CN113922800A - 一种高压大电流igbt驱动电路 - Google Patents

一种高压大电流igbt驱动电路 Download PDF

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CN113922800A
CN113922800A CN202111429562.4A CN202111429562A CN113922800A CN 113922800 A CN113922800 A CN 113922800A CN 202111429562 A CN202111429562 A CN 202111429562A CN 113922800 A CN113922800 A CN 113922800A
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capacitor
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张琴琴
刘琳
杨建宏
袁玉峰
许志城
王志业
张烨
贾萍
刘华青
寇元超
陈晨
李毅
宋小芳
白海琳
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Abstract

本发明公开了一种高压大电流IGBT驱动电路，包括第一逻辑控制电路和第二逻辑控制电路，还包括上桥臂光耦电路，上桥臂驱动信号调理电路，第一IGBT功率管Q1，下桥臂光耦电路，下桥臂驱动信号调理电路，第二IGBT功率管Q2；上桥臂光耦电路接收第一逻辑控制电路输出端的信号，信号经上桥臂光耦电路隔离放大后输出至上桥臂驱动信号调理电路，经调理的信号输出至第一IGBT功率管Q1，驱动第一IGBT功率管Q1开通关断；基于光耦器件实现的IGBT驱动电路，实现IGBT开通电压12V≤UGE≤18V、关断电压‑7.5V≤UGE≤0V的驱动技术要求，电路简单可靠，可用于驱动1200V、200A的IGBT功率器件，若要驱动更大功率的IGBT，在光耦的输出端增加功放电路，增强驱动能力，可实现驱动更大功率的IGBT器件。

Description

一种高压大电流IGBT驱动电路
技术领域
本发明属于IGBT驱动控制领域，具体涉及一种高压大电流IGBT驱动电路。
背景技术
随着电力器件的发展和自动化程度的提高，对高电压大功率电机驱动器的需求越来越大。目前常用的高压大电流驱动功率器件IGBT，IGBT驱动电路的性能优劣直接决定着功率管器件的开关性能和使用寿命，目前常用的IGBT虽然配套了相应的驱动芯片，但是成本高、外围配套电路复杂以及应用不灵活，而且大多数高压大电流功率管IGBT以及相应的驱动芯片均为进口。
发明内容
本发明的目的是提供利用常用器件的低成本一种高压大电流IGBT驱动电路。
本发明的目的地是通过以下技术手段实现的，一种高压大电流IGBT驱动电路，包括第一逻辑控制电路和第二逻辑控制电路，还包括上桥臂光耦电路，上桥臂驱动信号调理电路，第一IGBT功率管Q1，下桥臂光耦电路，下桥臂驱动信号调理电路，第二IGBT功率管Q2；上桥臂光耦电路接收第一逻辑控制电路输出端的信号，信号经上桥臂光耦电路隔离放大后输出至上桥臂驱动信号调理电路，经调理的信号输出至第一IGBT功率管Q1，驱动第一IGBT功率管Q1开通关断；下桥臂光耦电路接收第二逻辑控制电路输出端的信号，信号经下桥臂光耦电路隔离放大后输出至下桥臂驱动信号调理电路，经调理的信号输出至第二IGBT功率管Q2，驱动第二IGBT功率管Q2开通关断。
所述上桥臂光耦电路包括第一光耦器件U1、第一二极管D1、第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5；
上桥臂驱动信号调理电路包括第二二极管D2、第二电阻R2、第六电阻R6、第一电容C1和第二电容C2；
第一光耦器件U1第2引脚与第一公共电源相连；
第一光耦器件U1第3引脚与第一逻辑控制电路输出端相连；
第一光耦器件U1第5引脚接地；
第一光耦器件U1第8引脚分别与第三电阻R3一端和第一电容C1一端连接，第三电阻R3另一端依次连接第一二极管D1阴极和第一正压提供端；
第一电容另一端接地，第一二极管D1阴极还依次与第二电阻R2和第二二极管D2负极相连，第二二极管D2正极接地；
第二电阻R2与第二二极管D2连接的一端还连接有第五电阻R5和第二电容C2，第二电容C2另一端接地；
第五电阻R5另一端分别连接第四电阻R4和第六电阻R6，第四电阻R4另一端分别与第一光耦器件U1第6引脚和第7引脚相连，第六电阻R6另一端与第一IGBT功率管Q1栅极相连；
第一IGBT功率管Q1源极与第二正压提供端相连；
第一IGBT功率管Q1漏极与第二IGBT功率管Q2相连。
所述下桥臂光耦电路包括第二光耦器件U2，第三二极管D3、第九电阻R9、第十电阻R10和第十一电阻R11；
下桥臂驱动信号调理电路包括第四二极管D4、第八电阻R8、、第十二电阻R12、第三电容C3和第四电容C4；
第二光耦器件U2第2引脚与第二公共电源相连；
第二光耦器件U2第3引脚与第二逻辑控制电路输出端相连；
第二光耦器件U2第5引脚接地；
第二光耦器件U2第8引脚分别与第九电阻R9一端和第三电容C3一端连接，第九电阻R9另一端依次连接第三二极管D3阴极和第三正压提供端；
第一电容另一端接地，第三二极管D3阴极还连接有第八电阻R8和第四二极管D4负极相连，第四二极管D4正极接地；
第八电阻R8与第四电容D4相连的一端还连接有第十一电阻R11和第四电容C4，第四电容C4另一端接地；
第十一电阻R11另一端分别连接第十电阻R10和第十二电阻R12，第十电阻R10另一端分别与第二光耦器件U2第6引脚和第7引脚相连，第十二电阻R12另一端与第二IGBT功率管Q2栅极相连；
第二IGBT功率管Q2源极与第一IGBT功率管Q1相连，第二IGBT功率管Q2漏极分别与第十一电阻R11和第四电容C4正极相连，第二IGBT功率管Q2漏极还接地。
还包括保护电路，所述保护电路包括第十一电阻R13，第十二电阻R14，第五二极管D5，第六二极管D6，第五电容C5和第六电容C6，第五二极管D5阳极与第一IGBT功率管Q1漏极相连，第五二极管D5阴极依次连接第十一电阻R13和第二正压提供端；
第二IGBT功率管Q2漏极依次连接有第十二电阻R14和第六二极管D6阳极，第六二极管D6阴极与第五二极管D5阳极相连，第五电容C5一端连接至第一正压提供端，另一端连接至第六二极管D6阳极；第六电容C6一端连接至第二IGBT功率管Q2漏极，另一端连接至第五二极管D5阴极，第五二极管D5阳极还与上桥臂驱动信号调理电路相连。
所述第二二极管D2为稳压二极管。
所述第四二极管D4为稳压二极管。
所述第一光耦器件U1第三引脚还连接有第一电阻R1。
所述第二光耦器件U2第三引脚还连接有第七电阻R7。
本发明的有益效果在于：1、基于光耦器件实现的IGBT驱动电路，实现IGBT开通电压12V≤UGE≤18V、关断电压-7.5V≤UGE≤0V的驱动技术要求，电路简单可靠，本方案可用于驱动1200V、200A的IGBT功率器件，若要驱动更大功率的IGBT，根据实际需求，在光耦的输出端增加功放电路，增强驱动能力，配合本方案的预驱动电路原理，可实现驱动更大功率的IGBT器件。
2、为避免各路控制信号受高电压大电流引起驱动信号串扰问题，上下桥驱动信号供电都是独立的。即三组全桥IGBT模块的六路驱动信号的基极电源、地都是隔离互不干扰，下桥臂地与母线地单点共地。
3、通过电阻与反相二极管串联后并接到IGBT的集电极和发射极，电容与和两二极管并联，形成保护电路，消除IGBT在开通关断时容易引起电压过冲现象。
附图说明
图1为IGBT驱动电路及吸收保护电路图；
图2为IGBT单路预驱动电路图；
图3为IGBT吸收保护电路图；
图4为IGBT驱动信号波形图；
图5为光耦器件的内部结构电路；
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
具体实施方式
【实施例1】
如图1和图2所示，一种高压大电流IGBT驱动电路，包括第一逻辑控制电路和第二逻辑控制电路，还包括上桥臂光耦电路，上桥臂驱动信号调理电路，第一IGBT功率管Q1，下桥臂光耦电路，下桥臂驱动信号调理电路，第二IGBT功率管Q2；上桥臂光耦电路接收第一逻辑控制电路输出端的信号，信号经上桥臂光耦电路隔离放大后输出至上桥臂驱动信号调理电路，经调理的信号输出至第一IGBT功率管Q1，驱动第一IGBT功率管Q1开通关断；下桥臂光耦电路接收第二逻辑控制电路输出端的信号，信号经下桥臂光耦电路隔离放大后输出至下桥臂驱动信号调理电路，经调理的信号输出至第二IGBT功率管Q2，驱动第二IGBT功率管Q2开通关断。
所述上桥臂光耦电路包括第一光耦器件U1、第一二极管D1、第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5；
上桥臂驱动信号调理电路包括第二二极管D2、第二电阻R2、第六电阻R6、第一电容C1和第二电容C2；
第一光耦器件U1第2引脚与第一公共电源相连；
第一光耦器件U1第3引脚与第一逻辑控制电路输出端相连；
第一光耦器件U1第5引脚接地；
第一光耦器件U1第8引脚分别与第三电阻R3一端和第一电容C1一端连接，第三电阻R3另一端依次连接第一二极管D1阴极和第一正压提供端；
第一电容另一端接地，第一二极管D1阴极还依次与第二电阻R2和第二二极管D2负极相连，第二二极管D2正极接地；
第二电阻R2与第二二极管D2连接的一端还连接有第五电阻R5和第二电容C2，第二电容C2另一端接地；
第五电阻R5另一端分别连接第四电阻R4和第六电阻R6，第四电阻R4另一端分别与第一光耦器件U1第6引脚和第7引脚相连，第六电阻R6另一端与第一IGBT功率管Q1栅极相连；
第一IGBT功率管Q1源极与第二正压提供端相连；
第一IGBT功率管Q1漏极与第二IGBT功率管Q2相连。
所述下桥臂光耦电路包括第二光耦器件U2，第三二极管D3、第九电阻R9、第十电阻R10和第十一电阻R11；
下桥臂驱动信号调理电路包括第四二极管D4、第八电阻R8、、第十二电阻R12、第三电容C3和第四电容C4；
第二光耦器件U2第2引脚与第二公共电源相连；
第二光耦器件U2第3引脚与第二逻辑控制电路输出端相连；
第二光耦器件U2第5引脚接地；
第二光耦器件U2第8引脚分别与第九电阻R9一端和第三电容C3一端连接，第九电阻R9另一端依次连接第三二极管D3阴极和第三正压提供端；
第一电容另一端接地，第三二极管D3阴极还连接有第八电阻R8和第四二极管D4负极相连，第四二极管D4正极接地；
第八电阻R8与第四电容D4相连的一端还连接有第十一电阻R11和第四电容C4，第四电容C4另一端接地；
第十一电阻R11另一端分别连接第十电阻R10和第十二电阻R12，第十电阻R10另一端分别与第二光耦器件U2第6引脚和第7引脚相连，第十二电阻R12另一端与第二IGBT功率管Q2栅极相连；
第二IGBT功率管Q2源极与第一IGBT功率管Q1相连，第二IGBT功率管Q2漏极分别与第十一电阻R11和第四电容C4正极相连，第二IGBT功率管Q2漏极还接地。
所述第二二极管D2为稳压二极管。
所述第四二极管D4为稳压二极管。
所述第一光耦器件U1第三引脚还连接有第一电阻R1。
所述第二光耦器件U2第三引脚还连接有第七电阻R7。
驱动电源为上桥臂光耦电路，上桥臂驱动信号调理电路，第一IGBT功率管Q1提供上桥隔离电源，第一逻辑控制电路输出端，即微处理器芯片输出的PWN信号输入到上桥臂光耦电路，上桥臂光耦电路起到隔离和群号驱动能力增强的作用，然后信号输入到上桥臂驱动信号调理电路中，再从第一IGBT功率管Q1栅极输入IGBT中，用于控制第一IGBT功率管Q1的开通关断。第一光耦器件U1和第二光耦器件U2型号为TLP250，在实际工程应用中，可以选择任意光耦外加扩流电路实现。
IGBT是集双极型功率晶体管和功率MOSFET的优点于一体，它是一种电压型控制器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。MOSFET驱动功率小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小；GTR饱和压降低，载流密度大，驱动电流较大；它导通与关断是由栅源极电压UGE来控制的，当UGE大于开启电压UGE(th)时IGBT导通，当栅极和发射极间施加反向或不加信号时，IGBT被关断。但是，栅极正向驱动电压的大小会对电路的性能产生很重要的影响，必须正确选择。使用中，其开通、关断电压分别设计为12V≤UGE≤18V和-7.5V≤UGE≤0V。最理想的状态：要求其门极G与发射极E之间的电压VGE必须很陡，以使IGBT快速开通，且开通时间最短，以减小开通损耗；在IGBT关断时，G与E之间须加一个很陡的反向正偏电压，使其快速关断，这样就能减小死区时间，使电源利用率提高；IGBT导通后，门极驱动电路要提供足够幅度的驱动电压和电流，使IGBT的输出处于饱和状态。
两个光耦器件内部结构如图5所示，型号为TLP250，VCC是电路的供电电压,vo是输信号电压；GND地线；Tr1和Tr2变压器；Vf反馈电压；
驱动电路工作原理：
(1)当PWM1，即第二逻辑控制电路输出端输出的信号为高电平时，PWM为5V的电平信号，光耦输入VF压降为0V，IF电流截止，光耦LED关闭，Tr1关闭，Tr2打开。当PWM1信号为低电平时，光耦输入VF压降为5V，IF电流导通，光耦LED打开，则Tr1打开，Tr2关闭。
(2)当Tr1关闭，相当于Tr1断开，Tr2打开时，相当于Tr2短路，第四电阻R4输入端电平接近于地，由于HO1端与P_A端之间接IGBT功率管，在此可将IGBT管看成一个电容，在7.5V稳压管的作用下，相当于HO1端与P_A端产生7.5V的管压降，此时，当IGBT功率管有瞬间有正7.5V电压时，可看成电容短路，此时，第四电阻R4端施加7.5V电压，第四电阻R4选择15欧姆，瞬间第四电阻R4上的电流为0.5A，与光耦器件TLP250资料介绍一致。
当充电使IGBT(电容)达到饱和时，P_A端电压为7.5V，经阻值1K的第五电阻R5和阻值15欧姆的第四电阻R4分压，经公式(1)计算,R5电阻两端的分压为7.39V；
Figure BDA0003379612270000071
即HO1端对P_A间的输出电压为-7.39V，此时HO1控制的IGBT可彻底关断。电容充电时间与IGBT结电容有关系，R5电阻起到了释放，充电作用。
(3)当Tr2关断时，相当于Tr2断开，Tr1开通时，相当于Tr1短路，
第四电阻R4输入端电平为电源VCC经第三电阻R3分压后的电压值，由于HO1端与P_A端之间接IGBT功率管，在此可将IGBT管看成一个电容，在7.5V稳压管的作用下，相当于HO1端与P_A端产生7.5V的管压降，此时，当IGBT瞬间有正7.5V电压时，可看成电容短路，此时，第四电阻R4输出的最大电流IR4按公式(2)计算约0.47A，与TLP250资料介绍最大尖峰电流0.5A基本一致。
Figure BDA0003379612270000072
当充电使IGBT(电容)达到饱和时，P_A端电压为7.5V，经阻值1K的第五电阻R5和阻值15欧姆的第四电阻R4分压，经公式(3)计算,第五电阻R5电阻两端的分压为16.256V；
Figure BDA0003379612270000073
即HO1端对P_A端之间的输出电压为+16.256V，此时HO1控制的IGBT打开。电容充电时间与IGBT结电容有关系，第五电阻R5起到了充电、释放作用。
下桥臂驱动电路同理。
方案实现了IGBT开通电压12V≤UGE≤18V、关断电压-7.5V≤UGE≤0V的驱动技术要求，驱动信号波形如图4所示,图中，电压幅值为5.00V/div。
【实施例2】
如图1和图3所示，还包括保护电路，所述保护电路包括第十一电阻R13，第十二电阻R14，第五二极管D5，第六二极管D6，第五电容C5和第六电容C6，第五二极管D5阳极与第一IGBT功率管Q1漏极相连，第五二极管D5阴极依次连接第十一电阻R13和第二正压提供端；
第二IGBT功率管Q2漏极依次连接有第十二电阻R14和第六二极管D6阳极，第六二极管D6阴极与第五二极管D5阳极相连，第五电容C5一端连接至第一正压提供端，另一端连接至第六二极管D6阳极；第六电容C6一端连接至第二IGBT功率管Q2漏极，另一端连接至第五二极管D5阴极，第五二极管D5阳极还与上桥臂驱动信号调理电路相连。第五二极管D5阳极连接至第二电阻R2与第二二极管D2相连的一端。
由于寄生电感的存在，当第二IGBT功率管Q2关断时，负载电流不能立即变化，由上臂续流二极管导通，此时寄生电感就会产生电压，与母线电压叠加并以浪涌形式加在下臂IGBT的两端，很容易因超过VCES而损坏，增加吸收保护电路，下管剧增电压使得P_A端的电压超过第二正压提供端VCC_M时，快恢复第五二极管D5导通，就会迅速使得五二极管D5两端的VCE电压下降以趋于平稳，达到抑制电压波动作用。如果母线电压VCC_M剧增，十一电阻R13与第六电容C6串联，并接在母线的两端，电阻电容串联在一起有隔直流通交流、通高频阻低频的作用，在此主要应用其延时功能，延缓突变的电压对IGBT造成的损坏，用于改进IGBT功率管开通和关断时刻所承受的电压、电流波形。同理，当第二IGBT功率管Q2开通时，续流管电流转移到第二IGBT功率管Q2而下降，而当恢复时，线路中的寄生电感也会产生浪涌电压,浪涌电压见公式(4)，LP为寄生电感，
Figure BDA0003379612270000081
为电流变化率。
Figure BDA0003379612270000082
根据直流母线电压VCC_M、IGBT功率管极射极电压VCE以及电感两端电压关系，见公式(5)。
VCE＝(VCC_M-VL)(V) (5)
可见，这种寄生电感的存在，使得IGBT在开通关断时容易引起电压过冲现象，为消除这种浪涌电压，本案涉及的保护电路是电阻与反相二极管串联后并接到IGBT的源极和漏极，电容与电阻和两二极管并联，由于IGBT在开通关断时，IGBT功率管极射极间电压、电流会突变，在开通的瞬间，保护电路中的串联电阻、电容会起到延缓电压突增的现象，关断的瞬间，经过反相二极管的续流以及串联电阻的吸收功能，同样起到延缓电压突变的作用，从而起到IGBT保护的作用。

Claims (8)

1.一种高压大电流IGBT驱动电路，包括第一逻辑控制电路和第二逻辑控制电路，其特征在于：还包括上桥臂光耦电路，上桥臂驱动信号调理电路，第一IGBT功率管Q1，下桥臂光耦电路，下桥臂驱动信号调理电路，第二IGBT功率管Q2；上桥臂光耦电路接收第一逻辑控制电路输出端的信号，信号经上桥臂光耦电路隔离放大后输出至上桥臂驱动信号调理电路，经调理的信号输出至第一IGBT功率管Q1，驱动第一IGBT功率管Q1开通关断；下桥臂光耦电路接收第二逻辑控制电路输出端的信号，信号经下桥臂光耦电路隔离放大后输出至下桥臂驱动信号调理电路，经调理的信号输出至第二IGBT功率管Q2，驱动第二IGBT功率管Q2开通关断。
2.根据权利要求1所述的一种高压大电流IGBT驱动电路，其特征在于：
所述上桥臂光耦电路包括第一光耦器件U1、第一二极管D1、第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5；
上桥臂驱动信号调理电路包括第二二极管D2、第二电阻R2、第六电阻R6、第一电容C1和第二电容C2；
第一光耦器件U1第2引脚与第一公共电源相连；
第一光耦器件U1第3引脚与第一逻辑控制电路输出端相连；
第一光耦器件U1第5引脚接地；
第一光耦器件U1第8引脚分别与第三电阻R3一端和第一电容C1一端连接，第三电阻R3另一端依次连接第一二极管D1阴极和第一正压提供端；
第一电容另一端接地，第一二极管D1阴极还依次与第二电阻R2和第二二极管D2负极相连，第二二极管D2正极接地；
第二电阻R2与第二二极管D2连接的一端还连接有第五电阻R5和第二电容C2，第二电容C2另一端接地；
第五电阻R5另一端分别连接第四电阻R4和第六电阻R6，第四电阻R4另一端分别与第一光耦器件U1第6引脚和第7引脚相连，第六电阻R6另一端与第一IGBT功率管Q1栅极相连；
第一IGBT功率管Q1源极与第二正压提供端相连；
第一IGBT功率管Q1漏极与第二IGBT功率管Q2相连。
3.根据权利要求1所述的一种高压大电流IGBT驱动电路，其特征在于：
所述下桥臂光耦电路包括第二光耦器件U2，第三二极管D3、第九电阻R9、第十电阻R10和第十一电阻R11；
下桥臂驱动信号调理电路包括第四二极管D4、第八电阻R8、、第十二电阻R12、第三电容C3和第四电容C4；
第二光耦器件U2第2引脚与第二公共电源相连；
第二光耦器件U2第3引脚与第二逻辑控制电路输出端相连；
第二光耦器件U2第5引脚接地；
第二光耦器件U2第8引脚分别与第九电阻R9一端和第三电容C3一端连接，第九电阻R9另一端依次连接第三二极管D3阴极和第三正压提供端；
第一电容另一端接地，第三二极管D3阴极还连接有第八电阻R8和第四二极管D4负极相连，第四二极管D4正极接地；
第八电阻R8与第四电容D4相连的一端还连接有第十一电阻R11和第四电容C4，第四电容C4另一端接地；
第十一电阻R11另一端分别连接第十电阻R10和第十二电阻R12，第十电阻R10另一端分别与第二光耦器件U2第6引脚和第7引脚相连，第十二电阻R12另一端与第二IGBT功率管Q2栅极相连；
第二IGBT功率管Q2源极与第一IGBT功率管Q1相连，第二IGBT功率管Q2漏极分别与第十一电阻R11和第四电容C4正极相连，第二IGBT功率管Q2漏极还接地。
4.根据权利要求1所述的一种高压大电流IGBT驱动电路，其特征在于：还包括保护电路，所述保护电路包括第十一电阻R13，第十二电阻R14，第五二极管D5，第六二极管D6，第五电容C5和第六电容C6，第五二极管D5阳极与第一IGBT功率管Q1漏极相连，第五二极管D5阴极依次连接第十一电阻R13和第二正压提供端；
第二IGBT功率管Q2漏极依次连接有第十二电阻R14和第六二极管D6阳极，第六二极管D6阴极与第五二极管D5阳极相连，第五电容C5一端连接至第一正压提供端，另一端连接至第六二极管D6阳极；第六电容C6一端连接至第二IGBT功率管Q2漏极，另一端连接至第五二极管D5阴极，第五二极管D5阳极还与上桥臂驱动信号调理电路相连。
5.根据权利要求2所述的一种高压大电流IGBT驱动电路，其特征在于：所述第二二极管D2为稳压二极管。
6.根据权利要求3所述的一种高压大电流IGBT驱动电路，其特征在于：所述第四二极管D4为稳压二极管。
7.根据权利要求2所述的一种高压大电流IGBT驱动电路，其特征在于：所述第一光耦器件U1第三引脚还连接有第一电阻R1。
8.根据权利要求3所述的一种高压大电流IGBT驱动电路，其特征在于：所述第二光耦器件U2第三引脚还连接有第七电阻R7。
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