CN109450418A - 一种带开关控制单元的igbt隔离驱动电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带开关控制单元的IGBT隔离驱动电路及其控制方法，所述电路包括：产生相位互补的波形信号的脉冲驱动单元、二极管整流单元、开关控制单元、驱动电阻、关断电阻、绝缘栅双极型晶体管，所述驱动电阻、关断电阻的输出端均与绝缘栅双极型晶体管的栅极相连，所述绝缘栅双极型晶体管发射极接地。所述开关控制单元输入端与二极管整流单元连接，其输出端与关断电阻的输入端连接，以在脉冲驱动单元停止信号输出时控制绝缘栅双极型晶体管截止。本发明够在传递驱动能量的同时，完成开关信号的传递，通过开关控制单元可以很好地控制IGBT的截止、导通，同时本发明可以适用于低频工况，具有较强的实用性。

Description

一种带开关控制单元的IGBT隔离驱动电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及驱动电路技术领域，尤其涉及一种带开关控制单元的IGBT隔离驱动电路及其控制方法。

背景技术

现行主要的功率器件包括MOSFET(绝缘栅极场效晶体管)和IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，都属于电容型栅极功率器件。其驱动条件具体表现为，开通时，对其栅极电容进行充电；关断时，对其栅极电容进行放电。

隔离驱动基本要素包括：驱动能量和开关信号。隔离驱动基本电路形式包括：光耦隔离驱动和变压器隔离驱动。如图1所示，使用光耦隔离驱动方式时，需要独立的一组隔离电源提供能量，该电源一般需要工频隔离变压器或者开关电源来完成；再由光耦提供开关信号，完成开关信号的传递。

如图2所示，使用变压器隔离驱动时，在传输能量的同时，也完成了开关信号的传递。因此变压器隔离驱动实现起来更为方便，应用的成本也会更低。通常的变压器隔离驱动电路，使用了一只变压器。当变压器隔离驱动用于中高频时，配置较小的原边串联电容，即可有效的让驱动变压器在两个极性交替工作，不会由于直流偏置而导致饱和风险。而针对多路同时驱动时，只需要根据所需驱动数量直接增加绕组即可；针对特高压驱动时，只需要根据绝缘耐压情况直接增加驱动变压器级数即可，因此易于级联也是变压器隔离驱动的优点。

但在一些应用中，如：蓄电池的脉冲充电应用、焊接的交流方波电源应用，大功率固态继电器应用等。功率器件在低频工况下工作。如果直接用变压器隔离驱动，需要变压器工作在低频或单极性的状态下，这会导致变压器由于直流偏置而导致饱和的风险大大增加。因此，常规的变压器隔离驱动电路不能满足低频工况的要求。

因此面对低频工况时，即使电路设计复杂一些，一般也只能采用的光耦隔离的方式。但是光耦隔离在针对多路驱动时，每一路都要提供独立光耦以及独立隔离供电；针对特高压驱动时，单极驱动绝缘耐压不够，多级驱动时使用光耦隔离的方式，会导致电路极其复杂。

申请公布号为CN107809230A的中国发明专利公开了一种隔离型振荡解调式IGBT驱动电路，如图3所示，该电路使用了一只变压器，使用载波的方式完成能量的同时传递，并用了一只电感形成LRC振荡电路，从而实现平波、缓冲IGBT持续导通时间的作用，此电路电路简洁。但是需要提供低频的开通时，半周期的载波脉冲长期处于单极性工作，驱动变压器仍旧面临饱和风险。

然而，所述隔离型振荡解调式IGBT驱动电路存在电感缓冲效果较差、不能兼容低频工况、应用面较窄的技术问题。

发明内容

本发明的目的之一至少在于，针对如何克服上述现有技术存在的问题，提供一种带开关控制单元的IGBT隔离驱动电路，能够在传输能量的同时，也完成了开关信号的传递，同时该电路电路简洁、应用性广、具有极强的兼容性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下各方面。

一种带开关控制单元的IGBT隔离驱动电路，所述隔离驱动电路，包括：产生相位互补的波形信号的脉冲驱动单元、驱动电阻、关断电阻、绝缘栅双极型晶体管，所述驱动电阻、关断电阻的输出端均与绝缘栅双极型晶体管的栅极相连，所述绝缘栅双极型晶体管发射极接地；

进一步的，所述隔离驱动电路还包括：二极管整流单元、开关控制单元；

所述二极管整流单元输入端与脉冲驱动单元连接；所述二极管整流单元的一个输出端与驱动电阻的输入端连接，用于将脉冲驱动单元输出的相位互补的波形信号整流成直流驱动信号传输至绝缘栅双极型晶体管，以驱动绝缘栅双极型晶体管导通，所述二极管整流单元的另一输出端还与开关控制单元的输入端连接，以将脉冲驱动单元传输的波形信号整流成直流开关信号传输至开关控制单元；

所述开关控制单元输出端与关断电阻的输入端连接，所述开关控制单元对绝缘栅双极型晶体管的截止进行控制，以在脉冲驱动单元停止信号输出时，开启关断电阻的通路，为绝缘栅双极型晶体管提供放电通路，从而控制绝缘栅双极型晶体管截止。

优选的，所述隔离驱动电路中，所述脉冲驱动单元包括：脉冲宽度调制信号发生器、第三电容、脉冲变压器；

其中，所述脉冲宽度调制信号发生器有一个输入控制端，两个输出端；

所述脉冲变压器有两个绕组：原边和副边，其中，原边包括两个端子，原边同名端、原边非同名端，副边包括两个端子，副边同名端、副边非同名端；

所述脉冲宽度调制信号发生器一个输出端与脉冲变压器的原边同名端相连，所述脉冲宽度调制信号发生器另一个输出端与第三电容的一端相连；所述第三电容的另一端与脉冲变压器的原边非同名端相连，以通过第三电容阻断直流信号传输交流信号给脉冲变压器。

优选的，所述隔离驱动电路中，所述脉冲驱动单元还包括第五电阻，所述第五电阻与第三电容并联，以在脉冲宽度调制信号发生器停止信号输出时为第三电容提供一个放电通路。

优选的，所述隔离驱动电路中，所述二极管整流单元包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管；

其中，所述脉冲变压器的副边同名端与第一二极管的正极相连，还与第五二极管的负极相连后接地；所述脉冲变压器的副边非同名端与第二二极管的正极相连，还与第六二极管的负极相连后接地，所述第一二极管的负极、第二二极管的负极还与驱动电阻的一端连接，以向驱动电阻传输直流驱动信号；

所述脉冲变压器的副边同名端还与第三二极管的正极相连，所述脉冲变压器的副边非同名端与第四二极管的正极相连，所述第三二极管的负极、第四二极管的负极还与开关控制单元的输入端连接，以向开关控制单元传输直流开关信号。

优选的，所述隔离驱动电路中，所述开关控制单元包括：第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一电容、第一三极管、第二三极管；

开关控制单元的输入端与所述第三电阻一端相连，所述第三电阻另一端分别与第一三极管的集电极、第二三级管的基极相连；所述第二三极管发射极接地，其基极连接到开关控制单元的输出端，以向关断电阻传输信号；

开关控制单元的输入端还与第四电阻一端相连，所述第四电阻的另一端与第五电阻相连后接地，所述第四电阻的另一端还与第一三极管的基极相连，所述第一三极管发射极接地；

开关控制单元的输入端还与所述第一电容相连后接地。

优选的，所述隔离驱动电路中，所述第一三极管、第二三极管为NPN型晶体三极管。

优选的，所述隔离驱动电路中，所述开关控制单元对绝缘栅双极型晶体管的截止进行控制的控制方法，包括：

当脉冲驱动单元有信号输出时，经所述二极管整流单元整流后，产生两路信号，一路信号驱动所述开关控制单元关闭关断电阻的通路，以防绝缘栅双极型晶体管通过关断电阻进行放电，一路信号通过驱动电阻对绝缘栅双极型晶体管的栅极进行充电，绝缘栅双极型晶体管导通；

当脉冲驱动单元停止信号输出时，所述开关控制单元开启关断电阻的通路，绝缘栅双极型晶体管的栅极通过关断电阻进行放电，从而使绝缘栅双极型晶体管截止。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：

1、设计开关控制单元，能够在传递驱动能量的同时，完成开关信号的传递，同时开关控制单元的开启、关闭可以很好地控制IGBT的截止、导通；

2、设置二极管整流单元，利用二极管的单向导通特性将脉冲变压器传输至后端的信号进行整流；

3、通过开关控制单元的第一电容放电电路的设置，能够在PWM死区时间维持IGBT导通，使电路可以适用于低频工况，具有较强的实用性。

附图说明

图1是现有技术中的光耦隔离驱动方式电路结构示意图；

图2是现有技术中的变压器隔离驱动方式电路结构示意图；

图3是现有技术的隔离型振荡解调式IGBT驱动电路结构示意图；

图4是根据本发明示例性的带开关控制单元的IGBT隔离驱动电路结构示意图；

图5是根据本发明示例性的开关控制单元电路结构示意图；

图6是根据本发明示例性的带开关控制单元的IGBT隔离驱动电路第二种接法结构示意图。

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细说明，以使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图4示出了根据本发明示例性实施例的一种带开关控制单元的IGBT隔离驱动电路，所述隔离驱动电路，包括：产生相位互补的波形信号的脉冲驱动单元、驱动电阻R1、关断电阻R2、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)Q3，二极管整流单元、开关控制单元。所述驱动电阻、关断电阻的输出端均与绝缘栅双极型晶体管(Q3)的栅极相连，所述绝缘栅双极型晶体管发射极接地。所述驱动电阻、关断电阻的输出端还与第一稳压二极管Z1、第二稳压二极管Z2相连后接地；所述驱动电阻、关断电阻的输出端还与第二电容C2相连后接地；所述第一稳压二极管、第二稳压二极管、第二电容用于保护IGBT不被尖峰电压击穿。

所述脉冲驱动单元包括：脉冲宽度调制信号发生器(PWM发生器)U1、第三电容C3、第五电阻R5、脉冲变压器T1。

所述PWM发生器有一个输入控制端，两个输出端。PWM发生器(U1)的输入控制端用于接入一个开关信号，PWM发生器(U1)在其两个输出端形成两组相位互为180°对称的两组高频PWM波形，而无开关信号接入时，PWM发生器(U1)停止输出；相位互补的PWM波形信号，在通过脉冲变压器T1时，使得脉冲变压器T1始终工作在两个象限，此时电路产生磁通在每个脉冲周期(360°)后会回零，能降低脉冲变压器因直流偏置而导致饱和的风险。进一步的，所述PWM发生器可以是分立器件组成的可以产生相位互补PWM波形信号的电路，也可以是3524、3525、3846，TL494、NE555、CPU、DSP、CPLD以及其他可以产生相位互补PWM波形信号的芯片。

所述脉冲变压器T1有两个绕组：原边和副边，其中，原边包括两个端子，原边同名端、原边非同名端，副边包括两个端子，副边同名端、副边非同名端；所述PWM发生器一个输出端与脉冲变压器的原边同名端相连，所述PWM发生器另一个输出端与第三电容C3的一端相连；所述第三电容的另一端与脉冲变压器的原边非同名端相连，以通过第三电容阻断直流信号传输交流信号给脉冲变压器。通过所述第三电容可以提供一个阻断直流通过交流的通路，进一步降低脉冲变压器因直流偏置而导致饱和的风险。所述第五电阻R5和电容C3并联，在脉冲变压器没有传递信号时，第五电阻可以为电容C3提供一个能量泄放通路，保证电容C3的长时间工作稳定性，进一步降低驱动变压器因直流偏置而导致饱和的风险。同时脉冲驱动单元中的脉冲变压器可以把相位互补的PWM波形传递到后级。

所述二极管整流单元输入端与脉冲驱动单元连接；所述二极管整流单元的一个输出端与驱动电阻的输入端连接，用于将脉冲驱动单元输出的相位互补的波形信号整流成直流驱动信号传输至绝缘栅双极型晶体管，以驱动绝缘栅双极型晶体管导通，所述二极管整流单元的另一输出端还与开关控制单元的输入端连接，用于将脉冲驱动单元传输的波形信号整流成直流开关信号传输至开关控制单元。

所述二极管整流单元利用二极管的单向导通特性对脉冲变压器T1的输出的相位互补波形信号进行整流后，会提供两条互不干扰的通路，一路输出直流驱动信号(通过二极管D1、D2、D5、D6整流后的直流驱动信号)用于驱动IGBT，使其导通，另一路输出直流开关信号(通过二极管D3、D4、D5、D6整流后的直流开关信号)使开关控制单元中的第一电容C1充电、第一三极管Q1导通、第二三极管Q2截止，此时Q2截止，开关控制单元处于关闭状态。

所述二极管整流单元包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6；其中，所述脉冲变压器的副边同名端与第一二极管的正极相连，还与第五二极管的负极相连后接地；所述脉冲变压器的副边非同名端与第二二极管的正极相连，还与第六二极管的负极相连后接地，所述第一二极管的负极、第二二极管的负极还与驱动电阻的一端连接。

所述脉冲变压器的副边同名端还与第三二极管的正极相连，所述脉冲变压器的副边非同名端与第四二极管的正极相连，所述第三二极管的负极、第四二极管的负极还与开关控制单元的输入端(图中A端)连接，以向开关控制单元传输直流开关信号。

进一步的，如图5所示，所述开关控制单元包括：第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一电容C1、第一三极管Q1、第二三极管Q2。其中开关控制单元的输入端(图中A端)与所述第三电阻R3一端相连，所述第三电阻R3另一端分别与第一三极管Q1(NPN型晶体三极管，发射极接地)的集电极、第二三级管Q2(NPN型晶体三极管，发射极接地)的基极相连；所述第二三极管发射极接地，其基极连接到开关控制单元的输出端，以向关断电阻传输信号；开关控制单元的输入端还与第四电阻R4一端相连，所述第四电阻R4的另一端与第五电阻R5相连后接地，所述第四电阻R4的另一端还与第一三极管Q1的基极相连，所述第一三极管Q1发射极接地；开关控制单元的输入端还与所述第一电容C1相连后接地。

所述开关控制单元对IGBT的控制方法，包括：当脉冲驱动单元有信号输出时，所述第一电容充电、第一三极管导通、第二三极管截止、开关控制单元关闭，对绝缘栅双极型晶体管的栅极通过驱动电阻进行充电，绝缘栅双极型晶体管导通；当脉冲驱动单元停止信号输出时，所述第一电容放电、第一三极管截止、第二三极管导通、开关控制单元开启，绝缘栅双极型晶体管的栅极通过关断电阻进行放电，绝缘栅双极型晶体管截止。

具体的，当有开关信号输入时，PWM发生器产生的相位互补的PWM波形通过二极管D1、D2、D5、D6整流成的直流驱动信号，会通过驱动电阻R1输出至IGBT的绝缘栅极，IGBT导通；而当无开关信号输入时，相位互补的PWM波形消失，IGBT(Q3)的绝缘栅极依然会保持高电位，因此IGBT能持续导通。在没有开关控制单元的情况下，这个持续导通的时间会比较长，会引起脉冲变压因直流偏置而饱和，损害电路元器件，因此需要开关控制单元对其进行控制，可以起到很好的缓冲作用，保护电路元器件。当有开关信号输入时，相位互补的高频PWM波形通过二极管D3、D4、D5、D6整流成直流开关信号后，会对连接在开关判定电路输入端(A端)的C1进行充电，并在电阻R3与电阻R4上进行分压，随着C1充电电压的升高，三极管Q1导通，导致三极管Q2的基极为低电位，保证三极管Q2的截止，此时开关控制单元处于关闭状态。当开关控制单元处于关闭状态时，关断电阻R2无法放电，同时驱动电阻R1会在直流驱动信号的作用下对IGBT栅极电容充电，IGBT正常导通。

当无开关信号输入时，相位互补的高频PWM波形消失，此时由于第一电容C1上的电量，第一三极管Q1导通，第二三极管Q2截止，IGBT栅极电容的能量无法通过关断电阻R2释放，IGBT不会立即关断。但是随着第一电容C1上的电压下降，第四电阻R4、第五电阻R5的分压无法满足三极管Q1的导通时，A点的电压会通过第三电阻R3驱动三极管Q2的导通，此时相当于开启开关控制单元，三极管Q2的导通导致IGBT栅极电容的能量通过关断电阻R2迅速释放，IGBT截止。因此随着电容C1上的电压下降，开关控制单元的开启可以控制IGBT的截止。

进一步的，相位互补的高频PWM波形一般会设置有死区时间td(死区时间是PWM输出时，为了使H桥或半H桥的上下管不会因为开关速度问题发生同时导通而设置的一个保护时段，通常也指PWM响应时间，在这个死区时间中，其实并没有关断开关信号，是有开关信号输入的，但是没有波形输出)，在死区时间td中，脉冲变压器没有往后级提供能量，而开关控制单元中的第一电容C1可以维持死区时间td中开关控制单元输入端A点的电压(由于第一电容C1上的电量，第一三极管Q1导通，第二三极管Q2截止，IGBT栅极电容的能量无法通过关断电阻R2释放，IGBT不会立即关断)，即可以依靠第一电容C1的作用将死区时间td进行平滑过渡。又因为第一电容C1上的电量会被并联在其上的回路阻抗消耗，所以第一电容C1的大小取决于回路阻抗以及死区时间td。由此可见，当本发明的隔离驱动电路需要在低频(频率低，周期高，相应死区时间会增大)工况下进行工作时，只需将第一电容C1相应增大即可；反之，如果本发明需要应用在高频工况时，td较小时，只需将C1进行相应的降低即可。因此本发明的隔离驱动电路具有极好的兼容性，尤其可以适用于低频工况。

但是由于第一电容C1的存在，在前级开关信号消失后，三极管Q2的导通需要等待电容C1的电压下降时间，故会存在一个拖尾时间tf，该时间取决于C1的大小及回路阻抗。在回路阻抗固定的情况下，拖尾时间tf取决于C1的大小，而C1的大小取决于死区时间td。所以tf正比于td，在td足够小的情况下，C1可以很小，导致的tf也可以足够小，此时对波形失真度会大大降低。由此可见，本发明的隔离驱动电路具有极佳的性能。

图6示出了根据本发明示例性实施例的一种带开关控制单元的IGBT隔离驱动电路的第二种接法，所述隔离驱动电路中的二极管整流单元还有另外一种接法，第一二极管D1、第二二极管D2、第五二极管D5、第六二极管D6形成整流电路，将脉冲变压器的PWM波形整流成直流；第三二极管D3连接到驱动电阻R1，用于驱动IGBT；第四二极管D4连接到开关判定电路的输入端，用于开关判定。

以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种带开关控制单元的IGBT隔离驱动电路，所述隔离驱动电路，包括：产生相位互补的波形信号的脉冲驱动单元、驱动电阻、关断电阻、绝缘栅双极型晶体管，所述驱动电阻、关断电阻的输出端均与绝缘栅双极型晶体管的栅极相连，所述绝缘栅双极型晶体管发射极接地，其特征在于，所述隔离驱动电路还包括：二极管整流单元、开关控制单元；

所述二极管整流单元输入端与脉冲驱动单元连接；所述二极管整流单元的一个输出端与驱动电阻的输入端连接，用于将脉冲驱动单元输出的相位互补的波形信号整流成直流驱动信号传输至绝缘栅双极型晶体管，以驱动绝缘栅双极型晶体管导通，所述二极管整流单元的另一输出端还与开关控制单元的输入端连接，以将脉冲驱动单元传输的波形信号整流成直流开关信号传输至开关控制单元；

所述开关控制单元输出端与关断电阻的输入端连接，所述开关控制单元对绝缘栅双极型晶体管的截止进行控制，以在脉冲驱动单元停止信号输出时，开启关断电阻的通路，为绝缘栅双极型晶体管提供放电通路，从而控制绝缘栅双极型晶体管截止。

2.根据权利要求1所述的隔离驱动电路，其特征在于，所述脉冲驱动单元包括：脉冲宽度调制信号发生器、第三电容、脉冲变压器；

其中，所述脉冲宽度调制信号发生器有一个输入控制端，两个输出端；

所述脉冲变压器有两个绕组：原边和副边，其中，原边包括两个端子，原边同名端、原边非同名端，副边包括两个端子，副边同名端、副边非同名端；

所述脉冲宽度调制信号发生器一个输出端与脉冲变压器的原边同名端相连，所述脉冲宽度调制信号发生器另一个输出端与第三电容的一端相连；所述第三电容的另一端与脉冲变压器的原边非同名端相连，以通过第三电容阻断直流信号传输交流信号给脉冲变压器。

3.根据权利要求2所述的隔离驱动电路，其特征在于，所述脉冲驱动单元还包括第五电阻，所述第五电阻与第三电容并联，以在脉冲宽度调制信号发生器停止信号输出时为第三电容提供一个放电通路。

4.根据权利要求3所述的隔离驱动电路，其特征在于，所述二极管整流单元包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管；

其中，所述脉冲变压器的副边同名端与第一二极管的正极相连，还与第五二极管的负极相连后接地；所述脉冲变压器的副边非同名端与第二二极管的正极相连，还与第六二极管的负极相连后接地，所述第一二极管的负极、第二二极管的负极还与驱动电阻的一端连接，以向驱动电阻传输直流驱动信号；

所述脉冲变压器的副边同名端还与第三二极管的正极相连，所述脉冲变压器的副边非同名端与第四二极管的正极相连，所述第三二极管的负极、第四二极管的负极还与开关控制单元的输入端连接，以向开关控制单元传输直流开关信号。

5.根据权利要求4所述的隔离驱动电路，其特征在于，所述开关控制单元包括：第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一电容、第一三极管、第二三极管；

开关控制单元的输入端与所述第三电阻一端相连，所述第三电阻另一端分别与第一三极管的集电极、第二三级管的基极相连；所述第二三极管发射极接地，其基极连接到开关控制单元的输出端，以向关断电阻传输信号；

开关控制单元的输入端还与第四电阻一端相连，所述第四电阻的另一端与第五电阻相连后接地，所述第四电阻的另一端还与第一三极管的基极相连，所述第一三极管发射极接地；

开关控制单元的输入端还与所述第一电容相连后接地。

6.根据权利要求5所述的隔离驱动电路，其特征在于，所述第一三极管、第二三极管为NPN型晶体三极管。

7.根据权利要求1所述的隔离驱动电路，其特征在于，所述开关控制单元对绝缘栅双极型晶体管的截止进行控制的控制方法，具体包括：

当脉冲驱动单元有信号输出时，经所述二极管整流单元整流后，产生两路信号，一路信号驱动所述开关控制单元关闭关断电阻的通路，以防绝缘栅双极型晶体管通过关断电阻进行放电，一路信号通过驱动电阻对绝缘栅双极型晶体管的栅极进行充电，绝缘栅双极型晶体管导通；

当脉冲驱动单元停止信号输出时，所述开关控制单元开启关断电阻的通路，绝缘栅双极型晶体管的栅极通过关断电阻进行放电，从而使绝缘栅双极型晶体管截止。