CN109861505B - 适用于高速变频器的igbt驱动电路拓扑结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于高速变频器的IGBT驱动电路拓扑结构，具体为：驱动信号生成模块设的IGBT开通信号输出端经开通信号隔离模块连接开通信号放大单元的控制端，驱动信号生成模块设的IGBT关断信号输出端经关断信号隔离模块连接关断信号放大单元的控制端，开通信号放大单元的电源端经高阻态预防单元连接多路隔离电源的正极电源输出端，关断信号放大单元的电源端直接连接多路隔离电源的负极电源输出端，开通信号放大单元和关断信号放大单元的输出端同时连接IGBT门极。本发明能用于高速变频器驱动电路中，具有软关断功能，且整体集成度高、电路简单实用、保护可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动电路拓扑结构，尤其是适用于高速变频器的IGBT驱动电路拓扑结构。
背景技术
随着电力电子技术的不断发展，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的驱动能力及开关速度得到了极大提高。以IGBT为硬件核心的变频器产品也在开关频率上有了极大提升，普通变频器输出频率已提升至数千赫兹级别，对应的IGBT开关频率也提升至数十千赫兹左右的水平，给变频器整个硬件系统带来了相对严苛的挑战。
尤其是IGBT驱动电路系统，过高的开关频率对驱动回路的信号传输及保护都带来了较大的挑战，通用型的驱动电路方案在集成度、电路保护以及软关断等技术上已经无法满足高速变频器的应用需求。主要存在的问题有：
1.驱动电路软关断实施方案复杂：在变频器输出短路或发生过电流情况时，IGBT需要快速可靠关断，以确保自身不会因运行指标超过SOA区域或者热击穿损坏。但是由于变频器回路寄生电感的存在，过快的切除Ic电流有可能会引起电压尖峰，使得回路中元器件过电压损坏。IGBT软关断技术可有效解决元件自身因快速关断而导致的尖峰电压问题，但是常规的软关断方案过于复杂不利于系统的高集成度设计，例如申请号为201410073568.6的中国发明专利申请中的软关断方案。
2.驱动电路拓扑结构集成度低：驱动电源、隔离模块以及保护电路间的配合关系不好，整个电路离散性大，导致隔离、驱动以及保护电路集成度低、故障点增加。
3.驱动电路在驱动控制信号存在串扰以及线路异常导致的高阻输入等异常状态时，可能导致IGBT驱动及保护动作失效，进而引起IGBT模块严重故障。
发明内容
本发明旨在提供了一种适用于高速变频器的IGBT驱动电路拓扑结构，解决通用变频器驱动电路在应用于高开关频率场合时存在的软关断方案复杂、驱动拓扑集成度低以及可能存在的信号失效等问题。
本发明的主要技术方案有：
一种适用于高速变频器的IGBT驱动电路拓扑结构，包括驱动信号生成模块、驱动信号隔离模块、多路隔离电源、驱动信号放大单元和用于检测所述多路隔离电源状态的高阻态预防单元，所述驱动信号生成模块设有一个IGBT单桥臂开关驱动信号输入端、一个IGBT开通信号输出端和一个IGBT关断信号输出端，所述驱动信号隔离模块包括开通信号隔离模块和关断信号隔离模块，所述驱动信号放大单元包括开通信号放大单元和关断信号放大单元，所述IGBT开通信号输出端经所述开通信号隔离模块连接所述开通信号放大单元的控制端，所述IGBT关断信号输出端经所述关断信号隔离模块连接所述关断信号放大单元的控制端，所述开通信号放大单元的电源端经所述高阻态预防单元与所述多路隔离电源的正极电源输出端相连，所述关断信号放大单元的电源端直接与所述多路隔离电源的负极电源输出端相连，所述开通信号放大单元和关断信号放大单元的输出端相连接，并构成为IGBT模块的门极连接端。
所述驱动信号隔离模块优选采用高速光耦隔离的方式进行信号的隔离输出。
所述开通信号放大单元可以包括PMOS管，所述PMOS管的漏极与所述IGBT门极连接端之间串联有第一门极电阻R1和共模电感L1，所述PMOS管的栅极与源极间连接有上拉电阻R5以及与所述上拉电阻R5并联的背靠背式串接的两个TVS管D2和D3，所述PMOS管的源极构成所述开通信号放大单元的电源端，所述PMOS管的栅极经栅极驱动电阻R4连接隔离模块，所述栅极驱动电阻R4连接所述开通信号隔离模块PC1的一端即为所述开通信号放大单元的控制端。
所述关断信号放大单元可以包括NMOS管，所述NMOS管的漏极与所述IGBT门极连接端之间串联有第二门极电阻R2和共模电感L1，所述NMOS管栅极与源极间连接有背靠背式串接的两个TVS管D4和D5，靠近所述NMOS管栅极的所述TVS管D4还并联有下拉电阻R6，所述NMOS管的源极构成所述关断信号放大单元的电源端，所述NMOS管的栅极经栅极驱动电阻R3连接隔离模块，所述栅极驱动电阻R3连接所述关断信号隔离模块PC2的一端即为所述关断信号放大单元的控制端。
所述多路隔离电源优选包括高频隔离变压器T1，所述高频隔离变压器的原边绕组与一功率型开关管V1串联，所述功率型开关管的基极连接前级开关电源芯片U1的门驱动输出端GD，所述高频隔离变压器的副边设有多路输出，每一路输出对应于所述多路隔离电源的一路输出，包括一对正极电源输出端和负极电源输出端，其中一路输出还反馈连接到所述前级开关电源芯片的误差放大器的反相输入端INV。
所述多路隔离电源与变频器内部控制电路采用开关电源一体化设计，输出路数与变频器用IGBT驱动所需电源路数相同。
所述高频隔离变压器的绕线优选为三层绝缘线。
所述适用于高速变频器的IGBT驱动电路拓扑结构还包括反馈信号处理电路和反馈信号隔离模块，所述反馈信号处理电路的输入端连接IGBT模块的发射极，所述反馈信号处理电路的输出端经所述反馈信号隔离模块连接所述驱动信号生成模块的反馈信号输入端。
所述高阻态预防单元可以包括MOS管和TVS稳压模块D1，所述MOS管的源极连接所述正极电源输出端，所述MOS管的漏极连接所述开通信号放大单元的电源端，所述MOS管的栅极与所述多路隔离电源的负极电源输出端之间串接栅极驱动电阻和所述TVS稳压模块D1，其中所述TVS稳压模块的正极连接所述多路隔离电源的负极电源输出端，所述MOS管的源极和栅极之间并联有分压电阻和滤波电容，所述MOS管的漏极和所述负极电源输出端各自与地之间设有相并联的一路电阻和多路电容。
本发明的有益效果是：
通过将开关驱动信号分解为IGBT开通信号和IGBT关断信号两路信号，并分别送入开通信号放大单元和关断信号放大单元进行放大后并联输出至IGBT门极，利用开通信号放大单元和关断信号放大单元的同一时刻开通和关断状态的异同组合出IGBT门极充电、IGBT门极放电和IGBT门极软关断三种状态，使得本发明的IGBT驱动电路以简单的电路结构获得了软关断功能。
所述多路隔离电源与变频器内部控制电路及检测回路采用开关电源一体化设计，输出路数与变频器用IGBT驱动所需电源路数相同，使得本发明的IGBT驱动电路的整体集成度提高。不仅如此，本发明还将多路隔离电源中的一路电源作为稳压反馈基准电压，这样所有各路电源都实现了稳压，同时因为只需要对一路进行保护即可完成对整个电源的过欠压保护，相比离散式设计大幅减少了器件和功能点，因此减少了故障点，可靠性得到提高。
由于采用了有MOS管和TVS稳压模块参与组成的高阻态预防单元，用于检测所述多路隔离电源的状态，所述高阻态预防单元默认状态下为关断状态，当多路隔离电源的电压发生剧烈波动、电源上升期间以及电源输入高阻态异常时，所述高阻态预防单元可以保持关断状态，开通信号放大单元的电源端不得电，开通信号放大单元关断，IGBT门极维持在低电平状态，因此能有效防止IGBT的异常开通或者低电压启动。
开通信号放大单元和关断信号放大单元各自的MOS管的栅源之间都设置有钳位保护电路，当栅源极间压降超过设定值时，保护电路动作实现对栅极电压的钳位，以确保栅源极电压降维持在安全范围内，使保护更可靠。
附图说明
图1是本发明的电路拓扑结构图；
图2是本发明的驱动信号放大单元及与其相连的驱动信号隔离模块的一个实施例的电路原理图；
图3是本发明的高阻态预防单元的一个实施例的电路原理图；
图4是本发明的多路隔离电源一个实施例的简易电路原理图。
具体实施方式
本发明公开了一种适用于高速变频器的IGBT驱动电路拓扑结构(简称为IGBT驱动电路)，如图1所示，包括用于将PWM信号分解成开通和关断两路信号的驱动信号生成模块1、驱动信号隔离模块2、多路IGBT隔离电源(或称多路隔离电源)3、驱动信号放大单元6和用于检测所述多路隔离电源状态的高阻态预防单元7。
所述驱动信号生成模块用于将IGBT单桥臂的PWM开关驱动信号分解为两路输出，即：IGBT开通信号和IGBT关断信号。所述驱动信号生成模块为数字逻辑电路，设有一个IGBT单桥臂开关驱动信号输入端、一个IGBT开通信号输出端和一个IGBT关断信号输出端。所述驱动信号隔离模块包括开通信号隔离模块和关断信号隔离模块。所述驱动信号放大单元包括开通信号放大单元和关断信号放大单元，分别用于放大IGBT开通信号和IGBT关断信号。所述IGBT开通信号输出端经所述开通信号隔离模块连接所述开通信号放大单元的控制端，所述IGBT关断信号输出端经所述关断信号隔离模块连接所述关断信号放大单元的控制端。所述开通信号放大单元的电源端经所述高阻态预防单元与所述多路隔离电源的正极电源输出端相连，所述关断信号放大单元的电源端直接与所述多路隔离电源的负极电源输出端相连。所述开通信号放大单元和关断信号放大单元的输出端相连接，并构成为IGBT模块(简称IGBT)的门极连接端，用于与IGBT的门极相连。
所述开通信号放大单元和关断信号放大单元并联输出至IGBT的门极，可组合出三种输出状态，分别为：所述开通信号放大单元开通，同时所述关断信号放大单元关断时的IGBT门极充电状态；所述开通信号放大单元关断，同时所述关断信号放大单元开通时的IGBT门极放电状态；所述开通信号放大单元与所述关断信号放大单元同时关断时的IGBT门极软关断状态。
所述IGBT门极软关断状态是指IGBT在严重过电流及短路状态时，变频器并不是直接给IGBT门极负压关断，而是让开通信号和关断信号同时处于关断状态，此时IGBT门极对发射极等电位，维持一段时间后再通过开通关断信号彻底关断IGBT，这样可以延长IGBT关断时间，避免因门极电压迅速下降而导致IGBT出现非常高的关断尖峰电压，从而实现IGBT软关断。
所述驱动信号隔离模块采用高速光耦隔离的方式进行开通和关断信号的反向隔离输出。
如图2所示，所述开通信号放大单元可以包括用于信号放大的PMOS管V2B，所述PMOS管的栅极由所述驱动信号生成模块生成的IGBT开通信号经过隔离后进行控制，所述PMOS管的漏极与所述IGBT门极连接端之间串联有第一门极电阻R1和共模电感L1，所述PMOS管的栅极与源极间连接有上拉电阻R5以及与所述上拉电阻并联的背靠背式串接的两个TVS管D2和D3，所述PMOS管的源极构成所述开通信号放大单元的电源端，所述PMOS管的栅极经栅极驱动电阻R4连接所述开通信号隔离模块，所述栅极驱动电阻R4的另一端构成所述开通信号放大单元的控制端。本实施例中，TVS管D2和D3的钳位电压设置为12VDC，VCC+为12VDC；当V2B栅极至源极压降大于±12VDC时，TVS管动作，实现对栅极电压的钳位，确保V2B栅极至源极电压降维持在安全范围内，从而实现对V2B的栅极的保护。
如图2所示，所述关断信号放大单元可以包括用于信号放大的NMOS管V2A，所述NMOS管的栅极由所述驱动信号生成模块生成的IGBT关断信号经过隔离后进行控制，所述NMOS管的漏极与所述IGBT门极连接端之间串联有第二门极电阻R2和共模电感L1，所述NMOS管栅极与源极间连接有背靠背式串接的两个TVS管D4和D5，靠近所述NMOS管栅极的所述TVS管D4还并联有下拉电阻R6，所述NMOS管的源极构成所述关断信号放大单元的电源端，所述NMOS管的栅极经栅极驱动电阻R3连接所述关断信号隔离模块，所述栅极驱动电阻R3的另一端构成所述关断信号放大单元的控制端。TVS管D4和D5对V2A的栅极的保护原理同上。
通过调节栅极驱动电阻R4和R3，可以分别实现对所述开通信号和关断信号的边沿的调整。
所述多路隔离电源与变频器内部控制电路及检测回路采用开关电源一体化设计，即所述多路隔离电源集成在变频器的主开关电源上，提高了驱动电路的集成度。多路隔离电源的输出路数(附图所示为6路)与变频器用IGBT驱动所需电源路数相同。
如图4所述，所述多路隔离电源优选采用高频隔离变压器T1实现隔离，所述高频隔离变压器的原边绕组与一功率型开关管V1串联，所述功率型开关管的基极连接前级开关电源芯片U1的门驱动输出端GD，所述高频隔离变压器的副边设有多路输出，每一路输出对应于所述多路隔离电源的一路输出，包括一对正极电源输出端和负极电源输出端，其中一路输出还反馈连接到所述前级开关电源芯片U1的误差放大器的反相输入端INV，充当反馈电压控制基准，用于前级开关电源芯片的开关输出控制。通过将多路隔离电源中的一路电源作为稳压反馈基准电压，使所有各路电源都实现了稳压，同时因为只需要对一路进行保护即可完成对整个电源的过欠压保护，相比离散式设计大幅减少了器件和功能点，因此减少了故障点，可靠性得到提高。所述前级开关电源芯片的开关信号用于控制变压器的原边电源的定频占空比。电源输入端子JX1的1脚接变频器直流电源负，JX1的5脚接变频器直流电源正。
所述高频隔离变压器的绕线优选采用三层绝缘线。由于三层绝缘线具有高绝缘能力，绕制时无需在原副边加独立绝缘层，因此可以多股并绕，从而减少漏感。
本实施例中，所述多路隔离电源优选为单端反激型开关电源，输出分为六路，分别供给三相输出的U、V、W的上、下桥臂，六路均通过所述高频隔离变压器隔离。
所述适用于高速变频器的IGBT驱动电路拓扑结构还包括反馈信号处理电路5和反馈信号隔离模块4，所述反馈信号处理电路的输入端连接IGBT模块的发射极，所述反馈信号处理电路的输出端经所述反馈信号隔离模块连接所述驱动信号生成模块的反馈信号输入端。反馈信号为串行信号，包含IGBT实际开关波形信息及Vce检测的状态信息。开通信号和关断信号受到IGBT实际信号的约束，当IGBT出现过电流、短路等危险工况时，基于反馈信息，所述驱动信号生产模块可以快速输出关断信号。
所述反馈信号处理电路采用电阻分压原理检测IGBT模块上、下桥臂的时域信号变化，通过TVS管及电阻串联的原理检测IGBT两端过电压情况。所述反馈信号处理电路的输出端直接与所述反馈信号隔离模块相连。
所述反馈信号隔离模块也采用光隔离原理。所述驱动信号生成模块和反馈信号处理电路都依靠相应的信号隔离模块与IGBT工作回路形成了安全隔离。
如图3所示，所述高阻态预防单元可以包括MOS管V1和TVS稳压模块D1，所述MOS管的源极连接所述多路隔离电源的所述正极电源输出端V1+，所述MOS管的漏极连接所述开通信号放大单元的电源端，为所述开通信号放大单元提供电源电压Vcc+(开通控制用电源)，所述MOS管的栅极与所述多路隔离电源的负极电源输出端Vcc-(关断控制用电源)之间串接栅极驱动电阻和所述TVS稳压模块D1，其中所述TVS稳压模块的正极连接所述多路隔离电源的负极电源输出端。所述MOS管的源极和栅极之间并联有分压电阻和滤波电容，所述MOS管的漏极和所述多路隔离电源的负极电源输出端各自与地之间设有相并联的一路电阻和多路电容。当所述多路隔离电源的正极电源输出端电压V1+与负极电源输出端电压Vcc-之间的压降没有超过TVS稳压模块D1的钳位电压值时，MOS管V1的栅极及源极间压降为零，MOS管V1保持关断状态，即所述高阻态预防单元在默认状态下为关断状态。当所述多路隔离电源输出的电压抬升至设置动作电压点时，即电源电压V1+与Vcc-间压降超过TVS稳压模块D1的钳位电压值时，MOS管V1进入开通状态，Vcc+得电，此时所述IGBT方可进入正常开关控制状态，所述高阻态预防单元的状态由关断状态切换至开通状态，Vcc+为所述开通信号放大单元供电。当所述多路隔离电源在电压剧烈波动、电源上升期间以及电源输入高阻态异常时，所述高阻态预防单元处于关断状态，即IGBT门极维持在低电平状态，因此能有效防止IGBT的异常开通或者低电压启动。
本发明集成有软关断功能，并具有整体集成度高、电路简单实用且保护可靠的优点。
Claims (8)
1.一种适用于高速变频器的IGBT驱动电路拓扑结构，其特征在于：包括驱动信号生成模块、驱动信号隔离模块、多路隔离电源、驱动信号放大单元和用于检测所述多路隔离电源状态的高阻态预防单元，所述驱动信号生成模块设有一个IGBT单桥臂开关驱动信号输入端、一个IGBT开通信号输出端和一个IGBT关断信号输出端，所述驱动信号隔离模块包括开通信号隔离模块和关断信号隔离模块，所述驱动信号放大单元包括开通信号放大单元和关断信号放大单元，所述IGBT开通信号输出端经所述开通信号隔离模块连接所述开通信号放大单元的控制端，所述IGBT关断信号输出端经所述关断信号隔离模块连接所述关断信号放大单元的控制端，所述开通信号放大单元的电源端经所述高阻态预防单元与所述多路隔离电源的正极电源输出端相连，所述关断信号放大单元的电源端直接与所述多路隔离电源的负极电源输出端相连，所述开通信号放大单元和关断信号放大单元的输出端相连接，并构成为IGBT模块的门极连接端；所述高阻态预防单元包括MOS管和TVS稳压模块D1，所述MOS管的源极连接所述正极电源输出端，所述MOS管的漏极连接所述开通信号放大单元的电源端，所述MOS管的栅极与所述多路隔离电源的负极电源输出端之间串接栅极驱动电阻和所述TVS稳压模块D1，其中所述TVS稳压模块的正极连接所述多路隔离电源的负极电源输出端，所述MOS管的源极和栅极之间并联有分压电阻和滤波电容，所述MOS管的漏极和所述负极电源输出端各自与地之间设有相并联的一路电阻和多路电容；所述多路隔离电源与变频器内部控制电路采用开关电源一体化设计，输出路数与变频器用IGBT驱动所需电源路数相同。
2.如权利要求1所述的适用于高速变频器的IGBT驱动电路拓扑结构，其特征在于：所述驱动信号隔离模块采用高速光耦隔离的方式进行信号的隔离输出。
3.如权利要求1所述的适用于高速变频器的IGBT驱动电路拓扑结构，其特征在于：所述开通信号放大单元包括PMOS管，所述PMOS管的漏极与IGBT门极连接端之间串联有第一门极电阻R1和共模电感L1，所述PMOS管的栅极与源极间连接有上拉电阻R5以及与所述上拉电阻R5并联的背靠背式串接的两个TVS管D2和D3，所述PMOS管的源极构成所述开通信号放大单元的电源端，所述PMOS管的栅极连接一栅极驱动电阻R4的一端，所述栅极驱动电阻R4的另一端构成所述开通信号放大单元的控制端。
4.如权利要求1所述的适用于高速变频器的IGBT驱动电路拓扑结构，其特征在于：所述关断信号放大单元包括NMOS管，所述NMOS管的漏极与IGBT门极连接端之间串联有第二门极电阻R2和共模电感L1，所述NMOS管栅极与源极间连接有背靠背式串接的两个TVS管D4和D5，靠近所述NMOS管栅极的所述TVS管D4还并联有下拉电阻R6，所述NMOS管的源极构成所述关断信号放大单元的电源端，所述NMOS管的栅极连接一栅极驱动电阻R3的一端，所述栅极驱动电阻R3的另一端构成所述关断信号放大单元的控制端。
5.如权利要求1、2、3或4所述的适用于高速变频器的IGBT驱动电路拓扑结构，其特征在于：所述多路隔离电源包括高频隔离变压器，所述高频隔离变压器的原边绕组与一功率型开关管串联，所述功率型开关管的基极连接前级开关电源芯片的门驱动输出端，所述高频隔离变压器的副边设有多路输出，每一路输出对应于所述多路隔离电源的一路输出，包括一对正极电源输出端和负极电源输出端，其中一路输出还反馈连接到所述前级开关电源芯片的误差放大器的反相输入端。
6.如权利要求5所述的适用于高速变频器的IGBT驱动电路拓扑结构，其特征在于：所述高频隔离变压器的绕线为三层绝缘线。
7.如权利要求1所述的适用于高速变频器的IGBT驱动电路拓扑结构，其特征在于：还包括反馈信号处理电路和反馈信号隔离模块，所述反馈信号处理电路的输入端连接IGBT模块的发射极，所述反馈信号处理电路的输出端经所述反馈信号隔离模块连接所述驱动信号生成模块的反馈信号输入端。
8.如权利要求7所述的适用于高速变频器的IGBT驱动电路拓扑结构，其特征在于：所述反馈信号隔离模块采用高速光耦隔离的方式进行信号的隔离输出。
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