CN2520568Y - 功率绝缘栅双极型和场效应型晶体管栅极隔离驱动模块 - Google Patents

功率绝缘栅双极型和场效应型晶体管栅极隔离驱动模块 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及适合于各种IGBT或MOSFET的驱动模块。开关电源1将输入2转换成两个+17V和－6V双极性电源3;4和5采用光电耦合为输入和输出提供2500V的电气隔离;输出14和15可控制IGBT或MOSFET 16和17的通断;隔离二极管D5和D6检测器件的导通欠饱和状态,借此实现IGBT或MOSFET的过流保护功能;时序和逻辑单元6、导通延时电路7和8、异或逻辑电路9用以防止同一桥臂上的器件16和17出现动态或稳态的贯穿短路。

Description

功率绝缘栅双极型和场效应型晶体管栅极隔离驱动模块
所属技术领域
本实用新型涉及电力电子控制技术领域，具体涉及适合于各种功率的功率绝缘栅双极型晶体管和功率绝缘栅场效应型晶体管完整的栅极隔离驱动模块。
背景技术
随着电力半导体技术和器件的飞速发展，功率绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和场效应型晶体管(MOSFET)已经在中小功率变流器中起主导作用，并逐步扩展到大功率应用领域。作为电压控制的电力半导体器件，功率IGBT或MOSFET器件的栅极驱动电路必须满足下述基本要求，以保证这些器件安全可靠地导通和关断。这些要求可以概括为：
1.栅极驱动电路与变流器系统控制电路应具有1500V～2500V的电气隔离；
2.导通控制电压应为+15V～+18V，以保证IGBT或MOSFET器件的可靠开通；
3.关断控制电压应为-5V～-8V，以增强IGBT或MOSFET器件的抗干扰能力；
4.导通和关断时，栅极驱动瞬时电流能力应高达几安培，以保证IGBT或MOSFET器件的快速导通和关断；
5.栅极驱动电路应该能够检测IGBT或MOSFET器件可能出现的故障过电流，并强制栅极电压为负值关断电压，同时为控制系统发出隔离的故障信号；
6.在桥式逆变器的应用中，栅极驱动电路应具有控制逻辑上的保护能力，以防止同一桥臂上的两个IGBT或MOSFET器件出现动态或稳态的贯穿短路。
在电力半导体变流器的开发和设计过程中，工程技术人员需要设法利用开关电源技术、数字电路和模拟电路技术的原理，设计特定的驱动电路，以满足上述栅极驱动的要求。这些工作常常需要耗费很长的时间和精力，因而造成开发成本和周期的增加。由于受到设计者经验的限制，这些特定的驱动电路常常不能达到满意的效果。现有的技术有的需要另外配件，有的价格昂贵而难于推广。例如，美日合资的帕莱克斯(POWEREX)公司是一家世界上知名的电力半导体器件的生产商，该厂家生产的M579系列IGBT和MOSFET栅极驱动模块具有隔离放大和保护功能，其输出电流可达2.5A至5A，用于中、大功率的IGBT或MOSFET栅极驱动。但是这些模块需要另外配置开关电源；当用于桥式电力半导体变流器还需要另外附加驱动延时和逻辑保护电路。瑞典的康赛特(CT-CONCEPT)技术有限公司生产提供各种IHD系列IGBT驱动模块，但是售价昂贵，因此只能用于样机开发中，而不适合用于批量生产中。所有这些模块中没有光纤隔离的产品，因而不适合用于强电磁干扰的环境，或长距离传输的场合。
本实用新型总结了在电力半导体变流器的开发中多年实际工作经验，提供了满足IGBT和MOSFET栅极驱动要求，克服了M579系列和IHD系列产品的缺点，研制成适合于各种中大功率变流器应用的栅极隔离驱动系列模块。这些模块可以大大简化电力半导体变流器的设计和开发工作，保证IGBT和MOSFET器件在各种场合下安全可靠运行，降低了整个控制系统的成本和开发周期，有利于电力半导体变流器的模块化和标准化。
发明内容
本实用新型是一种功率绝缘栅双极型和场效应型晶体管栅极隔离驱动模块，用于驱动电力半导体器件绝缘栅双极型和场效应型晶体管。光电耦合器实现栅极控制电路与驱动电路之间具有2500V的电气隔离，并经电流放大之后的驱动输出，可直接连接到两个绝缘栅双极型晶体管器件的栅极和发射极之间或场效应型晶体管器件的漏极和源极之间，做成控制开关；为保证绝缘栅双极型或场效应型晶体管器件的可靠导通，开通时的栅极驱动输出电压为+15.8V；为增强绝缘栅双极型或场效应型晶体管器件的抗干扰能力，关断时的栅极驱动输出电压为-5.6V；为满足中、大功率的绝缘栅双极型或场效应型晶体管器件的栅极驱动要求，驱动模块的最大驱动电流可高达10安培；为实现绝缘栅双极型或场效应型晶体管器件的过流故障保护，在过流故障状态下提供绝缘栅双极型或场效应型晶体管器件的软关断，并向控制电路发出过流故障状态信号，过流保护电路检测两个功率绝缘栅双极型或场效应型晶体管器件的欠饱和电压，从而在过流时封锁栅极驱动脉冲；过流故障之后由控制系统控制驱动模块的复位；其特征是：每个功率绝缘栅双极型和场效应型晶体管栅极隔离驱动模块内具有一个开关电源，这个内置的开关电源将非稳压的10V～20V输入电压转换成两个稳定的隔离的23V输出电压，并分成两组+17V和-6V双极型电源；为防止桥式半导体变流器中同一桥臂上的两个绝缘栅双极型或场效应型晶体管器件出现动态或稳态的贯穿短路，每个栅极隔离驱动模块中还内置有时序和逻辑电路；上述这种功率绝缘栅双极型和场效应型晶体管栅极隔离驱动模块内，具有两个稳定的隔离的23V输出电压并分成两组+17V和-6V双极型电源，以及内置有时序和逻辑电路，可驱动桥式半导体变流器中同一桥臂上的两个绝缘栅双极型或场效应型晶体管器件，称谓功率绝缘栅双极型和场效应型晶体管栅极隔离双驱动模块。
功率绝缘栅双极型和场效应型晶体管栅极隔离驱动模块，其特征是：当功率绝缘栅双极型和场效应型晶体管栅极隔离双驱动模块摒弃连接它的时序和逻辑电路时，那么它就可以为两个独立的绝缘栅双极型或场效应型晶体管器件提供栅极驱动控制。
功率绝缘栅双极型和场效应型晶体管栅极隔离驱动模块，其特征是：内置的开关电源将非稳压的10V～20V输入电压转换成一个稳定的隔离的23V输出电压，分成+17V和-6V双极型电源，并删除栅极隔离双驱动模块中内置的时序和逻辑电路，从而构成本实用新型中的功率绝缘栅双极型和场效应型晶体管栅极隔离单驱动模块。
功率绝缘栅双极型和场效应型晶体管栅极隔离驱动模块，其特征是：为提高抗电磁干扰能力并适用于在长距离传输中很小衰减，以光纤作为控制信号载体，用光代替电缆和逻辑电平作为输入控制源的输入信号，构成本实用新型中的功率绝缘栅双极型和场效应型晶体管栅极隔离光纤耦合双驱动模块。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。
图1是典型的用于变流器同一桥臂上的两个IGBT或MOSFET器件的栅极隔离双驱动模块的原理和功能图。
图2是图1所示电路中栅极隔离双驱动模块的典型波形图。
图3是单个IGBT或MOSFET器件的栅极隔离单驱动模块的原理和功能图。
图4是用于变流器同一桥臂上的两个IGBT或MOSFET器件的栅极光纤耦合隔离双驱动模块的原理和功能图。
图中1.隔离开关电源；2.非稳压的输入电压；3.稳定的隔离的输出电压；4.和5.隔离、放大、保护单元；6.时序和逻辑单元；7.和8.脉冲上升沿的导通延时电路；9.异或逻辑电路；10.过流故障状态输出；11.和12.驱动输入信号；13.过流故障复位输入；14.和15.栅极驱动输出；16.和17.功率IGBT或MOSFET器件；18.脉冲上升沿的导通延时时序；19.和20.光纤接收器。
具体实施方式
图1是典型的用于变流器中同一桥臂上两个IGBT或MOSFET器件的栅极隔离双驱动模块的原理和功能图。
图2是图1所示电路中栅极隔离双驱动模块的典型波形图。
下面以图1、图2为例说明IGBT或MOSFET栅极隔离驱动模块的各项功能。
每个栅极隔离双驱动模块都具有一个隔离开关电源1，这个开关电源将非稳压的10V-20V输入电压2转换成两个稳定的隔离的23V输出电压，并分成+17V和-6V双极性电源3，为IGBT或MOSFET器件的栅极驱动电路提供隔离电源。
驱动模块中的隔离、放大、保护单元4和5采用光电耦合的方式为输入和输出提供2500V的电气隔离。经过电流放大之后的驱动输出14和15可以直接连接到IGBT器件16和17的栅极和发射极(或MOSFET器件的漏极和源极)之间，以做开关控制之用。导通时的栅极驱动输出电压约为+15.8V，关断时的栅极驱动输出电压约为-5.6V。导通和关断的实际输出电压值会稍微受到所选用的IGBT(或MOSFET)器件、开关频率和栅极电阻的影响，设计人选用-5.6V的负偏置电压，用以保证IGBT或MOSFET器件的可靠关断，同时可以进一步提高IGBT或MOSFET器件的抗电磁干扰的能力。驱动模块的最大驱动电流可高达10A，完全可以满足中、大功率的IGBT或MOSFET器件的栅极驱动要求。
驱动模块通过隔离二极管D5和D6检测IGBT或MOSFET器件的导通欠饱和状态，借此实现IGBT或MOSFET器件的故障过流保护功能，在故障过流状态下提供IGBT或MOSFET器件的软关断。如果在IGBT或MOSFET器件16或17的导通状态下，IGBT器件的集电极和发射极(或MOSFET器件的漏极和源极)之间的饱和电压上升到7.0伏以上，那么过流保护功能将启动，从而将栅极驱动的输出拉低到-5.6V，并在“过流故障”输出端10产生用于报警的低电平。这样，可以利用“过流故障”输出状态10，激活变流器控制硬件系统和软件系统中的相应保护功能。图1中的过流故障复位13为低电平有效输入，应该由控制系统提供过流故障之后驱动模块的复位。
在图1中，双驱动模块还包括了IGBT或MOSFET器件的栅极电阻Rg。不同厂家生产的IGBT或MOSFET器件对栅极电阻值有不同的要求，对中、大功率的IGBT或MOSFET器件来说，1.5欧到3.9欧的电阻通常可以满足要求。为了保护IGBT或MOSFET器件的栅极，使其免遭瞬态电压尖峰的损伤，驱动模块在IGBT或MOSFET器件的栅极和发射极之间还提供了两个反向并联的耐压为22V的TVS二极管D1、D2、D3和D4。
图1中，IGBT或MOSFET栅极隔离双驱动模块的中包含了时序和逻辑单元6，用以防止同一桥臂上的两个电力半导体器件16和17出现动态或稳态的贯穿短路。如果由于某种原因，同一桥臂上的两个IGBT或MOSFET器件的栅极同时出现驱动控制脉冲，那么驱动模块中的异或逻辑电路9就会同时关断这两个IGBT或MOSFET器件。驱动模块中还具有栅极脉冲上升沿的导通延时电路7和8，从而避免半桥电路中两个IGBT或MOSFET器件在换相期间可能出现的瞬时贯穿短路。对于一般中、大功率的IGBT或MOSFET器件来说，3us到10us之间延时比较合适。图2中的18显示了栅极输出脉冲上升沿的延时。
用于IGBT或MOSFET器件开关控制的驱动输入信号11和12，可以是标准的TTL或CMOS逻辑电平。栅极驱动模块采纳了低电平导通，当驱动输入信号11和12为0～0.8V的低逻辑电平时，IGBT或MOSFET器件的栅极产生一个约为+15.8V高驱动电平，使得IGBT或MOSFET器件触发导通。当驱动输入信号11和12为大于2.0V的高逻辑电平或高阻态(例如悬空输入)时，在IGBT或MOSFET器件的栅极产生一个约为-5.6V低驱动电平，使得IGBT或MOSFET器件关断。由于选择了低电平作为有效电平，驱动模块的抗电磁干扰的能力得到了提高。图2中的10和11是驱动模块的逻辑输入的典型波形。14和15是驱动模块在栅极的输出电压典型波形。
如果在图1隔离双驱动模块中，删除用来避免IGBT或MOSFET器件贯穿短路的时序和逻辑单元6，那么隔离双驱动模块就可以为两个IGBT或MOSFET器件提供独立的栅极驱动控制。
除了上述的IGBT或MOSFET栅极隔离双驱动模块之外，根据类似的原理，本实用新型还包括了隔离单驱动模块和光纤耦合隔离驱动模块。
与双驱动模块相比，IGBT或MOSFET栅极隔离单驱动模块只有一路驱动电路，用于控制单个IGBT或MOSFET器件，因而删除掉了在图1双驱动模块中用来避免IGBT或MOSFET器件贯穿短路的时序和逻辑电路6。单驱动模块的其他功能，都与双驱动模块类似。图3给出了单驱动模块的原理和功能图。隔离开关电源1，将非稳压的10V-20V控制输入电压2，转换成一个稳定的隔离的23V输出电压，并分成+17V和-6V双极性电源3，为IGBT或MOSFET器件的栅极驱动电路提供隔离电源。驱动模块中的隔离、放大、保护单元4采用光电耦合的方式，为输入11和输出14提供2500V的电气隔离。经过电流放大之后的驱动输出14可以直接连接到IGBT或MOSFET器件16的栅极，以做开关控制之用。单驱动模块通过隔离二极管D5检测IGBT或MOSFET器件的开通欠饱和状态，在故障过流状态下提供IGBT或MOSFET器件的软关断，并在“过流故障”输出端10产生用于报警的低电平。
光纤耦合隔离驱动模块具有很强的抗电磁干扰的能力，主要用于电磁干扰恶劣的环境中或者传输距离长的场合下，为中、大功率IGBT或MOSFET器件提供灵活、可靠和经济的栅极驱动控制。在光纤耦合隔离驱动模块中，光纤作为控制信号载体，光作为输入控制源，用以代替电缆和逻辑电平输入信号。光在光纤中传输时，很少受到电磁干扰的影响，并且在长距离传输中的衰减很小，因而可以用于电磁干扰恶劣的环境中或传输距离长的场合下。图4给出了光纤耦合隔离双驱动模块原理和功能图。光纤接收器19和20将驱动的输入光信号11和12转换成逻辑电平信号，作为时序和逻辑单元6的输入。其它电路单元的原理和功能均与图1所示隔离双驱动模块相同。

Claims (4)

1.一种功率绝缘栅双极型和场效应型晶体管栅极隔离驱动模块，用于驱动电力半导体器件绝缘栅双极型和场效应型晶体管，光电耦合器实现栅极控制电路与驱动电路之间具有2500V的电气隔离，并经电流放大之后的驱动输出，可直接连接到两个绝缘栅双极型晶体管器件的栅极和发射极之间或场效应型晶体管器件的漏极和源极之间，做成控制开关；为保证绝缘栅双极型或场效应型晶体管器件的可靠导通，开通时的栅极驱动输出电压为+15.8V；为增强绝缘栅双极型或场效应型晶体管器件的抗干扰能力，关断时的栅极驱动输出电压为-5.6V；为满足中、大功率的绝缘栅双极型或场效应型晶体管器件的栅极驱动要求，驱动模块的最大驱动电流可高达10安培；为实现绝缘栅双极型或场效应型晶体管器件的过流故障保护，在过流故障状态下提供绝缘栅双极型或场效应型晶体管器件的软关断，并向控制电路发出过流故障状态信号，过流保护电路检测两个功率绝缘栅双极型或场效应型晶体管器件的欠饱和电压，从而在过流时封锁栅极驱动脉冲；过流故障之后由控制系统控制驱动模块的复位；其特征是：每个功率绝缘栅双极型和场效应型晶体管栅极隔离驱动模块内具有一个开关电源，这个内置的开关电源将非稳压的10V～20V输入电压转换成两个稳定的隔离的23V输出电压，并分成两组+17V和-6V双极型电源；为防止桥式半导体变流器中同一桥臂上的两个绝缘栅双极型或场效应型晶体管器件出现动态或稳态的贯穿短路，每个栅极隔离驱动模块中还内置有时序和逻辑电路；上述这种功率绝缘栅双极型和场效应型晶体管栅极隔离驱动模块内，具有两个稳定的隔离的23V输出电压并分成两组+17V和-6V双极型电源，以及内置有时序和逻辑电路，可驱动桥式半导体变流器中同一桥臂上的两个绝缘栅双极型或场效应型晶体管器件，称谓功率绝缘栅双极型和场效应型晶体管栅极隔离双驱动模块。
2.根据权利要求1所述的功率绝缘栅双极型和场效应型晶体管栅极隔离驱动模块，其特征是：当功率绝缘栅双极型和场效应型晶体管栅极隔离双驱动模块摒弃连接它的时序和逻辑电路时，那么它就可以为两个独立的绝缘栅双极型或场效应型晶体管器件提供栅极驱动控制。
3.根据权利要求1所述的功率绝缘栅双极型和场效应型晶体管栅极隔离驱动模块，其特征是：内置的开关电源将非稳压的10V～20V输入电压转换成一个稳定的隔离的23V输出电压，分成+17V和-6V双极型电源，并删除栅极隔离双驱动模块中内置的时序和逻辑电路，从而构成本实用新型中的功率绝缘栅双极型和场效应型晶体管栅极隔离单驱动模块。
4.根据权利要求1所述的功率绝缘栅双极型和场效应型晶体管栅极隔离驱动模块，其特征是：为提高抗电磁干扰能力并适用于在长距离传输中很小衰减，以光纤作为控制信号载体，用光代替电缆和逻辑电平作为输入控制源的输入信号，构成本实用新型中的功率绝缘栅双极型和场效应型晶体管栅极隔离光纤耦合双驱动模块。
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