IGBT高频软开关驱动厚膜的制作方法

本实用新型涉及IGBT驱动电路，具体涉及IGBT高频软开关驱动厚膜。

背景技术：

20世纪80年代后期，随着MOSFET、IGBT、SIT等器件相继出现，电力电子技术得到再次发展。到21世纪初期感应加热装置已经开始大范围使用IGBT和MOSFET做为主要的功率开关器件。国内外IGBT主要用于大功率装置，而MOSFET主要用于高频装置。通常把感应电源按频率范围可划分为：低频(500Hz以下)、中频(1KHz~10KHz)、超音频(20KHz~40KHz)，高频(40KHz~200KHz)、超高频(200KHz以上)。

感应加热技术在国外发展比较迅猛，尤其是欧美和日本等国家，他们在感应加热领域对于高频和超高频产品的开发方面基本上代表了感应加热技术上的最高应用水平。国外某些公司利用IGBT设计的感应加热装置可以把功率做到超过1000KW同时频率达到50kHZ；利用MOSFET可以设计出功率几千瓦同时频率可达到500kHZ以上，甚至儿兆赫兹的感应加热装置。但是大功率，工作频率在100kHZ到250kHZ的感应加热装置是一个市场空白，并且市场需求很大。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本实用新型提供IGBT高频软开关驱动厚膜。

本实用新型的技术方案具体为：

IGBT高频软开关驱动厚膜：电耦合器和软关断控制模块都与驱动控制模块连接，软关断控制模块连接推挽放大器，并且栅极开通电阻、栅极关断电阻分别连接推挽放大器两个输出端，推挽放大器输入端高电平时栅极开通电阻输出端导通，推挽放大器输入端低电平时栅极关断电阻输出端导通。

进一步的：IGBT发射极连接负载，IGBT集电极连接外部电源。

进一步的：还包括VCE电压检测模块，IGBT集电极通过两个串联的二极管连接至VCE电压检测模块，软关断控制模块和VCE电压检测模块进行信号连接。

进一步的：还包括故障反馈模块，故障反馈模块接收VCE电压检测模块的信号并通过光耦反馈故障信号至设备主控板。

进一步的：驱动控制模块和故障反馈模块集成在一块模块电路上。

进一步的：还包括电源支持模块，电源支持模块为故障支持模块、驱动控制模块提供电源支持。

进一步的：还包括欠压保护模块和电源支持模块，欠压保护模块检测电源支持模块的电源信号并发送控制信号至软关断控制模块。

相对于现有技术，本实用新型的技术效果为：

电路信号延迟时间短，工作频率可以达到250kHZ，填补了100kHZ到250kHZ的感应加热装置的市场空白，满足了市场需求；具有强大的驱动能力；采用光耦隔离，隔离效果好；具有优秀的故障反馈电路，故障脉冲封锁快速，故障信号能够回锁驱动脉冲，并实现了过流保护及降栅压高级软关断功能；设计了优秀的IGBT驱动电路，解决了IGBT快速开关功率损耗问题，实现了IGBT高频软开通、软关断功能，降低IGBT导通过程中过电流，降低IGBT关断过程中的过电压；硬件电路高度集成化，使本实用新型体积小、输出脉宽不受限制。

附图说明

图1是门极电荷测量波形图。

图2为本实用新型的示意图。

图3为本实用新型短路保护时检测波形图。

具体实施方式

如图2所示，IGBT高频软开关驱动厚膜， IGBT驱动厚膜接收从设备主控板发出的PWM波形，PWM波形信号驱动光电耦合器，驱动控制模块接收光电耦合器的输出信号后发送控制信号至软关断控制模块，软关断控制模块在驱动控制信号作用下发送驱动信号至推挽放大器，推挽放大器根据输入的控制信号选择通过栅极开通电阻Rg（on）或者栅极关断电阻Rg（off）向IGBT 提供栅极电流。

IGBT正常开通过程：IGBT驱动厚膜接收从设备主控板发出的PWM波形，输入信号为高电平时，驱动信号光电耦合器导通，IGBT驱动推挽上管导通，下管截止驱动器通过上管输出端及栅极开通电阻Rg（on）向IGBT提供栅极电流，使之迅速导通，VCE下降到VCES(约3V)。同时VCE电压检测点电位被箱位在4V左右，保护电路不动作。

IGBT正常关断过程：当主控板PWM 输入信号为低电平时，驱动信号光耦截止，使IGBT驱动推挽下管导通，上管截止，驱动器通过下管输出端及栅极关断电阻Rg（off）将IGBT VGE电压迅速拉低至负5V，使IGBT快速关断。同时通过内部电路将VCE电压检测点电位被箱位在0V 左右，保护电路不动作。

其中利用软关断控制模块处理关断动作能有效的避免硬关断处理中的开关损耗和保护IGBT原件的安全，提高了设备的稳定性增强了驱动性能。

本实用新型还具有VCE电压检测模块、故障反馈模块， IGBT集电极通过两个串联的二极管连接至VCE电压检测模块，软关断控制模块和VCE电压检测模块进行信号连接，故障反馈模块接收VCE电压检测模块的信号并通过光耦反馈故障信号至设备主控板。

VCE电压检测模块、故障反馈模块的短路保护过程：驱动信号经过高速光耦隔离送至驱动控制逻辑单元，作为驱动信号控制使能信号。由于IGBT具有退饱和的特性，当IGBT负载RL无限接近零时，流过IGBT集电极电流急剧增大，此时IGBT的 VCEsat电压升高，VCE电压检测电路检测到IGBT电流过大，存在过流短路状态，此时VCE电压检测电路通知驱动控制电路，关断驱动信号，并且同时将故障信号通过光耦反馈给设备主控板。VCE电压检测电路检测到短路、过流情况时同时通知软关断控制电路，采用软关断的方式，切断驱动IGBT的两个推挽管的开关信号，从而达到软关断IGBT的目的。（如图3所示）

本实用新型还具有欠压保护模块和电源支持模块，欠压保护模块检测电源支持模块的电源信号并发送控制信号至软关断控制模块。

欠压保护模块和电源支持模块的欠压保护过程：欠压保护模块检测电源支持模块的电源状态，发现出现欠压时，欠压保护模块发送欠压信号至软关断控制模块对IGBT进行软关断处理。

为了提高电路的集成度缩小设备体积，其中的故障反馈模块和驱动控制模块集成在一块模块电路上。

上述实施例参数计算过程：

1.1确定IGBT门极电荷以及门极电容

对于设计一个驱动器来讲，最重要的参数是门极电荷，在很多情况下，IGBT 数据手册中这个参数没有给出，另外，门极电压在上升过程中的充电过程也未被描述。无论如何，门极的充电过程相对而言能够简单地通过测量得到。因而要驱动一个IGBT，在设计中根据设备应用中IGBT所需的门极电压（例如±15V）。

首先，在负载端没有输出电压的情况下，我们可以作如下计算。门极电荷可以利用公式计算：

Q＝∫idt＝CΔU

确定了Q可以用示波器观测门极电压，同时电压的上升ΔU 在测量中也能在示波器上清楚的观测到。（见图1）

利用公式CIN＝Q/ΔU。实际的输入电容能够通过计算得到。

在折算中的经验公式

在IGBT 手册中的电容值Ciss，在实际电路应用中不是一个特别有用的参数，因为它是通过电桥测得的，由于测量电压太小而不能到达门极门槛电压，在实际开关中增加的内部回馈效应（Miller 效应）在测量中未被包括在内。在测量电路中，一个25V 的电压加在集电极“C”上，在这种测量构架下，所测结电容要比Vce＝0V 时要小一些。因此，Ciss 仅仅只能在IGBT 互相作比较时使用。

对于MITSUBISHI 和EUPEC的INFINEON 系列IGBT 而言，下面的经验公式经过验证是较为准确可信的。

CIN＝5Ciss （Ciss 可从IGBT 手册中得到）

1.3驱动功率的计算

在输入结电容中存贮的能量可通过如下计算：

W＝CINΔU2

这里，ΔU 是门极上上升的整个电压。比如，在±15V 驱动电压下，ΔU 是30V。

在每个工作周期，门极被充电二次。一个IGBT 所需的驱动功率计算如下：

P＝f ·CIN·ΔU2

如门极电荷先前已通过测量得到，则

P＝f ·Q·ΔU

这个功率是每个IGBT 驱动时必须的，但门极的充放电是没有能量损失的，这个功率实际上损失在驱动电阻及外部电路中。

驱动器中DC/DC 变换器的总输出功率损耗通常是由一个静态的、固定的损耗加上最终驱动损耗组成。

门极驱动电流的计算

驱动器的最大输出电流必须大于等于实际所需的门极驱动电流。计算公式如下：

IGmax=ΔU/R G(min)

ΔU 是整个门极上升电压，例如±15V 驱动，ΔU＝30V。而RG(min) 则是电路中选择的最小栅极驱动电阻。

计算实例

对于一个300A 的IGBT 模块，选择EUPEC的INFINEON系列中的BSM200GB120DN2，工作频率在200KHZ。

第一个参数门极电荷测量波形如图1所示：

Q 及ΔU 值通过示波器可测得：

Q＝2150nAs ΔU=30V

门极电容CIN＝Q/ΔU=2150nAs/30V=71.6nF。

所需的驱动功率：

P＝f*Q*ΔU=200kHZ*2150nAs*30V=12.9W

接下来，加上1W 的内部功耗

12.9W+1W=13.9W

驱动设计时IGBT打开高电压为+15V ，关断低电压-5V时，同样依据以上计算。

实际所需的驱动功率：

P＝f*Q*ΔU=200kHZ*2150nAs*20V=8.6W

接下来，加上1W 的内部功耗

8.6W+1W=9.6W

实际使用中栅级电阻RG =2.5Ω，那么

IGmax=ΔU /RG＝20/2.5=8A

1.6上述实施例驱动厚膜电路功能及参数：

依据以上所述的分析计算结果，我们设计了一款能满足我们实际需要的IGBT驱动厚膜电路。具体参数如下：

IGBT模块驱动电压：开通电压+15V/关断电压-5V

峰值驱动电流：8A

监测VCEsat提供短路保护及过流保护功能

高级软关断功能

电源欠压闭锁功能

故障反馈功能

信号隔离传输

320nS信号转换时间

110nS故障信号反馈时间

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围。