CN110661404A - 一种基于自举方式的igbt单电源驱动电路 - Google Patents

一种基于自举方式的igbt单电源驱动电路 Download PDF

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季金虎
赵晓宇
胡永峰
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H02M1/088—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters for the simultaneous control of series or parallel connected semiconductor devices

Abstract

本发明涉及一种基于自举方式的IGBT单电源驱动电路，属于电子电路技术领域，解决密勒效应引起的误导通的问题；电路包括将输入的PWM信号进行驱动放大输出PWM驱动信号的驱动芯片N1，提供自举浮动电源的自举电路，和用于将PWM驱动信号输出到开关电路，控制开关管开通或关断的全桥驱动电路，全桥驱动电路在开关管出现密勒效应时，将开关管的驱动电压箝位到零电压，防止开关管误导通。本发明电路形式新颖，结构简单，成本低，可以满足一般开关管单电源驱动的需求，可以运用到各类电力电子设备中。

Description

一种基于自举方式的IGBT单电源驱动电路
技术领域
本发明涉及于电子电路技术领域，尤其是一种基于自举方式的IGBT单电源驱动电路。
背景技术
目前，传统的IGBT(绝缘栅双极性晶体管)等开关管的驱动电路，将PWM(脉冲宽度调制)信号经过驱动芯片将电平转换为开关管驱动合适的电平，经驱动电阻为同一桥臂的上管和下管提供驱动信号。
传统的驱动电路可以满足大部分场合的需求。但其缺点为：若开关管的输出在感性负载下运行，处于关断状态下的开关管由于反并联二极管的恢复过程将承受比较高的dv/dt，由于密勒效应，会通过开关管集电极、门极寄生电容向驱动电路放电，可能超过开关管开通阈值电压而导致误导通，从而烧毁开关管。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于自举方式的IGBT单电源驱动电路，解决密勒效应引起的误导通的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本发明公开了一种基于自举方式的IGBT单电源驱动电路，包括驱动芯片N1、全桥驱动电路、开关电路和自举悬浮电路；
所述驱动芯片N1采用单电源供电，将输入的PWM信号进行驱动放大输出PWM驱动信号；
所述全桥驱动电路连接在驱动芯片N1的驱动信号输出端和开关电路的控制端之间，用于将PWM驱动信号输出到开关电路，控制开关管的开通或关断；单独设定开关管的开通时间和关断时间，并且在开关管出现密勒效应时，将所述开关管的驱动电压箝位到零电压，防止开关管误导通；
所述自举悬浮电路与驱动芯片N1电连接，用于提供自举浮动电源，使驱动芯片N1在单电源供电情况下，实现全桥驱动电路的隔离驱动。
进一步地，所述自举悬浮电路包括电阻R1，二极管V1和电容C1；
电阻R1一端与供电电源连接，另一端与二极管V1的阳极连接；二极管V1的阴极与电容C1的一端和驱动芯片N1的管脚VB分别连接；电容C1的另一端与驱动芯片N1的管脚VS连接。
进一步地，所述全桥驱动电路包括上桥臂驱动电路和下桥臂驱动电路；所述开关电路包括上桥臂开关管V5和下桥臂开关管V9；
所述上桥臂驱动电路将所述驱动芯片N1的管脚VS与上桥臂开关管V5的发射极连接；所述上桥臂驱动电路的驱动输入端与驱动芯片N1的管脚HO连接，驱动输出端与上桥臂开关管V5的门极连接；
所述下桥臂驱动电路的驱动输入端与驱动芯片N1的管脚LO连接；驱动输出端与下桥臂开关管V9的门极连接；
所述上桥臂开关管V5的集电极与高压直流电源连接；所述上桥臂开关管V5的发射极与下桥臂开关管V9集电极连接；下桥臂开关管V9发射极与地连接。
进一步地，所述上桥臂驱动电路包括开关管开通电路，用于将驱动芯片N1的管脚HO输出的驱动高电平输出到上桥臂开关管V5的门极，在设定的开通时间使上桥臂开关管V5导通；
所述开关管开通电路包括电阻R3和二极管V2，所述电阻R3的一端与驱动芯片N1的管脚HO连接，另一端与二极管V2的阳极连接，二极管V2的阴极与上桥臂开关管V5门极连接；通过设定电阻R3的电阻值，设定上桥臂开关管V5的开通时间。
进一步地，所述上桥臂驱动电路包括开关管关断电路，用于将驱动芯片N1的管脚HO输出的低电平输出到上桥臂开关管V5的门极，在设定的关断时间使上桥臂开关管V5关断；
所述开关管开通电路包括电阻R2和二极管V3，所述电阻R2的一端与上桥臂开关管V5门极连接，另一端与二极管V3的阳极连接，二极管V3的阴极与驱动芯片N1的管脚HO连接，通过设定电阻R2的电阻值，设定上桥臂开关管V5的关断时间。
进一步地，所述上桥臂驱动电路包括密勒效应补偿电路，用于在上桥臂开关管V5出现密勒效应时，将所述开关管V5的驱动电压箝位到零电压，防止开关管误导通；
所述密勒效应补偿电路包括二极管V2、电阻R4和三极管V4；所述三极管V4为PNP型三极管，三极管V4的发射极与二极管V2的阴极和上桥臂开关管V5的门极分别连接；三极管V4的集电极与上桥臂开关管V5的发射极连接；三极管V4的栅极与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与二极管V2的阳极连接。
进一步地，所述上桥臂驱动电路还包括TVS管V6，所述TVS管V6的阴极与上桥臂开关管V5的门极连接，所述TVS管V6的阳极与上桥臂开关管V5的发射极连接，用于吸收开关管V5驱动信号上的脉冲干扰信号。
进一步地，所述上桥臂驱动电路还包括电阻R5，所述电阻R5的一端与上桥臂开关管V5的门极连接，所述电阻R5的另一端与上桥臂开关管V5的发射极连接，用于为开关管V5的门极和发射极的寄生电容进行放电。
进一步地，其特征在于，所述下桥臂驱动电路与上桥臂驱动电路原理相同，包括开关管开通电路、开关管关断电路、密勒效应补偿电路，以及连接在下桥臂开关管V9门极和发射极之间的脉冲干扰信号吸收TVS管V11和寄生电容放电电阻R9；
所述开关管开通电路包括电阻R7和二极管V7，所述电阻R7的一端与驱动芯片N1的管脚LO连接，另一端与二极管V7的阳极连接，二极管V7的阴极与下桥臂开关管V9门极连接；
所述开关管开通电路包括电阻R6和二极管V8，所述电阻R6的一端与上桥臂开关管V8门极连接，另一端与二极管V8的阳极连接，二极管V8的阴极与驱动芯片N1的管脚LO连接；
所述密勒效应补偿电路包括二极管V7、电阻R8和三极管V10；所述三极管V10为PNP型三极管，三极管V10的发射极与二极管V7的阴极和下桥臂开关管V9的门极分别连接；三极管V10的集电极与下桥臂开关管V9的发射极连接；三极管V10的栅极与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与二极管V7的阳极连接。
进一步地，所述电阻R2、R3、R6和R7的功率参数P满足公式P＝fQΔU；式中，f为开关频率，Q为开关管门极电荷量，ΔU为驱动电压。
本发明有益效果如下：
1、本发明通过设置密勒效应补偿电路，在开关管出现密勒效应时，将所述开关管的驱动电压箝位到零电压，防止开关管误导通；
2、将开关管的开通电路和关断电路隔离，使开关管的开通时间和关断时间可分别设定互补干扰；
3、采用自举电路，使驱动芯片N1在单电源供电情况下，实现全桥驱动电路的隔离驱动；
4、实现了驱动脉冲中干扰信号的吸收和寄生电容放电；
5、本发明电路形式新颖，结构简单，成本低，可以满足一般开关管单电源驱动的需求，可以运用到各类电力电子设备中。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例中的IGBT单电源驱动电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
本实施例公开了一种基于自举方式的IGBT单电源驱动电路，如图1所示，包括驱动芯片N1、自举悬浮电路、全桥驱动电路、开关电路；
本实施例的驱动芯片N1将输入的PWM信号进行驱动放大，输出PWM驱动信号。
驱动芯片N1可以为IR2110S等芯片。所述驱动芯片N1的PWM信号输入端为管脚HIN和管脚LIN；管脚HIN和管脚LIN分别接入PWMH和PWML信号，PWMH和PWML信号互补且有一定的死区时间，由单片机等芯片产生后输出；
驱动芯片N1的管脚SD接入驱动芯片关断信号，用来在异常情况下关闭驱动芯片的输出；
驱动芯片N1采用单电源供电，管脚VDD和VCC连接+15V直流电源，管脚VSS和管脚COM接地；
在管脚VDD和管脚VSS之间连接电容C2，在管脚VCC和管脚COM之间连接电容C3，为驱动芯片供电端口的去耦电容，用来滤除+15V电源供电支路的高频杂散干扰。
PWMH和PWML信号经驱动芯片N1放大后，通过驱动芯片的管脚HO和管脚LO分别输出PWMH和PWML驱动信号；
本实施例通过自举电路实行单电源供电情况下的全桥隔离驱动；
所述自举电路与驱动芯片N1电连接，用于提供自举浮动电源，使驱动芯片N1在单电源供电情况下，实现全桥驱动电路的隔离驱动；
具体的，所述自举悬浮电路包括电阻R1，二极管V1和电容C1；
电阻R1一端与供电电源连接，另一端与二极管V1的阳极连接；二极管V1的阴极与电容C1的一端和驱动芯片N1的管脚VB分别连接；电容C1的另一端与驱动芯片N1的管脚VS连接；
其中，自举电路中电容C1为自举悬浮驱动电源保持电容，用来给全桥驱动电路上桥臂开关管的驱动提供足够能量和电压，驱动电阻R1为电容C1的充电限流电阻，二极管V1为上桥臂驱动电源和下桥臂驱动电源之间的隔离二极管。自举悬浮驱动电源可同时驱动全桥驱动电路的上、下两个开关器件，简化了驱动电源设计。
本实施例的全桥驱动电路连接在驱动芯片N1的驱动信号输出端和开关电路的控制端之间，用于将PWM驱动信号输出到开关电路，控制开关管的开通或关断；单独设定开关管的开通时间和关断时间，并且在开关管出现密勒效应时，将所述开关管的驱动电压箝位到零电压，防止开关管误导通；
具体的，所述全桥驱动电路包括上桥臂驱动电路和下桥臂驱动电路；所述开关电路包括上桥臂开关管V5和下桥臂开关管V9；
所述上桥臂驱动电路将所述驱动芯片N1的管脚VS与上桥臂开关管V5的发射极连接；所述上桥臂驱动电路的驱动输入端与驱动芯片N1的管脚HO连接，驱动输出端与上桥臂开关管V5的门极连接；
所述下桥臂驱动电路的驱动输入端与驱动芯片N1的管脚LO连接；驱动输出端与下桥臂开关管V9的门极连接；
所述上桥臂开关管V5的集电极与高压直流电源连接；所述上桥臂开关管V5的发射极与下桥臂开关管V9集电极连接；下桥臂开关管V9发射极与地连接。
具体的，上桥臂驱动电路包括开关管开通电路、开关管关断电路和密勒效应补偿电路；
所述开关管开通电路，用于将驱动芯片N1的管脚HO输出的驱动高电平输出到上桥臂开关管V5的门极，在设定的开通时间使上桥臂开关管V5导通；
具体的，所述开关管开通电路包括电阻R3和二极管V2，所述电阻R3的一端与驱动芯片N1的管脚HO连接，另一端与二极管V2的阳极连接，二极管V2的阴极与上桥臂开关管V5门极连接；通过设定电阻R3的电阻值，设定上桥臂开关管V5的开通时间。
所述开关管关断电路，用于将驱动芯片N1的管脚HO输出的低电平输出到上桥臂开关管V5的门极，在设定的关断时间使上桥臂开关管V5关断；
具体的，所述开关管开通电路包括电阻R2和二极管V3，所述电阻R2的一端与上桥臂开关管V5门极连接，另一端与二极管V3的阳极连接，二极管V3的阴极与驱动芯片N1的管脚HO连接，通过设定电阻R2的电阻值，设定上桥臂开关管V5的关断时间。
由于，在开关管关断时，所述开关管开通电路中的二极管V2承受负压，处于截止状态，开关管关断控制电流无法经过开通电阻R3到达驱动芯片N1的管脚HO；在开关管开通时，所述开关管关断电路中的二极管V3承受负压，处于截止状态，开关管导通控制电流无法经过关断电阻R2到达上桥臂开关管V5门极；因此，实现了上桥臂开关管V5开通和关断时间独立和可调。
所述密勒效应补偿电路，用于在上桥臂开关管V5出现密勒效应时，将所述开关管V5的驱动电压箝位到零电压，防止开关管误导通；
由于驱动芯片N1在单电源供电情况下，不能产生负偏压，若开关管的输出在感性负载下运行，处于关断状态下的开关管由于反并联二极管的恢复过程将承受比较高的dv/dt，会发生密勒效应，通过开关管集电极、门极寄生电容向驱动电路放电，可能超过开关管开通阈值电压而导致误导通，烧毁电路；本实施例通过添加密勒效应补偿电路，解决密勒效应问题，防止开关管误导通。
具体的，所述密勒效应补偿电路包括二极管V2、电阻R4和三极管V4；所述三极管V4为PNP型三极管，三极管V4的发射极与二极管V2的阴极和上桥臂开关管V5的门极分别连接；三极管V4的集电极与上桥臂开关管V5的发射极连接；三极管V4的栅极与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与二极管V2的阳极连接。
在控制上桥臂开关管V5关断时，驱动芯片N1的管脚HO输出低电平，三极管V4的栅极通过电阻R4和R3接地，由于三极管V4发射极和集电极之间无电压，三极管V4处于截止状态，当密勒效应发生时，三极管V4的栅极接地，开关管发射极、门极寄生电容电压给三极管V4发射极和集电极之间提供正向电压，V4将导通，把开关管V5驱动电压箝位到零左右，防止其误导通；V2用来给正常开通开关管提供回路，R4为三极管V4的驱动电阻，用来限制V4的驱动电流大小。
优选的，本实施例的上桥臂驱动电路还包括TVS管V6，所述TVS管V6的阴极与上桥臂开关管V5的门极连接，所述TVS管V6的阳极与上桥臂开关管V5的发射极连接，用于吸收开关管V5驱动信号上的脉冲干扰信号。
优选的，本实施例的上桥臂驱动电路还包括电阻R5，所述电阻R5的一端与上桥臂开关管V5的门极连接，所述电阻R5的另一端与上桥臂开关管V5的发射极连接，用于为开关管V5的门极和发射极的寄生电容进行放电。
本实施例的下桥臂驱动电路与上桥臂驱动电路原理相同，包括开关管开通电路、开关管关断电路、密勒效应补偿电路，以及连接在下桥臂开关管V9门极和发射极之间的脉冲干扰信号吸收TVS管V11和寄生电容放电电阻R9；
所述开关管开通电路包括电阻R7和二极管V7，所述电阻R7的一端与驱动芯片N1的管脚LO连接，另一端与二极管V7的阳极连接，二极管V7的阴极与下桥臂开关管V9门极连接；
所述开关管开通电路包括电阻R6和二极管V8，所述电阻R6的一端与上桥臂开关管V8门极连接，另一端与二极管V8的阳极连接，二极管V8的阴极与驱动芯片N1的管脚LO连接；
所述密勒效应补偿电路包括二极管V7、电阻R8和三极管V10；所述三极管V10为PNP型三极管，三极管V10的发射极与二极管V7的阴极和下桥臂开关管V9的门极分别连接；三极管V10的集电极与下桥臂开关管V9的发射极连接；三极管V10的栅极与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与二极管V7的阳极连接。
本实施例中的电阻R2、R3、R6和R7为电路的开通电阻或关断电阻，在开关管开通或关断时要承受大功率，因此以上电阻的功率参数要求满足电路参数的要求，
具体的，电阻R2、R3、R6和R7的功率参数P满足公式P＝fCINΔU2＝fQΔU；式中，f为开关频率，Q为开关管门极电荷量，在开关管手册中会给出，ΔU为驱动电压，在此电路中为15V，CIN为考虑密勒效应下的开关管输入电容。
本实施例还对驱动芯片N1管脚HO和管脚LO分别输出PWMH和PWML驱动信号的最大驱动电流进行了限制；最大驱动电流必须大于等于实际所需的门极驱动电流。
通常情况下，所述门极驱动电流
Figure BDA0002223554590000101
其中，Rgint为内部门极电阻，Rgmin为最小开通电阻；
由于驱动线路电感的存在，减缓了实际门极最大驱动电流的上升斜率，因此可按照下式计算门极最大驱动电流：
Figure BDA0002223554590000102
综上所述，本实施例通过设置密勒效应补偿电路，在开关管出现密勒效应时，将所述开关管的驱动电压箝位到零电压，防止开关管误导通；将开关管的开通电路和关断电路隔离，使开关管的开通时间和关断时间可分别设定互补干扰；采用自举电路，使驱动芯片N1在单电源供电情况下，实现全桥驱动电路的隔离驱动；实现了驱动脉冲中干扰信号的吸收和寄生电容放电；本发明电路可用于600V以下IGBT和MOSFET等开关管的单电源驱动。形式新颖，结构简单，成本低，可以满足一般开关管单电源驱动的需求，可以运用到各类电力电子设备中。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于自举方式的IGBT单电源驱动电路，其特征在于，包括驱动芯片N1、全桥驱动电路、开关电路和自举悬浮电路；
所述驱动芯片N1采用单电源供电，将输入的PWM信号进行驱动放大输出PWM驱动信号；
所述全桥驱动电路连接在驱动芯片N1的驱动信号输出端和开关电路的控制端之间，用于将PWM驱动信号输出到开关电路，控制开关管的开通或关断；单独设定开关管的开通时间和关断时间，并且在开关管出现密勒效应时，将所述开关管的驱动电压箝位到零电压，防止开关管误导通；
所述自举悬浮电路与驱动芯片N1电连接，用于提供自举浮动电源，使驱动芯片N1在单电源供电情况下，实现全桥驱动电路的隔离驱动。
2.根据权利要求1所述的IGBT单电源驱动电路，其特征在于，所述自举悬浮电路包括电阻R1，二极管V1和电容C1；
电阻R1一端与供电电源连接，另一端与二极管V1的阳极连接；二极管V1的阴极与电容C1的一端和驱动芯片N1的管脚VB分别连接；电容C1的另一端与驱动芯片N1的管脚VS连接。
3.根据权利要求1或2所述的IGBT单电源驱动电路，其特征在于，所述全桥驱动电路包括上桥臂驱动电路和下桥臂驱动电路；所述开关电路包括上桥臂开关管V5和下桥臂开关管V9；
所述上桥臂驱动电路将所述驱动芯片N1的管脚VS与上桥臂开关管V5的发射极连接；所述上桥臂驱动电路的驱动输入端与驱动芯片N1的管脚HO连接，驱动输出端与上桥臂开关管V5的门极连接；
所述下桥臂驱动电路的驱动输入端与驱动芯片N1的管脚LO连接；驱动输出端与下桥臂开关管V9的门极连接；
所述上桥臂开关管V5的集电极与高压直流电源连接；所述上桥臂开关管V5的发射极与下桥臂开关管V9集电极连接；下桥臂开关管V9发射极与地连接。
4.根据权利要求3所述的IGBT单电源驱动电路，其特征在于，所述上桥臂驱动电路包括开关管开通电路，用于将驱动芯片N1的管脚HO输出的驱动高电平输出到上桥臂开关管V5的门极，在设定的开通时间使上桥臂开关管V5导通；
所述开关管开通电路包括电阻R3和二极管V2，所述电阻R3的一端与驱动芯片N1的管脚HO连接，另一端与二极管V2的阳极连接，二极管V2的阴极与上桥臂开关管V5门极连接；通过设定电阻R3的电阻值，设定上桥臂开关管V5的开通时间。
5.根据权利要求3所述的IGBT单电源驱动电路，其特征在于，所述上桥臂驱动电路包括开关管关断电路，用于将驱动芯片N1的管脚HO输出的低电平输出到上桥臂开关管V5的门极，在设定的关断时间使上桥臂开关管V5关断；
所述开关管开通电路包括电阻R2和二极管V3，所述电阻R2的一端与上桥臂开关管V5门极连接，另一端与二极管V3的阳极连接，二极管V3的阴极与驱动芯片N1的管脚HO连接，通过设定电阻R2的电阻值，设定上桥臂开关管V5的关断时间。
6.根据权利要求3所述的IGBT单电源驱动电路，其特征在于，所述上桥臂驱动电路包括密勒效应补偿电路，用于在上桥臂开关管V5出现密勒效应时，将所述开关管V5的驱动电压箝位到零电压，防止开关管误导通；
所述密勒效应补偿电路包括二极管V2、电阻R4和三极管V4；所述三极管V4为PNP型三极管，三极管V4的发射极与二极管V2的阴极和上桥臂开关管V5的门极分别连接；三极管V4的集电极与上桥臂开关管V5的发射极连接；三极管V4的栅极与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与二极管V2的阳极连接。
7.根据权利要求3所述的IGBT单电源驱动电路，其特征在于，所述上桥臂驱动电路还包括TVS管V6，所述TVS管V6的阴极与上桥臂开关管V5的门极连接，所述TVS管V6的阳极与上桥臂开关管V5的发射极连接，用于吸收开关管V5驱动信号上的脉冲干扰信号。
8.根据权利要求3所述的IGBT单电源驱动电路，其特征在于，所述上桥臂驱动电路还包括电阻R5，所述电阻R5的一端与上桥臂开关管V5的门极连接，所述电阻R5的另一端与上桥臂开关管V5的发射极连接，用于为开关管V5的门极和发射极的寄生电容进行放电。
9.根据权利要求3-8任一所述的IGBT单电源驱动电路，其特征在于，所述下桥臂驱动电路与上桥臂驱动电路原理相同，包括开关管开通电路、开关管关断电路、密勒效应补偿电路，以及连接在下桥臂开关管V9门极和发射极之间的脉冲干扰信号吸收TVS管V11和寄生电容放电电阻R9；
所述开关管开通电路包括电阻R7和二极管V7，所述电阻R7的一端与驱动芯片N1的管脚LO连接，另一端与二极管V7的阳极连接，二极管V7的阴极与下桥臂开关管V9门极连接；
所述开关管开通电路包括电阻R6和二极管V8，所述电阻R6的一端与上桥臂开关管V8门极连接，另一端与二极管V8的阳极连接，二极管V8的阴极与驱动芯片N1的管脚LO连接；
所述密勒效应补偿电路包括二极管V7、电阻R8和三极管V10；所述三极管V10为PNP型三极管，三极管V10的发射极与二极管V7的阴极和下桥臂开关管V9的门极分别连接；三极管V10的集电极与下桥臂开关管V9的发射极连接；三极管V10的栅极与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与二极管V7的阳极连接。
10.根据权利要求9所述的IGBT单电源驱动电路，其特征在于，所述电阻R2、R3、R6和R7的功率参数P满足公式P＝fQΔU；式中，f为开关频率，Q为开关管门极电荷量，ΔU为驱动电压。
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