一种双隔离多输出驱动系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种双隔离多输出驱动系统。包括控制板和驱动板。控制板包含控制板电源模块和TMS320F28335型DSP单片机最小系统模块；驱动板包含驱动板电源模块、功率模块、驱动信号备用模块、直接驱动模块、变压器隔离驱动模块、光耦隔离驱动模块、数字电位器模块、显示模块和负载模块。与现有驱动电路比较，本实用新型可通过三种驱动电路结构和两种全控型器件的六种组合以满足不同功率指标下的驱动要求，减小开关损耗；可通过所述最小系统上的按键或驱动信号备用模块上的滑动变阻器获得所需幅度和频率的驱动信号和栅极电阻以显著提高驱动性能。该系统用于电力电子领域解决驱动电路结构确定、隔离方式选择及栅极电阻参数设计。
【专利说明】
一种双隔离多输出驱动系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及电力电子领域一种驱动系统，尤其是一种双隔离多输出驱动系统。
【背景技术】
[0002]驱动电路是控制电路和功率开关器件的接口，其设计关系系统效率和安全，不合理的电路参数会导致高电压尖峰而损坏驱动芯片和开关管。目前，多数驱动电路的设计常仅针对某一特定驱动对象设计元件参数且隔离方式单一;单一的电力电子开关管只适于某种功率及电压场合，如MOSFET只适合小功率且不耐高压，当驱动对象改变时，不能保证良好的驱动性能。IGBT、M0SFET的栅射(或栅源)极间呈容性，栅极回路的寄生电感不可避免，如果没有栅极电阻，栅极回路在驱动器驱动脉冲的激励下会产生很强的振荡，因此必须串联栅极电阻消除栅极振荡，栅极电阻影响了全控型开关器件过渡过程中栅射(或栅源)极间电压的上升、下降时间、开关损耗及集电极电流变化率等参数。我国对驱动的研究投入从近十几年才逐步开始，在功率集成、驱动模块研发等方面都存在技术欠缺。
【实用新型内容】
[0003]为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种包含三种驱动电路结构、两种隔离方式(光耦隔离和变压器隔离)及两种全控型电力电子器件(M0SFET和IGBT)的双隔呙多输出驱动系统。
[0004]本实用新型的技术方案是这样实现的:
[0005]包括控制板和驱动板;控制板包含控制板电源模块和TMS320F28335型DSP单片机最小系统模块;驱动板包含驱动板电源模块、功率模块、驱动信号备用模块、直接驱动模块、变压器隔离驱动模块、光耦隔离驱动模块、数字电位器模块、显示模块和负载模块；TMS320F28335型DSP单片机最小系统模块和驱动信号备用模块的驱动信号输出端口与驱动板直接驱动模块、光耦隔离驱动模块和变压器隔离驱动模块的输入端连接，直接驱动模块、光耦隔离驱动模块和变压器隔离驱动模块的输出端与功率模块的输入端连接，功率模块的输出端与负载模块的输入端连接。
[0006]电源模块包含控制板电源模块和驱动板电源模块，所述控制板电源模块采用型号为TPS767D301的芯片，其5和6、11和12号引脚接+5?+例的直流电压;其3和4、9和10号引脚接地并分别与5和6、11和12引脚间并联一0.1uF贴片电容和一1uF电解电容;其17和18号引脚输出+3.3V直流电压，23和24号引脚输出+ 1.8V直流电压并串联一 0.1uF贴片电容和一1uF电解电容后接地用于电源去耦;+3.3V直流电压串联一IK Ω电阻和一发光二极管以示TPS767D301芯片正常工作;+5?+9V的直流电压进端采用开关控制通断，控制板电源模块为TMS320F28335型DSP单片机最小系统模块提供电源。
[0007]所述驱动板电源模块采用型号为78M05的芯片，其I号引脚接地;其2号引脚接+15V直流电压并串联一 0.33uF电容接地;其3号引脚串联一 ImH电感后输出+5V直流电压并串联一0.0luF电容接地;+15V直流电压串联一3ΚΩ电阻和一发光二极管后接地以示电压成功接入，驱动板电源模块为驱动信号备用模块、直接驱动模块、光耦隔离驱动模块、变压器隔离驱动模块和显示模块提供电源。
[0008]所述驱动信号备用模块采用型号为NE555的芯片，其8号引脚和3号引脚分别接一开关以控制芯片工作和PWM信号输出；其4号引脚串联一 1ΚΩ电阻和10ΚΩ滑动变阻器后与7号引脚相连;其2号和6号引脚相连并串联一4.7nF贴片电容接地，另串联一20ΚΩ滑动变阻器后与7号引脚相连;其5号引脚串联一1nF贴片电容后接地;其I号引脚直接接地。
[0009]所述驱动模块的栅极电阻由型号为MCP410的数字电位器，其I号、2号和3号引脚与TMS320F28335型DSP单片机最小系统模块相连;其8号引脚接+5V直流电压;其4号引脚接地，其5号、6号和7号引脚接出以作为阻值可调的栅极电阻使用。
[0010]所述直接驱动模块包含型号为IR2121的芯片，其I号引脚接+15V直流电压；其8号引脚接0.1uF贴片电容用于芯片电源去耦;其2号引脚为驱动信号输入端;其3号和4号引脚并联一0.1uF贴片电容后接地;其5号和6号引脚接地;其7号引脚为驱动电压输出端，接至栅极电阻输入端；由于开关管栅源极间和栅射极间的高绝缘电阻和薄绝缘层易造成器件击穿，故在栅射极间并一1K Ω电阻以释放栅极电荷并保护器件。
[0011 ]所述光親隔离驱动模块包含型号为TLP250的光親驱动芯片；其1号和4号引脚悬空;其2号引脚为驱动信号输入端，在该引脚前串联一2ΚΩ电阻以限流;其3号引脚接地;其6号和7号引脚相连作为驱动电压输出端，接至栅极电阻输入端;其8号引脚接+15V直流电压并串联一0.1uF电容接地用于芯片电源去耦;为加快器件关断速度，在TLP250芯片5号引脚接入-9 V直流电压。
[0012]所述变压器隔离驱动模块包含型号为IR2121的直接驱动芯片、脉冲变压器和两个5V稳压管；IR2121芯片的I号引脚接+15V直流电压;其8号引脚接0.1uF贴片电容用于芯片电源去耦;其2号引脚为驱动信号输入端;其3号和4号引脚并联一0.1uF贴片电容后接地;其5号和6号引脚接地;其7号引脚为驱动电压输出端，接至栅极电阻输入端;脉冲变压器初级串联电容起到隔离直流分量的作用，串联电阻以吸收谐振能量，消除电压振荡;选用的变压器匝数比为1:1，栅极与源极之间通过将两个反向串联的稳压二极管并联在其两侧以起到负电压钳位，加快开关管关断速度;栅源极间并联一 10ΚΩ电阻。
[00?3]所述显不模块为型号为LCD1602的芯片，其信号输入端4?16号引脚与TMS320F28335型DSP单片机最小系统连接。
[0014]本实用新型的有益效果是:可通过三种驱动电路结构和两种全控型器件的六种组合以满足不同功率指标下的驱动要求，减小开关损耗；当驱动对象变化时，可通过单片机最小系统上的按键或驱动信号备用模块上的滑动变阻器获得所需幅度和频率的驱动信号和栅极电阻值以显著提高系统的驱动性能，从而获得满意的驱动效果。该系统用于电力电子领域解决驱动电路结构确定、隔离方式选择及栅极电阻参数设计。
【附图说明】
[0015]图1是本实用新型系统结构不意图。
[0016]图2是本实用新型控制板电源模块电路原理图。
[0017]图3是本实用新型控制板JTAG模块电路原理图。
[0018]图4是本实用新型控制板引导模块电路原理图。
[0019]图5是本实用新型驱动板电源模块电路原理图。
[0020]图6是本实用新型驱动板功率模块电路原理图。
[0021 ]图7是本实用新型驱动板驱动信号备用模块电路原理图。
[0022]图8是本实用新型驱动板显示模块电路原理图。
[0023]图9是本实用新型驱动板直接驱动模块电路原理图。
[0024]图10是本实用新型驱动板变压器隔离驱动模块电路原理图。
[0025]图11是本实用新型驱动板光耦隔离驱动模块电路原理图。
[0026]图12是本实用新型驱动板数字电位器模块电路原理图。
【具体实施方式】
[0027]以下结合附图对本实用新型作进一步详细描述，凡是采用本实用新型的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
[0028]如图1所示，本实用新型包含控制板和驱动板。控制板包含控制板电源模块(图2)、JTAG模块(图3)、引导模块(图4)、TMS320F28335芯片、电源滤波模块、双插件排针模块、复位模块和时钟模块等;驱动板包含驱动板电源模块(图5)、功率模块(图6)、驱动信号备用模块(图7)、显示模块(图8)、直接驱动模块(图9)、变压器隔离驱动模块(图10)、光耦隔离驱动模块(图11)、数字电位器模块(图12)和负载模块;TMS320F28335型DSP单片机最小系统模块和驱动信号备用模块的驱动信号输出端与驱动板直接驱动模块、光耦隔离驱动模块和变压器隔离驱动模块的输入端连接，直接驱动模块、光耦隔离驱动模块和变压器隔离驱动模块的输出端与功率模块的输入端连接，功率模块的输出端与负载模块的输入端连接。
[0029]如图2所示，本实用新型控制板电源模块采用型号为TPS767D301的高精度电源芯片产生+3.3V和+1.8V两种电压供DSP使用。其5和6、11和12号引脚接+5?+9V的直流电压;其3和4、9和10号引脚接地并分别与5和6、11和12引脚间并联一0.1uF贴片电容和一1uF电解电容；其17和18号引脚输出+3.3V直流电压，23和24号引脚输出+ 1.8V直流电压并串联一
0.1uF贴片电容和一1uF电解电容后接地用于电源去耦;+3.3V直流电压串联一 1ΚΩ电阻和一发光二极管以示TPS767D301芯片正常工作;+5?+9V的直流电压进端采用开关控制通断。控制板电源模块为TMS320F28335型DSP单片机最小系统模块提供电源。本实用新型的最小系统时钟电路模块采用TMS320F28335型DSP单片机外部晶体振荡器，在Xl和X2之间连接一个30MHz的石英晶体，系统通过编程选择5倍频的PLL功能，可实现TMS320F28335的最高工作频率(I 50MHz)。
[0030]如图3所示，本实用新型控制板JTAG模块考虑到JTAG下载口的抗干扰性，在与DSP连接的TDI，TMS，TCK，EMUO，EMUI端口通过4.7k Ω的上拉电阻连接至电源，TRST引脚通过4.7kQ的下拉电阻接地，且分别在其引脚上添加0.UiF的旁路电容。
[0031]如图4所示，本实用新型控制板引导模块引导ROM中的重启向量会重新向In i tBoo t函数传入程序执行，其选项包括:跳转至Flash，跳转至SARAM，跳转至OTP，跳转到XINTF或者从串口调用一个片上引导以下载常规性工作。设备重启时，在执行设备初始化以后，引导程序会检查GP1引脚的状态以确定用户选用哪种引导模式，具体电路连接详见图4。
[0032]如图5所示，本实用新型驱动板电源模块采用型号为78M05的芯片，其I号引脚接地;其2号引脚接+15V直流电压并串联一 0.33uF电容接地;其3号引脚串联一 ImH电感后输出+5V直流电压并串联一0.0luF电容接地;+15V直流电压串联一3ΚΩ电阻和一发光二极管后接地以示电压成功接入。驱动板电源模块为驱动信号备用模块、直接驱动模块、光耦隔离驱动模块、变压器隔离驱动模块和显示模块提供电源。
[0033]如图6所示，本实用新型驱动板功率模块的MOSFET采用IR公司的IRFP4568PbF，IGBT采用Infineon公司的IKW25N120H3;M0SFET的漏极和IGBT的集电极串联限流电阻后接+24V直流电压;MOSFET的源极和IGBT的发射极接地;MOSFET的漏极、栅极、源极和IGBT的集电极、栅极、发射极分别引出以供测试和连接。
[0034]如图7所示，本实用新型驱动板驱动信号备用模块采用型号为NE555的芯片，其8号引脚和3号引脚分别接一开关以控制芯片工作和PffM信号输出；其4号引脚串联一IK Ω电阻和10ΚΩ滑动变阻器后与7号引脚相连;其2号和6号引脚相连并串联一4.7nF贴片电容接地，另串联一20ΚΩ滑动变阻器后与7号引脚相连;其5号引脚串联一1nF贴片电容后接地;其I号引脚直接接地。驱动信号备用模块的作用是使驱动信号的幅度、频率可调。
[0035]如图8所示，本实用新型驱动板显示模块为型号为LCD1602的芯片，其信号输入端(4?16号引脚)与TMS320F28335型DSP单片机最小系统连接，用以显示当前驱动信号的幅度和频率以及栅极电阻值。
[0036]如图9所示，本实用新型驱动板直接驱动模块包含型号为IR2121的芯片，其I号引脚接+15V直流电压;其8号引脚接0.1uF贴片电容用于芯片电源去耦;其2号引脚为驱动信号输入端;其3号和4号引脚并联一0.1uF贴片电容后接地;其5号和6号引脚接地;其7号引脚为驱动电压输出端，接至栅极电阻输入端；由于开关管栅源极间和栅射极间的高绝缘电阻和薄绝缘层易造成器件击穿，故在栅射极间并一1K Ω电阻以释放栅极电荷并保护器件。
[0037]如图10所示，本实用新型驱动板光耦隔离驱动模块包含型号为TLP250的光耦驱动芯片;其I号和4号引脚悬空;其2号引脚为驱动信号输入端，为减小由PWM带来的输入电流，在该引脚前串联一2ΚΩ电阻以限流;其3号引脚接地;其6号和7号引脚相连作为驱动电压输出端，接至栅极电阻输入端;其8号引脚接+15V直流电压并串联一0.1uF电容接地用于芯片电源去耦;为加快器件关断速度，在TLP250芯片5号引脚接入-9V直流电压。
[0038]如图11所示，本实用新型驱动板变压器隔离驱动模块包含型号为IR2121的直接驱动芯片、脉冲变压器和两个5V稳压管；IR2121芯片的I号引脚接+15V直流电压;其8号引脚接
0.1uF贴片电容用于芯片电源去耦;其2号引脚为驱动信号输入端;其3号和4号引脚并联一
0.1uF贴片电容后接地;其5号和6号引脚接地;其7号引脚为驱动电压输出端，接至栅极电阻输入端;脉冲变压器初级串联电容起到隔离直流分量的作用，串联电阻以吸收谐振能量，消除电压振荡;选用的变压器匝数比为1:1，栅极与源极之间通过将两个反向串联的稳压二极管并联在其两侧以起到负电压钳位，加快开关管关断速度;栅源极间并联一 10ΚΩ电阻以保护栅极及开关器件。
[0039]如图12所示，本实用新型驱动模块的栅极电阻由型号为MCP410的数字电位器，其I号、2号和3号引脚与TMS320F28335型DSP单片机最小系统模块相连;其8号引脚接+5V直流电压;其4号引脚接地，其5号、6号和7号引脚接出以作为阻值可调的栅极电阻使用。
[0040]系统工作前，本实用新型先将负载的两端接入功率模块(图6)P7的1、3或2、3，再选择直接驱动模块(图9)、变压器隔离驱动模块(图10)和光耦隔离驱动模块(图11)中的一种(P2、P3、P4中一个与P5、P6中一个对应引脚连接)，即可通过三种驱动电路结构和两种全控型器件的六种组合以满足不同功率指标下的驱动要求。数字电位器模块(图12)的PU三个引脚与控制板相连，P12的1、2或2、3与直接驱动模块(图9)中的P8、变压器隔离驱动模块(图10)中的P9或光耦隔离驱动模块(图11)中的PlO的1、2连接以实现通过TMS320F28335型DSP单片机控制的数字电位器(图12)对栅极电阻进行调整。显示模块(图8)的各引脚与控制板TMS320F28335型DSP单片机对应连接以显示当前驱动信号的幅度和频率以及栅极电阻值。当没有控制板时，可利用驱动信号备用模块(图7)的按键SI和S2开启该模块，并通过调整滑动变阻器Radjl和Radj2以实现驱动信号幅度和频率的调整。
[0041 ] 工作时，若选择直接驱动模块(图9)，TMS320F28335型DSP单片机最小系统或者驱动信号备用模块(图7)的驱动信号通过Ul芯片的2号引脚输入，输出信号通过栅极电阻将驱动电压加在MOSFET的栅源极两端或IGBT的栅射极两端，以驱动MOSFET或IGBT。若选择变压器隔离驱动模块(图10)，TMS320F28335型DSP单片机最小系统或者驱动信号备用模块(图7)的驱动信号通过U2芯片的2号引脚输入，输出信号通过栅极电阻将驱动电压加在MOSFET的栅源极两端或IGBT的栅射极两端，以驱动MOSFET或IGBT。若选择光耦隔离驱动模块(图11)，TMS320F28335型DSP单片机最小系统或者驱动信号备用模块(图7)的驱动信号通过U3芯片的2号引脚输入，输出信号通过栅极电阻将驱动电压加在MOSFET的栅源极两端或IGBT的栅射极两端，以驱动MOSFET或IGBT。
【主权项】
1.一种双隔离多输出驱动系统，包括控制板和驱动板;控制板包含控制板电源模块和TMS320F28335型DSP单片机最小系统模块;驱动板包含驱动板电源模块、功率模块、驱动信号备用模块、直接驱动模块、变压器隔离驱动模块、光耦隔离驱动模块、数字电位器模块、显示模块和负载模块;其特征在于，TMS320F28335型DSP单片机最小系统模块和驱动信号备用模块的驱动信号输出端口与驱动板直接驱动模块、光耦隔离驱动模块和变压器隔离驱动模块的输入端连接，直接驱动模块、光耦隔离驱动模块和变压器隔离驱动模块的输出端与功率模块的输入端连接，功率模块的输出端与负载模块的输入端连接。2.根据权利要求1所述的双隔离多输出驱动系统，其特征在于，电源模块包含控制板电源模块和驱动板电源模块，所述控制板电源模块采用型号为TPS767D301的芯片，其5和6、11和12号引脚接+5?+9V的直流电压;其3和4、9和10号引脚接地并分别与5和6、11和12引脚间并联一0.1uF贴片电容和一1uF电解电容;其17和18号引脚输出+3.3V直流电压，23和24号弓丨脚输出+1.8V直流电压并串联一0.1uF贴片电容和一1uF电解电容后接地用于电源去耦；+3.3V直流电压串联一IKΩ电阻和一发光二极管以示TPS767D301芯片正常工作;+5?+9V的直流电压进端采用开关控制通断，控制板电源模块为TMS320F28335型DSP单片机最小系统模块提供电源。3.根据权利要求2所述的双隔离多输出驱动系统，其特征在于，所述驱动板电源模块采用型号为78M05的芯片，其I号引脚接地;其2号引脚接+15V直流电压并串联一 0.33uF电容接地;其3号引脚串联一 ImH电感后输出+5V直流电压并串联一 0.0 IuF电容接地;+15V直流电压串联一3ΚΩ电阻和一发光二极管后接地以示电压成功接入，驱动板电源模块为驱动信号备用模块、直接驱动模块、光耦隔离驱动模块、变压器隔离驱动模块和显示模块提供电源。4.根据权利要求2所述的双隔离多输出驱动系统，其特征在于，所述驱动信号备用模块米用型号为NE555的芯片，其8号引脚和3号引脚分别接一开关以控制芯片工作和PffM信号输出；其4号引脚串联一 1ΚΩ电阻和10ΚΩ滑动变阻器后与7号引脚相连;其2号和6号引脚相连并串联一4.7nF贴片电容接地，另串联一20ΚΩ滑动变阻器后与7号引脚相连;其5号引脚串联一 I OnF贴片电容后接地;其I号引脚直接接地。5.根据权利要求1所述的双隔离多输出驱动系统，其特征在于，所述驱动模块的栅极电阻由型号为MCP410的数字电位器，其I号、2号和3号引脚与TMS320F28335型DSP单片机最小系统模块相连;其8号引脚接+5V直流电压;其4号引脚接地，其5号、6号和7号引脚接出以作为阻值可调的栅极电阻使用。6.根据权利要求1所述的双隔离多输出驱动系统，其特征在于，所述直接驱动模块包含型号为IR2121的芯片，其I号引脚接+15V直流电压;其8号引脚接0.1uF贴片电容用于芯片电源去耦;其2号引脚为驱动信号输入端;其3号和4号引脚并联一0.1uF贴片电容后接地;其5号和6号引脚接地;其7号引脚为驱动电压输出端，接至栅极电阻输入端；由于开关管栅源极间和栅射极间的高绝缘电阻和薄绝缘层易造成器件击穿，故在栅射极间并一 10ΚΩ电阻以释放栅极电荷并保护器件。7.根据权利要求1所述的双隔离多输出驱动系统，其特征在于，所述光耦隔离驱动模块包含型号为TLP250的光親驱动芯片;其I号和4号引脚悬空;其2号引脚为驱动信号输入端，在该引脚前串联一2ΚΩ电阻以限流;其3号引脚接地;其6号和7号引脚相连作为驱动电压输出端，接至栅极电阻输入端;其8号引脚接+15V直流电压并串联一0.1uF电容接地用于芯片电源去耦;为加快器件关断速度，在TLP250芯片5号引脚接入-9V直流电压。8.根据权利要求1所述的双隔离多输出驱动系统，其特征在于，所述变压器隔离驱动模块包含型号为IR2121的直接驱动芯片、脉冲变压器和两个5V稳压管；IR2121芯片的I号引脚接+15V直流电压;其8号引脚接0.1uF贴片电容用于芯片电源去耦;其2号引脚为驱动信号输入端;其3号和4号引脚并联一0.1uF贴片电容后接地;其5号和6号引脚接地;其7号引脚为驱动电压输出端，接至栅极电阻输入端;脉冲变压器初级串联电容起到隔离直流分量的作用，串联电阻以吸收谐振能量，消除电压振荡;选用的变压器匝数比为1:1，栅极与源极之间通过将两个反向串联的稳压二极管并联在其两侧以起到负电压钳位，加快开关管关断速度；栅源极间并联一 10ΚΩ电阻。9.根据权利要求1所述的双隔离多输出驱动系统，其特征在于，所述显示模块为型号为LCD1602的芯片，其信号输入端4?16号引脚与TMS320F28335型DSP单片机最小系统连接。
【文档编号】H02M1/08GK205453479SQ201620130600
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年2月19日
【发明人】杨航, 刘凌, 倪骏康, 胡全龙
【申请人】西安交通大学