CN203014660U - 一种双路输出的igbt驱动模块及其电路板 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种双路输出的IGBT驱动模块及其电路板。双路输出的IGBT驱动模块包括两个门极驱动光耦ACPL-332J芯片、逻辑控制电路、DC/DC供电单元和两个功率放大单元，外部输入连接逻辑控制电路，逻辑控制电路输出分别连接两个门极驱动光耦ACPL-332J芯片，每个门极驱动光耦ACPL-332J芯片连接一个功率放大单元。一种双路输出的IGBT驱动模块电路板，还包括如上所述的一种双路输出的IGBT驱动模块，该驱动模块印制在电路板PCB上。本实用新型集成了全面的IGBT保护功能，具有结构简单，体积小巧，电气性能安全，价格低廉的特点。

Description

一种双路输出的IGBT驱动模块及其电路板

技术领域

本实用新型涉及一种双路输出的IGBT驱动模块及其电路板。 

背景技术

在电力电子系统中，除了功率模块，另外一个关键部件就是IGBT驱动电路，它是模块和数字芯片DSP之间非常重要的接口电路，其功能就是将来自DSP的信号转换成具有足够功率的驱动信号，来保证IGBT安全的开通与关断，而且为DSP和模块之间提供电气隔离，为了在系统出现故障时IGBT得到正确和有效的保护，驱动电路还要提供相应的保护功能。 

IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。由于绝缘栅双极晶体管具有较高的电流容量、电压控制，导通损耗小等特性。近年来在各种功率变换器中应用广泛。 

IGBT的安全工作区和开关特性随驱动电路的改变而变化，为了保证IGBT可靠工作，驱动保护电路至关重要。对驱动电路的技术要求是：驱动能力强；输入输出延迟时间短；双电源供电，提供可靠关断；输入输出电气隔离强度高；可靠的过载过流保护。 

目前，生产驱动与保护功能一体的IGBT专用的驱动模块的主要代表有西门康的SKH系列。CONCEPT生产的2SD系列。它们所共有的一些技术特点：双路脉冲互锁功能；抑制窄脉冲功能；死区时间设定功能。驱动信号的变压器隔离传输方式。但变压器隔离的隔离电压较高，延迟较小，但体积较大，价格昂贵。 

发明内容

本实用新型的目的在于为解决以上不足，提供一种体积小、电路构成简单的双路输出的IGBT驱动模块及其电路板。 

本实用新型所采用的技术如下： 

一种双路输出的IGBT驱动模块，包括两个门极驱动光耦ACPL-332J芯片、逻辑控制电路、DC/DC供电单元和两个功率放大单元，外部输入连接逻辑控制电路，逻辑控制电路输出分别连接两个门极驱动光耦ACPL-332J芯片，每个门极驱动光耦ACPL-332J芯片连接一个功率放大单元，两个门极驱动光耦ACPL-332J芯片、逻辑控制电路和两个功率放大单元均连接DC/DC供电单元。 

本实用新型还具有如下特征： 

1、一种双路输出的IGBT驱动模块电路板，还包括如上所述的一种双路输出的IGBT驱动模块，该驱动模块印制在电路板PCB上，DC/DC供电单元位于该驱动模块的中间，两个门极驱动光耦ACPL-332J芯片分别位于DC/DC供电单元的上下两侧，逻辑控制电路位于DC/DC供电单元的原边侧，两个功率放大单元位于DC/DC供电单元的副边侧。 

2、所述的两路功率放大单元之间的电路板PCB上开有U型槽。 

本实用新型的有益效果在于利用ACPL-332J芯片的光耦传输体积小优点，摈弃了体积大、造价昂贵的信号传输变压器。集成了全面的IGBT保护功能，简化了外围电路设计。缩小了电路板的面积。因此本驱动模块具有技术成熟，结构简单，体积小巧，电气性能安全，价格低廉的特点。 

附图说明

图1是门极驱动光耦ACPL-332J芯片的内部原理框图； 

图2是门极驱动光耦ACPL-332J芯片的外部引脚图； 

图3是驱动模块原理框图； 

图4是驱动模块电路板结构图； 

图5是驱动电路工作和保护原理图； 

图6是电压转换电路原理图； 

图7是DC/DC供电单元原理图； 

图8是PWM互锁电路图。 

具体实施方式

下面结合附图对举例本实用新型作进一步的说明： 

实施例1： 

如图3所示，一种双路输出的IGBT驱动模块，包括两个门极驱动光耦ACPL-332J芯片1-1.1-2、逻辑控制电路2、DC/DC供电单元3和两个功率放大单元4-1.4-2，外部输入连接逻辑控制电路2，逻辑控制电路2输出分别连接两个门极驱动光耦ACPL-332J芯片1-1.1-2，每个门极驱动光耦ACPL-332J芯片连接一个功率放大单元，两个门极驱动光耦ACPL-332J芯片1-1.1-2、逻辑控制电路2和两个功率放大单元4-1.4-2均连接DC/DC供电单元3。 

实施例2： 

如图4所示，一种双路输出的IGBT驱动模块电路板，还包括如上所述的一种双路输出的IGBT驱动模块，该驱动模块印制在电路板PCB上，电路板上的布局为DC/DC供电单元3位于该驱动模块的中间，两个门极驱动光耦ACPL-332J芯片1-1.1-2分别位于DC/DC供电单元3的上下两侧，逻辑控制电路2位于DC/DC供电单元3的原边侧，两个功率放大单元4-1.4-2 位于DC/DC供电单元3的副边侧。所述的两路功率放大单元之间的电路板PCB上开有U型槽5。 

实施例3： 

结合图1和图2，本实用新型采用的门极驱动光耦ACPL-332J，选择光耦作为门极驱动器时，最关键的参数是其所能提供的最小的I_OH(高电平输出电流)和I_OL(低电平输出电流)，尤其是最小的I_OL；其次是它的传输延迟和共模抑制能力。信号隔离的功能很大程度上取决于输入与输出之间的耦合电容和监测电路的设计，一般使用共模抑制这个参数来定义和量化信号隔离的能力。对高速门极驱动器要求为：t_PHL≤0.8μs，t_PHL≤0.8μs，共模抑制能力为：CMR≥10kV/μs，V_CM=1kV。ACPL-332J能满足这些要求，其相关参数峰值输出电流最大为2.5A，最小为2.0A；传输延迟最大为250ms，脉宽失真最大为100ns;在V_CV=1500V时，共模抑制能力最小为15kV/μs。 

结合图1-图2，两路输入信号首先进入逻辑控制部分经施密特电路整形，然后进入逻辑控制电路完成逻辑互锁，产生死区时间后进入两个门极驱动光耦ACPL-332J芯片，最后经功率放大部分驱动IGBT。逻辑控制电路还可以完成两路信号的单独控制或者半桥模式控制。故障信号通过两个门极驱动光耦ACPL-332J芯片向控制电路发送故障信号。布局特征是DC/DC供电单元的中的变压器位于驱动模块的中间，两片两个门极驱动光耦ACPL-332J芯片位于变压器的两侧。逻辑处理电路位于变压器的原边侧，功率放大电路位于变压器的副边侧。在两路功率放大电路中的电路板打长条孔，在变压器的原边与副边之间打长条孔，即在两路功率放大部分之间的电路板（PCB）上开的U型槽。 

图5所示为在实际工作中所设计的逆变器驱动部分电路。系统正常工作时，V_OUT受光耦驱动电流的控制，ACPL-332J原边典型的驱动电流为8-12mA，同时检测IGBT的V_CE值。此时。Fault脚输出高电平；如果有短路或者很大的电流流过IGBT的情况，IGBT就会进入欠饱和模式，V_CE电压迅速上升。当DESAT脚检测到V_CE电压值高于6.5V时，V_OUT逐渐变为低电平，开始软关断IGBT，以防止di/dt导致的高压；同时，触发光耦内部的反馈通道，使Fault输出拉低，通知DSP封锁PWM输出。 

IGBT关断期间，C29放电，故障监测电路置为无效，以避免产生错误的故障信号。一旦监测到故障状态，V_OUT禁用5μs，在禁用期间，忽略所有输入的驱动信号，使驱动能彻底地 软关断IGBT，禁用时间过了之后，原边输入驱动信号再次变为高电平，使故障监测电路重新有效。 

欠饱和监测和过电流保护：IGBT的欠饱和源于两个方面：一是驱动器的性能差，导致门极驱动信号功率不足；二是驱动电源的功率不足。在ACPL-332J中采用的故障监测策略是监测IGBT的饱和压降，如果集电极电压超过了预设的阀值，光耦就会触发软关断时序，在IGBT中耗散能量达到破坏性的水平之前，IGBT彻底关断。在IGBT关断期间，光耦的Fault监测电路禁用，以防止误触发信号的产生。ACPL-332J通过监测V_CE值，不仅能限制模块的功耗，而且能用在门极驱动电压不足的情况下，因此，没有必要过分保守的设定IGBT的过流阀值。 

消隐时间：紧随着IGBT的导通，DESAT故障监测电路屏蔽一小段时间，以允许集电极电压将DESAT阀值至以下，这个时间为DESAT消隐时间。它由DESAT内部充电电流I_CBC，DESAT电压阀值V_DESAT和外部电容C_BLANK控制，即 ， t_BLANK=2.7μs。当IGBT开通时，如果DESAT电压超过了阀值V_DESAT，只有在消隐时间过后，DESAT故障监测电路的保护功能才有效。C₂₉=100pF。 

欠压锁定功能：ACPL-332J的欠压锁定特性是为防止IGBT门极驱动电压不足而设计的。IGBT所需的典型门极电压为15V。当门极电压低于13V时，V_CE值急剧增大，特别是在大电流的时候，当门极电压低于10V时。IGBT工作在线性区，这将导致模块的功耗急剧增大，芯片上电后，当IGBT门极电压不足时，ACPL-332J的输出被强制拉低。如果V_CC2超过V_CVLO+(欠压锁定正阀值电压)，欠压锁定模块的嵌位释放，允许光耦正常工作；如果V_CC2低于V_CVLO-(欠压锁定负阀值电压)，欠压锁定模块工作，使光耦的输出置低。当V_CC2达到V_CVLO+之前，DESAT保护电路已经有效，因此，欠压锁定和DESAT故障监测电路是共同工作来保护IGBT的。在实际设计中，V_CC2=+16V，V_K1=-8V，取值与IGBT的门极驱动电压值、过流保护点等的选择有关。 

故障检测电路中二极管的选型：在大功率的应用场合，由于IGBT续流二极管存在反向恢复时间的问题，反向恢复的尖峰值容易导通光耦的本体二极管，使DESAT置低，从而产生错误的监测信号。为了避免DESAT的误触发，最好使用结电容非常小的超快恢复二极管D2，同时在DESAT和地之间使用齐纳二极管ZD1和肖特基二极管D1。ZD1用来防止过高的瞬态电压而损坏DESAT脚，D1阻值光耦的本体二极管正偏。在本设计中，二极管的选型 分别为：D1—MBR0504，D2—BYV26E，ZD1—IN5925A。由于DESAT监测阀值电压典型值为6.5V，比较高。本设计采用如下方法来减小这个监测值：高压二极管串联稳压二极管，调整后新的阀值为V_DESAT=7-V_F-V_Z。 

图4是本实施例的元气件布局结构图。第一部分是逻辑处理电路1，该电路完成工作模式的选择，信号的互锁，死区时间的产生，故障信号的输出功能。逻辑处理电路通端子外接电平的不同实现两个IGBT单独控制模式或者半桥控制模式。在单独控制模式下，两路输入信号分别控制两路输出。在半桥控制模式下，由一路输入信号产生互为反相的控制信号。另一路输入信号作为上一路的输入信号的使能控制。第二部分是ACPL-332J集成电路2，分别驱动两路IGBT模块，完成IGBT驱动过程中的保护及信号的传输，提供了欠压锁定保护，过载过流保护，故障软关断功能。实现输入信号与输出驱动信号的隔离。第三部分是DC/DC电源供电单元3，为电路的其它部分提供隔离电源， 特别是两路IGBT驱动之间，逻辑控制电路与功率放大部分之间的电气隔离。第四部分是功率放大单元4，上下两部分电路相同。第五部分是在两路功率放大部分之间的电路板（PCB）上开的U型槽5，加强两路功率放大部分的电气安全性能。 

图6是是电源转换电路，将15V直流电通过MC7805ABD2TR4G转换芯片变为5V直流电压。 

图7是DC/DC供电单元部分，通过NE555L芯片将15V作为变压器原边隔离电压，然后通过两组变压器隔离后变为+17V和-10V电压，分别为上下桥臂的IGBT驱动电路ACPL-332J提供安全工作电压。 

图8是PWM互锁电路，将DSP发出的PWM分为两路分别供给半桥IGBT的上下桥臂，将两路PWM信号通过互锁电路防止上下桥臂同时导通，起到保护作用。 

本实用新型采用Avago公司的门极驱动光耦ACPL-332J，是一个具有2.5A输出电流驱动能力，易于使用的智能门驱动器，它使IGBT的V_CE保护更加简洁。它集成了很多功能模块，如V_CE检测、欠压锁定、IGBT软关断、隔离的集电极开路故障反馈、有源米勒嵌位，这给设计提供了很大的灵活度。 

所使用的ACPL-332J芯片直接使用CUASP LED驱动，直接耦合到功率输出级，省去了缓冲器；更低的传输延迟，在整个温度范围内，最大传输延迟时间为250ns；更低的脉宽失真，最大的脉宽失真为100ns；集成了有源米勒嵌位功能管脚布局；传输延迟时间短大大增强系统的动态响应；有源米勒嵌位抑制寄生导通现象发生。 

Claims (3)

1.一种双路输出的IGBT驱动模块，包括两个门极驱动光耦ACPL-332J芯片、逻辑控制电路、DC/DC供电单元和两个功率放大单元，其特征在于：外部输入连接逻辑控制电路，逻辑控制电路输出分别连接两个门极驱动光耦ACPL-332J芯片，每个门极驱动光耦ACPL-332J芯片连接一个功率放大单元，两个门极驱动光耦ACPL-332J芯片、逻辑控制电路和两个功率放大单元均连接DC/DC供电单元。

2.一种双路输出的IGBT驱动模块电路板，其特征在于：还包括如权利要求1所述的一种双路输出的IGBT驱动模块，该驱动模块印制在电路板PCB上， DC/DC供电单元位于该驱动模块的中间，两个门极驱动光耦ACPL-332J芯片分别位于DC/DC供电单元的上下两侧，逻辑控制电路位于DC/DC供电单元的原边侧，两个功率放大单元位于DC/DC供电单元的副边侧。

3.根据权利要求2所述的一种双路输出的IGBT驱动模块电路板，其特征在于：所述的两路功率放大单元之间的电路板PCB上开有U型槽。 

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