输出能力。

4.如权利要求1所述的I型三电平驱动电路，其特征在于：还包括欠压保护电路，用于实时监测整个电路中模块供电电压，当电压低于某一值时，输出故障信号，IGBT被保护。

5.如权利要求2所述的I型三电平驱动电路，其特征在于：所述DC/DC转换电路、信号调制电路、逻辑保护电路集成于一个芯片中；所述电源变换电路、信号解调电路集成于另一个芯片中。

6.如权利要求2所述的I型三电平驱动电路，其特征在于：所述信号检测电路对三电平模块中的各个IGBT所对应的四路PWM信号进行逻辑处理，输出端与故障输出端连接在一起，当不能同时为高的两路PWM信号同时为高时，输出为低，此时出现故障，所述信号检测电路输出故障信号到信号调制电路进而输入到逻辑保护电路，逻辑保护电路检测到故障后会输出关断信号并经过隔离传输电路的传输和次边信号解调电路的解调最终输出负电压使各个IGBT均被关断。

7.如权利要求1所述的I型三电平驱动电路，其特征是：所述隔离传输电路是一种脉冲变压器，该脉冲变压器包括最少一组原边线圈和最少一组副边线圈，将经过原边集成电路处理过形成的窄脉冲信号和直流变换信号通过该变压器传输到次边。

8.如权利要求1所述的I型三电平驱动电路，其特征是：还包括整流滤波电路，用于将隔离传输电路的输出分两路独立整流滤波，并引出公共端实现正负电源输出，用于为所用正负电源供电。

9.如权利要求1所述的I型三电平驱动电路，其特征是：所述过压检测电路通过一系列电阻串联将IGBT端高压转换为低压，与预设的电压通过比较电路进行比较，检测是否发生过压；在门极与发射极之间也并联了一个低压TVS管，当门极电压超过了TVS管的耐压值时TVS管迅速导通，将门极电压钳位在设定的电压范围。

10.如权利要求1或5所述的I型三电平驱动电路，其特征是：电源变换电路，用于将整流滤波电路的输出电源进行分配，分配成一个适合IGBT开通的正电压和适合IGBT关断的负电压，两者正负电压绝对值之和仍为整流滤波电路的输出电源。