一种应用于igbt的高性能驱动电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型是一种针对于IGBT的驱动能力强、低功耗、高可靠性、保护功能齐全的驱动电路。所述电路包括：单路施密特触发缓冲器U1；双通道门极驱动光耦U2；场效应管U3、U4；三极管Q1、Q2；二极管D1；齐纳二极管D2；快速恢复二极管D3；瞬态抑制二极管D4，D5;双向二极管D7；功率肖特基二极管D6、D8、D9；无极性电容C1、C2；极性电容C3、C4、C6；电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14；本实用新型的有益效果是：该实用新型驱动电路具有大电流的输出能力，并且更换不同型号的场效应管(U3、U4)即可满足大功率驱动的需求，确保有足够的电流吞吐能力，降低了开关损耗。
【专利说明】—种应用于IGBT的高性能驱动电路
【技术领域】
[0001]本实用新型应用于电力电子产品制造领域，是一种针对于IGBT的驱动能力强、低功耗、高可靠性、保护功能齐全的驱动电路。
【背景技术】
[0002]绝缘栅双极晶体管IGBT是第三代电力电子器件，安全工作，它集功率晶体管GTR和功率场效应管MOSFET的优点于一身，具有易于驱动、峰值电流容量大、自关断、开关频率高(10-40 kHz)的特点，是目前发展最为迅速的新一代电力电子器件，广泛应用于变频电源、电机调速、UPS、光伏、风力发电、逆变焊机等变流器装置当中，在这些装置中，一般由IGBT组成功率单元，而驱动电路是连接控制电路和功率单元的桥梁，它将装置中的控制电路产生的数字PWM信号进行隔离传输、电平转换和功率放大，实现控制电路对功率单元的开通和关断动作的控制，从而实现装置的功率变换功能。如果电力电子装置比作是一个人，控制电路可以看作是大脑，功率单元看作是手和脚，驱动电路就是连接大脑和手脚之间的脊椎和神经。驱动电路的好坏直接关系到装置能否正常工作，高性能的驱动电路首先要保证IGBT安全可靠的开通和关断，其次还要使开关管具有较小的损耗，最后要求具有全面的保护功能。
[0003]传统的驱动电路存在以下问题:
[0004]1、驱动能力小，驱动器没有足够的瞬时电流吞吐能力，开通和关断时间延长导致开关损耗增大；
[0005]2、不能做到轨到轨输出，不具有过欠压保护、可扩展性差，防直通的功能；
[0006]3、故障信号反馈延时短，控制器不容易捕捉导致封锁PWM信号不及时，容易造成故障扩大化；
[0007]4、不具备软关断功能，当IGBT关断时，线路电感产生的频率很高、幅值很大、脉宽很窄的尖峰电压，威胁开关管的安全工作。
【发明内容】
[0008]本实用新型就是针对传统的驱动电路存在的缺点，研制了应用于IGBT高性能的驱动电路，它具有输出电流大、轨到轨输出功能、故障信号延时时间长、可调节的软关断功能、防直通功能、可扩展性高等优点。
[0009]本实用新型的技术方案是:应用于IGBT的闻性能驱动电路，该电路包括:
[0010]单路施密特触发缓冲器Ul ；
[0011]双通道门极驱动光耦U2 ；
[0012]场效应管U3、U4;
[0013]三极管Q1、Q2;
[0014]二极管 Dl ；
[0015]齐纳二极管D2;
[0016]快速恢复二极管D3;
[0017]瞬态抑制二极管D4，D5;
[0018]双向二极管D7;
[0019]功率肖特基二极管D6、D8、D9 ;
[0020]无极性电容Cl、C2;
[0021]极性电容C3、C4、C6 ;
[0022]电阻 R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14 ;
[0023]Rl的一端、Cl的一端和Dl的阳极共同连接到Ul的2脚，Rl的另一端、R5的一端、Cl的另一端和Ul的3脚共同连接到GNDl (公共端)，Dl的阴极、U1的5脚和C2的一端共同连接到5V，C2的另一端连接到GND1，Ul的4脚连接到R6的一端，R6的另一端连接到U2的3脚，U2的2脚和4脚共同连接到R5的另一端，U2的5脚、8脚、和Ql的发射极共同连接到GND1，U2的6脚、R2的一端和R3的一端共同连接到5V，U2的7脚、R3的另一端和R4的一端连接到一起，R4的另一端连接到Ql的基极，R2的另一端连接到Ql的集电极，U2的9脚和U4的I脚、2脚、3脚共同连接到-8.2V，U4的4脚连接到R8的一端，R8的另一端连接至IJ U2的11脚，U4的5脚、6脚、7脚和8脚共同连接到R12的一端，R12的另一端、Rll的一端、R13的一端、R14的一端、D6的阴极、D8的阳极和D7的一端共同连接到IGBT的门极，Rll的另一端和U3的5脚、6脚、7脚、8脚相连接，D8的阴极与Q3的漏极相连接，D7的另一端、R14的另一端、Q3的源极和Q2的发射极共同连接到IGBT的发射极，R13的另一端连接到Q2的集电极，D6的阳极连接到D5的阳极，D5的阴极和D4的阳极，D4的阴极与D3的阴极共同连接到IGBT的集电极，D3的阳极与R9的一端连接，R9的另一端、D2的阴极、D9的阴极和C5的一端共同连接到U2的15脚，U2的16脚与C3的负极性端、C4的正极性端、C5的另一端、D2的阳极、D9的阳极共同连接到VEE(VEE与IGBT的发射极相连接)，U2的12脚连接到R7的一端，R7的另一端连接到U3的4脚，U3的I脚、2脚、3脚、C6的正极性端、U2的13脚和C3的正极性端共同连接到15V，C6的负极性端和C4的负极性端共同连接到-8.2V，U2的14脚连接到RlO的一端，RlO的另一端、Q2的基极和Q3的基极共同连接。
[0024]本实用新型的有益效果是:
[0025]1、该实用新型驱动电路具有大电流的输出能力，并且更换不同型号的场效应管(U3、U4)即可满足大功率驱动的需求，确保有足够的电流吞吐能力，降低了开关损耗；
[0026]2、能够实现轨到轨输出，即满电源幅度输出，同时可以做到防直通，具备欠压和过压保护的功能；
[0027]3、故障信号延时时间长达lms，便于控制器捕捉，在发生故障时，能够及时保护进而防止故障扩大化；
[0028]5、具备软关断功能，并且可根据实际需求调节软关断的时间，能够有效地抑制由电路中寄生电感产生的尖峰电压，确保IGBT安全可靠的工作；
[0029]6、具有源钳位功能，即钳住IGBT的集电极电位，使其不要到达太高的水平，电压尖峰太高，或者太陡，都会使IGBT受到威胁；
[0030]说明书附图:
[0031]图1为本实用新型闻性能驱动电路原理不意图。
[0032]图2为本实用新型高性能驱动电路输出波形示意图。
[0033]图3为本实用新型高性能驱动电路故障反馈延时时间示意图。
[0034]图4为本实用新型高性能驱动电路软关断波形示意图。
[0035]【具体实施方式】:
[0036]下面结合附图和具体实施例对本实用新型的技术方案作进一步说明。
[0037]如图1所示，本实用新型高性能驱动电路原理示意图，该电路包括:
[0038]单路施密特触发缓冲器Ul ；
[0039]双通道门极驱动光耦U2 ；
[0040]场效应管U3、U4;
[0041]三极管Q1、Q2;
[0042]二极管 Dl ；
[0043]齐纳二极管D2 ；
[0044]快速恢复二极管D3 ；
[0045]瞬态抑制二极管D4，D5;
[0046]双向二极管D7 ；
[0047]功率肖特基二极管D6、D8、D9 ;
[0048]无极性电容Cl、C2;
[0049]极性电容C3、C4、C6 ;
[0050]电阻 R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14 ;
[0051]Rl的一端、Cl的一端和Dl的阳极共同连接到Ul的2脚，Rl的另一端、R5的一端、Cl的另一端和Ul的3脚共同连接到GNDl (公共端)，Dl的阴极、U1的5脚和C2的一端共同连接到5V，C2的另一端连接到GND1，Ul的4脚连接到R6的一端，R6的另一端连接到U2的3脚，U2的2脚和4脚共同连接到R5的另一端，U2的5脚、8脚、和Ql的发射极共同连接到GND1，U2的6脚、R2的一端和R3的一端共同连接到5V，U2的7脚、R3的另一端和R4的一端连接到一起，R4的另一端连接到Ql的基极，R2的另一端连接到Ql的集电极，U2的9脚和U4的I脚、2脚、3脚共同连接到-8.2V，U4的4脚连接到R8的一端，R8的另一端连接至IJ U2的11脚，U4的5脚、6脚、7脚和8脚共同连接到R12的一端，R12的另一端、Rll的一端、R13的一端、R14的一端、D6的阴极、D8的阳极和D7的一端共同连接到IGBT的门极，Rll的另一端和U3的5脚、6脚、7脚、8脚相连接，D8的阴极与Q3的漏极相连接，D7的另一端、R14的另一端、Q3的源极和Q2的发射极共同连接到IGBT的发射极，R13的另一端连接到Q2的集电极，D6的阳极连接到D5的阳极，D5的阴极和D4的阳极，D4的阴极与D3的阴极共同连接到IGBT的集电极，D3的阳极与R9的一端连接，R9的另一端、D2的阴极、D9的阴极和C5的一端共同连接到U2的15脚，U2的16脚与C3的负极性端、C4的正极性端、C5的另一端、D2的阳极、D9的阳极共同连接到VEE(VEE与IGBT的发射极相连接)，U2的12脚连接到R7的一端，R7的另一端连接到U3的4脚，U3的I脚、2脚、3脚、C6的正极性端、U2的13脚和C3的正极性端共同连接到15V，C6的负极性端和C4的负极性端共同连接到-8.2V，U2的14脚连接到RlO的一端，RlO的另一端、Q2的基极和Q3的基极共同连接。
[0052]以70KW变流器为例，IGBT型号为300A/1200V，各个元件的参数如下:
[0053]Ul 型号为 SN74LVC1G17 ；
[0054]U2 型号为 ACPL-339J ；
[0055]U3、U4 型号分别为 Si7414DN、Si7415DN ；
[0056]Ql、Q2 型号分别为 MMBT3904、Si2308BD ；
[0057]Q3 型号为 BSP149 ；
[0058]Dl 的型号为 1N4148 ；
[0059]D2 型号为 ZMM12V ；
[0060]D3 型号为 SF1200 ；
[0061 ] D4 型号为 P6SMB600A ；
[0062]D5 型号为 P6SMB500A ；
[0063]D6 型号为 STPS160A ；
[0064]D7 型号为 P4SMA18CA ；
[0065]D8 型号为 BAT42W ；
[0066]D9 型号为 MBR0540 ；
[0067]C1、C2、C5 型号分别为 470pF/50V、0.luF/50VU00pF/50V ；
[0068]C3、C4、C6 型号为 10uF/50V ；
[0069]R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14 型号分别为 10K、2K、10K、2K、250欧姆、250欧姆、10欧姆、10欧姆、100欧姆、160欧姆、5欧姆、5欧姆、330欧姆、5.1K ；
[0070]其中R1、C1的作用是消除输入信号的杂波；D2的作用是防止输入信号电压超过Ul正常工作电压；ui的作用是对输入信号进行整形；R5、R6、主要的作用是平衡正负两端的阻抗；R2、R3、R4、Ql共同构成故障反馈电路，当U2给出故障信号时，给系统提供的故障信号是低电平；U2是驱动光耦，一方面提供隔离驱动信号，另一方面提供故障反馈和安全监测信号；U3和U4构成驱动放大电路，保证有足够的电流吞吐能力；Q2、R13、R10构成软关断电路，软关断时间可通过调节RlO的阻值实现；D2和D9作用是保护U2的故障检测引脚，保证其管脚电压在一个合理的范围内；D8和Q3作用是防止IGBT在上电的过程中误导通；R14和D7作用是提高IGBT栅极的抗干扰能力；D4、D5、D6构成有源钳位电路，目标是钳住IGBT的集电极电位，使其不要到达太高的水平，保证IGBT安全。
[0071]图2本实用新型高性能驱动电路输出波形示意图，正电压和负电压均在合理范围内，过低的正电压会导致集电极和发射极的饱和压降增大，进而增加开通损耗，但正电压不能超过20V，否则会击穿IGBT门极，负电压关断IGBT可以防止发生误导通；图3为本实用新型高性能驱动电路故障反馈信号示意图，延时时间为1ms，在故障内时间段输入信号被视为无效。图4为本实用新型高性能驱动电路的软关断波形示意图，在发生故障时，保证IGBT安全可靠的关断。
【权利要求】
1.一种应用于IGBT的高性能驱动电路，所述电路包括: 单路施密特触发缓冲器Ul ； 双通道门极驱动光耦U2 ； 场效应管U3、U4 ; 三极管Q1、Q2 ； 二极管Dl ； 齐纳二极管D2 ； 快速恢复二极管D3 ； 瞬态抑制二极管D4，D5 ； 双向二极管D7 ； 功率肖特基二极管D6、D8、D9 ; 无极性电容Cl、C2 ； 极性电容C3、C4、C6 ； 电阻 Rl、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R1、Rll、R12、R13、R14 ； 其特征在于: Rl的一端、Cl的一端和Dl的阳极共同连接到Ul的2脚，Rl的另一端、R5的一端、Cl的另一端和Ul的3脚共同连接到GNDl公共端，Dl的阴极、Ul的5脚和C2的一端共同连接到5V，C2的另一端连接到GNDl，Ul的4脚连接到R6的一端，R6的另一端连接到U2的3脚，U2的2脚和4脚共同连接到R5的另一端，U2的5脚、8脚、和Ql的发射极共同连接到GNDI, U2的6脚、R2的一端和R3的一端共同连接到5V，U2的7脚、R3的另一端和R4的一端连接到一起，R4的另一端连接到Ql的基极，R2的另一端连接到Ql的集电极，U2的9脚和U4的I脚、2脚、3脚共同连接到-8.2V，U4的4脚连接到R8的一端，R8的另一端连接到U2的11脚，U4的5脚、6脚、7脚和8脚共同连接到R12的一端，R12的另一端、Rll的一端、R13的一端、R14的一端、D6的阴极、D8的阳极和D7的一端共同连接到IGBT的门极，Rll的另一端和U3的5脚、6脚、7脚、8脚相连接，D8的阴极与Q3的漏极相连接，D7的另一端、R14的另一端、Q3的源极和Q2的发射极共同连接到IGBT的发射极，R13的另一端连接到Q2的集电极，D6的阳极连接到D5的阳极，D5的阴极和D4的阳极，D4的阴极与D3的阴极共同连接到IGBT的集电极，D3的阳极与R9的一端连接，R9的另一端、D2的阴极、D9的阴极和C5的一端共同连接到U2的15脚，U2的16脚与C3的负极性端、C4的正极性端、C5的另一端、D2的阳极、D9的阳极共同连接到VEE，所述VEE与IGBT的发射极相连接，U2的12脚连接到R7的一端，R7的另一端连接到U3的4脚，U3的I脚、2脚、3脚、C6的正极性端、U2的13脚和C3的正极性端共同连接到15V，C6的负极性端和C4的负极性端共同连接到-8.2V，U2的14脚连接到RlO的一端，RlO的另一端、Q2的基极和Q3的基极共同连接。
【文档编号】H03K17/08GK204103880SQ201420397767
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年7月18日 优先权日:2014年7月18日
【发明者】索红亮, 娄丽丽 申请人:廊坊英博电气有限公司, 北京英博电气股份有限公司, 北京英博新能源有限公司