CN110492723A - 一种燃料电池汽车高速空压机用逆变器驱动电路 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池汽车高速空压机用逆变器驱动电路，其包括：驱动模块，用于产生驱动信号；信号输出模块，用于输出控制信号；IGBT模块；以及延时模块，用于检测误差并防止误开断，其中，信号输出模块串联在驱动模块与IGBT模块之间，延时模块连接在驱动模块与直流母线之间，信号输出模块包括放大模块和后级驱动输出模块，由驱动模块输出的驱动信号经由放大模块处理后传输至后级驱动输出模块，后级驱动输出模块与IGBT模块的栅极连接，驱动模块包括用于接收来自上位机命令的控制板和连接在控制板上用于产生驱动信号的驱动芯片。本发明可以保证在燃料电池空压机用逆变器运行时驱动信号稳定可靠，加快IGBT的开关速度、降低开关损耗、减小开关过程中电磁干扰问题。

Description

一种燃料电池汽车高速空压机用逆变器驱动电路

技术领域

本发明涉及电力电子电路技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池汽车高速空压机用逆变器驱动电路。

背景技术

逆变器中IGBT是进行电能变换的核心部件，由于工作在高电压、大电流的环境当中，加之电能转换过程中的高频斩波，会造成自身损耗大，电磁干扰严重等问题。此外，逆变电路中有多个IGBT开关管，存在非常多的开关状态。在每个开关管的开关过程中，其驱动浮地电位变化更加频繁，驱动信号易受到开关管的影响。因此，为保证IGBT的开关特性、增强自我保护功能，逆变器驱动电路设计成为逆变器设计的重点之一。

目前IGBT驱动电路虽能够满足驱动和保护的基本要求，但大多存在一定问题。例如，过流保护无自锁能力、关断效果不佳导致工作频率和控制精度受限等。燃料电池空压机由于转速高、电压电流大，因此对逆变器的开关频率、控制精度、故障处理能力要求也随之提高。

发明内容

本发明提供一种燃料电池汽车高速空压机用逆变器驱动电路，用以解决上述现有技术中存在的至少一个问题。

为达到上述目的，本发明提供了一种燃料电池汽车高速空压机用逆变器驱动电路，其包括：

驱动模块，用于产生驱动信号；

信号输出模块，用于输出控制信号；

IGBT模块，用于实现三相输出；以及

延时模块，用于检测误差并防止误开断，

其中，信号输出模块串联在驱动模块与IGBT模块之间，延时模块连接在驱动模块与直流母线之间，

信号输出模块包括放大模块和后级驱动输出模块，由驱动模块输出的驱动信号经由放大模块处理后传输至后级驱动输出模块，后级驱动输出模块与 IGBT模块的栅极连接，

驱动模块包括用于接收来自上位机命令的控制板和连接在控制板上用于产生驱动信号的驱动芯片。

在本发明的一实施例中，延时模块包括一第一电容、一第一电阻和一高压二极管，其中，第一电容用于调节消隐时间，第一电阻用于限流，高压二极管用于防止反向电压击穿，第一电阻和高压二极管串联接在驱动芯片与 IGBT模块的高压端之间，第一电容连接在驱动芯片与地之间。

在本发明的一实施例中，放大模块包括一NPN型开关三极管、一PNP 型开关三极管和一限流电阻，NPN型开关三极管与PNP型开关三极管串联连接，NPN型开关三极管与一外接电源连接，PNP型开关三极管与地连接；限流电阻的一端与驱动芯片连接，另一端与NPN型开关三极管的基极以及PNP 型开关三极管的基极连接。

在本发明的一实施例中，后级驱动输出模块包括一双向稳压二极管、一第二电容和一下拉电阻，

双向稳压二极管用于防止电压过高损伤IGBT模块的栅极，第二电容用于滤波，下拉电阻用于降低寄生电容引起的不良影响，双向稳压二极管、第二电容和下拉电阻并联接在放大模块与地之间。

本发明提供的燃料电池汽车高速空压机用逆变器驱动电路能够将从前端输入而来的指令转换为可靠、高精度的驱动信号，同时自身具有一定的防干扰和故障处理能力。其中，驱动芯片通过一驱动电阻连接到IGBT模块的栅极，驱动电阻的阻值可以改变IGBT的开关特性，通过权衡取值，加快IGBT 的开关速度、降低开关损耗、减小开关过程中电磁干扰问题；后级驱动输出模块中的双向稳压二极管可防止驱动电路输出故障时输出驱动信号的电压过高而损伤IGBT；通过增加后级驱动输出模块的门极下拉电阻构成低阻抗电路，防止因寄生电容产生的电压抬升导致IGBT误触发。驱动芯片本身具有驱动电压欠压保护功能，因此在此基础上增加短路保护。当IGBT导通时，由于导通电压较低，二极管被嵌位限制住；当IGBT短路时，电容两端电压不断充高，当到达预设值时，驱动芯片进入保护状态，封锁IGBT驱动输出。通过使用本发明的驱动电路，可以保证在燃料电池空压机用逆变器运行时驱动信号稳定可靠，加快IGBT的开关速度、降低开关损耗、减小开关过程中电磁干扰问题；同时电路具有自我保护功能，在突发情况下保护驱动电路和IGBT模块。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例的燃料电池汽车高速空压机用逆变器驱动电路的电路图。

附图标记说明：1-驱动模块；11-控制板；12-驱动芯片；2-延时模块；3- 信号输出模块；31-放大模块；32-后级驱动输出模块；4-IGBT模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明一个实施例的燃料电池汽车高速空压机用逆变器驱动电路的电路图，如图1所示，本发明提供的燃料电池汽车高速空压机用逆变器驱动电路，其包括：

驱动模块1，用于产生驱动信号；

信号输出模块3，用于输出控制信号；

IGBT模块4，用于实现三相输出；以及

延时模块2，用于检测误差并防止误开断，

其中，信号输出模块3串联在驱动模块1与IGBT模块4之间，延时模块2连接在驱动模块1与直流母线之间，

信号输出模块3包括放大模块31和后级驱动输出模块32，由驱动模块1 输出的驱动信号经由放大模块31处理后传输至后级驱动输出模块32，后级驱动输出模块32与IGBT模块4的栅极连接，信号输出模块3还包括驱动电阻R14和降压保护电阻R18。驱动电阻R14连接到IGBT模块的栅极；降压保护电阻R18由驱动模块1连接到IGBT模块的栅极，当IGBT模块导通时，可将CLAMP接地或拉低。

驱动模块1包括用于接收来自上位机命令的控制板11和连接在控制板11上用于产生驱动信号的驱动芯片12，控制板11与驱动芯片12之间通过排线连接。由控制板11输出的控制信号以脉冲的形式进入到驱动芯片12中，在驱动芯片12中转化成驱动信号后传递给放大模块31；驱动信号经外接电源放大后，成为可供IGBT模块识别的电信号，下一步传递给后级驱动输出模块32；经后级驱动输出模块32处理的电信号不含误触发信号和损害电压，这时可以将信号传递给IGBT模块4。此时IGBT模块4 所收到的信号为处理过、不带干扰的信号，可保证逆变器的正常工作。

需要说明的是，IGBT模块由三个单桥组成，其中每个单桥可分为高压端和低压端两部分，即共可将IGBT模块分为六路。本发明只对具有相同驱动方式的六路IGBT中的一路进行分析。

如图1所示，延时模块2包括一第一电容C9、一第一电阻R10和一高压二极管D5，其中，第一电容C9用于调节消隐时间，第一电阻R10用于限流，高压二极管D5用于防止反向电压击穿，第一电阻R10和高压二极管D5串联接在驱动芯片12与IGBT模块4的高压端之间，第一电容C9连接在驱动芯片12与地之间。

图1中，放大模块31包括一NPN型开关三极管Q7、一PNP型开关三极管Q8和一限流电阻R11，NPN型开关三极管Q7与PNP型开关三极管Q8 串联连接，NPN型开关三极管Q7与一外接电源连接，PNP型开关三极管Q8 与地连接；限流电阻R11的一端与驱动芯片12连接，另一端与NPN型开关三极管Q7的基极以及PNP型开关三极管Q8的基极连接，限流电阻R11用于将输出信号放大。

后级驱动输出模块32包括一双向稳压二极管TVS1、一第二电容C11和一下拉电阻R16，第二电容C11、下拉电阻R16构成一RC滤波电路，双向稳压二极管TVS1和RC滤波电路并联接在IGBT模块栅极驱动信号与地之间，以保证信号的稳定性。

双向稳压二极管TVS1用于防止电压过高损伤IGBT模块4的栅极，第二电容C11用于滤波，下拉电阻R16用于降低寄生电容引起的不良影响，双向稳压二极管TVS1、第二电容C11和下拉电阻R16并联接在放大模块与地之间。

延时模块2由于高压二极管D5连接到IGBT模块的高压侧，承受电压较高，故选用高压二极管D5以防止击穿，并且其漏电流同样会影响第一电容C9的电压高低，因此要求其具有尽可能小的漏电流，故选用高压二极管或两个二极管串联使用。第一电阻R10和第一电容C9组成了短路故障检测的延时环节，因为IGBT的开通过程需要一定的时间，在这段时间内IGBT集电极和发射极之间的电压依然较大，此时应屏蔽驱动芯片12 的饱和压降检测功能，以避免误判断。

参照图1，放大电路31中限流电阻R11可以调节输入到NPN型开关三极管Q7和PNP型开关三极管Q8的电流，保证两个开关三极管正常工作的同时不被损坏。当驱动模块1输出高电平时，经过限流电阻R11可使 NPN型开关三极管Q7开通而PNP型开关三极管Q8关断，此时，驱动信号经由NPN型开关三极管Q7在外接电源的放大后，产生可供IGBT识别的信号，传递到IGBT的栅极；当驱动模块1输出低电平时，经过限流电阻 R11可使PNP型开关三极管Q8开通而NPN型开关三极管Q7关断，此时，驱动信号经由PNP型开关三极管Q8在接地后，产生可供IGBT关断的低信号，传递到IGBT的栅极。

参照图1，双向稳压二极管TVS1能够防止驱动电路输出故障时输出驱动信号的电压过高而损坏IGBT的栅极，其稳压值应稍高于驱动电压，通常可取为±18V。经放大模块31放大后电信号可能带有尖峰、毛刺等现象，设置滤波电容C11可有效降低上述问题所带来的影响；IGBT的集电极- 栅极和栅极-发射极之间存在着寄生电容，当IGBT集电极和发射极之间的电压突然变化时，就会通过这些寄生电容产生电流，使栅极电势上升，造成IGBT误触发。为了防止上述情况的发生，通常应在IGBT的栅极和发射极之间接一个门级下拉电阻R16，来提供一个低阻抗同路，保证IGBT 栅极电位不会受到干扰。

本发明提供的燃料电池汽车高速空压机用逆变器驱动电路能够将从前端输入而来的指令转换为可靠、高精度的驱动信号，同时自身具有一定的防干扰和故障处理能力。其中，驱动芯片通过一驱动电阻连接到IGBT的栅极，驱动电阻的阻值可以改变IGBT的开关特性，通过权衡取值，加快IGBT的开关速度、降低开关损耗、减小开关过程中电磁干扰问题；后级驱动输出模块中的双向稳压二极管可防止驱动电路输出故障时输出驱动信号的电压过高而损伤IGBT；通过增加后级驱动输出模块的门极下拉电阻构成低阻抗电路，防止因寄生电容产生的电压抬升导致IGBT误触发。驱动芯片本身具有驱动电压欠压保护功能，因此在此基础上增加短路保护。当IGBT导通时，由于导通电压较低，二极管被嵌位限制住；当IGBT短路时，电容两端电压不断充高，当到达预设值时，驱动芯片进入保护状态，封锁IGBT驱动输出。通过使用本发明的驱动电路，可以保证在燃料电池空压机用逆变器运行时驱动信号稳定可靠，加快IGBT的开关速度、降低开关损耗、减小开关过程中电磁干扰问题；同时电路具有自我保护功能，在突发情况下保护驱动电路和 IGBT模块。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种燃料电池汽车高速空压机用逆变器驱动电路，其特征在于，包括：

驱动模块，用于产生驱动信号；

信号输出模块，用于输出控制信号；

IGBT模块，用于实现三相输出；以及

延时模块，用于检测误差并防止误开断，

其中，信号输出模块串联在驱动模块与IGBT模块之间，延时模块连接在驱动模块与直流母线之间，

信号输出模块包括放大模块和后级驱动输出模块，由驱动模块输出的驱动信号经由放大模块处理后传输至后级驱动输出模块，后级驱动输出模块与IGBT模块的栅极连接，

驱动模块包括用于接收来自上位机命令的控制板和连接在控制板上用于产生驱动信号的驱动芯片。

2.根据权利要求1所述的燃料电池汽车高速空压机用逆变器驱动电路，其特征在于，延时模块包括一第一电容、一第一电阻和一高压二极管，其中，第一电容用于调节消隐时间，第一电阻用于限流，高压二极管用于防止反向电压击穿，第一电阻和高压二极管串联接在驱动芯片与IGBT模块的高压端之间，第一电容连接在驱动芯片与地之间。

3.根据权利要求1所述的燃料电池汽车高速空压机用逆变器驱动电路，其特征在于，放大模块包括一NPN型开关三极管、一PNP型开关三极管和一限流电阻，NPN型开关三极管与PNP型开关三极管串联连接，NPN型开关三极管与一外接电源连接，PNP型开关三极管与地连接；限流电阻的一端与驱动芯片连接，另一端与NPN型开关三极管的基极以及PNP型开关三极管的基极连接。

4.根据权利要求1所述的燃料电池汽车高速空压机用逆变器驱动电路，其特征在于，后级驱动输出模块包括一双向稳压二极管、一第二电容和一下拉电阻，

双向稳压二极管用于防止电压过高损伤IGBT模块的栅极，第二电容用于滤波，下拉电阻用于降低寄生电容引起的不良影响，双向稳压二极管、第二电容和下拉电阻并联接在放大模块与地之间。