CN102710103B - 一种双路高压大功率igbt驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双路高压大功率IGBT驱动电路，涉及IGBT驱动技术领域。该电路由双路互锁和光信号转化发射电路和双路驱动模块组成，双路互锁和光信号转化发射电路采用硬件互锁电路将接收到的双路驱动信号进行互锁处理，经互锁处理后的驱动信号输入至双路驱动模块对IGBT进行开关操作，双路互锁和光信号转化发射电路处理后的驱动信号为两路关断信号，或者其中一路信号为关断信号，另一路信号为开通信号。优点是：利用光纤和隔离电源作为隔离介质，提高了隔离电压等级；该驱动电路保护功能完善，可靠性高，成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及IGBT驱动技术领域，具体是一种双路高压大功率IGBT驱动电路。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管IGBT是一种复合器件，它的输入控制部分为MOSFET，输出级为双极结型三极晶体管，其兼有MOSFET输入阻抗高，电压控制，驱动功率小，开关速度快，工作频率较高的优点，又具有电力三极管饱和压降低，电压、电流容量大，安全工作区宽的优点，因而IGBT广泛应用于大功率变频器和开关电源等功率设备中。IGBT驱动技术是IGBT应用过程中的关键之一，驱动电路的输出特性和短路过流保护功能是IGBT安全、高效工作的先决条件。IGBT驱动电路在应用过程中应具有足够的安全隔离电压，保证变流器控制回路和功率回路间的电气隔离。优良的IGBT驱动电路还应具有控制信号传输延时小，开通和关断时间可控，能够提供稳定的开通电压和驱动功率和自我保护等特点。尤其是应用于变频器系统中时，IGBT驱动电路必须对IGBT具有精确可靠的短路过流保护功能，并且在应用于变频器半桥型IGBT驱动时，双路输入信号的硬件互锁功能对变频器系统的保护也是至关重要的。除此之外，随着IGBT驱动电路的使用量日益增大，在保证驱动性能优良的同时，减小体积和降低成本也很有必要。
现有IGBT驱动产品中，主要分为基于光耦芯片隔离的驱动技术和基于脉冲变压器隔离的驱动技术。光耦芯片廉价，但是隔离电压等级低，传输延时高，应用范围窄。基于脉冲变压器的驱动产品性能良好，但成本很高。目前的IGBT驱动产品存在的主要问题是不能兼顾良好的驱动和保护性能以及低廉的成本。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种双路高压大功率IGBT驱动电路，具有高隔离电压和驱动信号逻辑互锁功能的双路IGBT驱动电路，该电路兼顾优良的性能和低成本的特点。
本发明是以下技术方案实现的：一种双路高压大功率IGBT驱动电路，包括双路互锁和光信号转化发射电路和双路驱动模块，双路互锁和光信号转化发射电路采用硬件互锁电路将接收到的双路驱动信号进行互锁处理，经互锁处理后的驱动信号输入至双路驱动模块对IGBT进行开关操作，双路互锁和光信号转化发射电路处理后的驱动信号为两路关断信号，或者其中一路信号为关断信号，另一路信号为开通信号；所述的双路互锁和光信号转化发射电路包括驱动信号逻辑互锁电路，第一路光信号转化发射接口和第二路光信号转化发射接口，驱动信号逻辑互锁电路的输入端与控制器的信号输出端相连，对双路驱动信号进行逻辑互锁处理，驱动信号逻辑互锁电路的输出端与第一路光信号转化发射接口以及第二路光信号转化发射接口相连，第一路光信号转化发射接口以及第二路光信号转化发射接口分别将两路电信号转化为光信号经光纤传输出去；驱动信号逻辑互锁电路的核心器件为异或门芯片U18和与门芯片U19；第一路光信号转化发射接口为信号发射光纤头U20，第二路光信号转化发射接口为信号发射光纤头U21；异或门芯片U18的管脚1和管脚2分别接收上一级控制器所输出的双路驱动信号，异或门芯片U18的管脚5与管脚1相连，异或门芯片U18的管脚8和管脚2相连，异或门芯片U18的管脚6和管脚9均接地，异或门芯片U18的管脚3同时和与门芯片U19的管脚1和管脚15相连，异或门芯片U18的管脚4和与门芯片U19的管脚16相连，异或门芯片U18的管脚10和与门芯片U19的管脚14相连，双路驱动信号经过异或门芯片U18和与门芯片U19处理后即实现了逻辑互锁；与门芯片U19的输出管脚2经200Ω限流电阻R1后与信号发射光纤头U20的管脚1相连，信号发射光纤头U20的管脚2接地，信号发射光纤头U20将第一路电信号转化为光信号经光纤发射出去；与门芯片U19的输出管脚3经200Ω限流电阻R2后与信号发射光纤头U21的管脚1相连，信号发射光纤头U21的管脚2接地，信号发射光纤头U21将第二路电信号转化为光信号经光纤发射出去；
所述的双路驱动模块包括第一路故障信号发射接口、第一路驱动信号接收接口、第二路驱动信号接收接口、第二路故障信号发射接口、第一路+5V稳压电路、第二路+5V稳压电路、第一路DC/DC电源模块、第二路DC/DC电源模块、第一路逻辑控制电路、第二路逻辑控制电路、第一路功率放大电路和第二路功率放大电路，上述器件构成第一路信号通路和第二路信号通路，第二路信号通路中的器件连接关系与第一路是相对应的，
第一路故障信号发射接口与第一路逻辑控制电路相连，将逻辑控制电路发出的故障状态信号由电信号转化为光信号，并经光纤头发送出去：第一路驱动信号接收接口与第一路逻辑控制电路相连，将接收到的驱动信号由光信号转化为电信号，然后输入到第一路逻辑控制电路中，第一路逻辑控制电路与第一路功率放大电路相连，第一路功率放大电路输出端连接IGBT，第一路DC/DC电源模块分别与第一路功率放大电路以及第一路+5V稳压电路相连，第一路功率放大电路提供必要的驱动功率，并为第一路+5V稳压电路提供电源，第一路+5V稳压电路为第一路故障信号发射接口和第一路驱动信号接收接口提供电源。
本发明的有益效果是：利用光纤和隔离电源作为隔离介质，提高了隔离电压等级；该驱动电路保护功能完善，可靠性高，成本低廉。
附图说明
下面结合附图及实例对本发明做进一步说明。
图1是本发明原理框图；
图2是双路互锁和光信号转化发射电路图；
图3是双路驱动模块中光信号转化接收电路图。
具体实施方式
如图1所示，一种双路高压大功率IGBT驱动电路由双路互锁和光信号转化发射电路1和双路驱动模块2组成，双路互锁和光信号转化发射电路1采用硬件互锁电路将接收到的双路驱动信号进行互锁处理，经互锁处理后的驱动信号输入至双路驱动模块2对IGBT进行开关操作，双路互锁和光信号转化发射电路1处理后的驱动信号为两路关断信号，或者其中一路信号为关断信号，另一路信号为开通信号，但不会出现两路同时为开通信号。双路互锁和光信号转化发射电路1和双路驱动模块2之间通过光纤进行连接。
双路互锁和光信号转化发射电路1包括驱动信号逻辑互锁电路U1、第一路光信号转化发射接口U2和第二路光信号转化发射接口U3，驱动信号逻辑互锁电路U1的输入端与控制器的信号输出端相连，对双路驱动信号进行逻辑互锁处理，驱动信号逻辑互锁电路U1的输出端与第一路光信号转化发射接口U2以及第二路光信号转化发射接口U3相连，第一路光信号转化发射接口U2以及第二路光信号转化发射接口U3分别将两路电信号转化为光信号经光纤传输出去。
双路驱动模块2包括第一路故障信号发射接口U4、第一路驱动信号接收接口U5、第二路驱动信号接收接口U6、第二路故障信号发射接口U7、第一路+5V稳压电路U8、第二路+5V稳压电路U9、第一路DC/DC电源模块U10、第二路DC/DC电源模块U11、第一路逻辑控制电路U12、第二路逻辑控制电路U13、第一路功率放大电路U14和第二路功率放大电路U15，上述器件构成第一路信号通路和第二路信号通路，第二路信号通路中的器件连接关系与第一路是相对应的，
由于两路在结构上是对称的，所以对第一路信号通路的连接关系进行具体说明。第一路故障信号发射接口U4与第一路逻辑控制电路U12相连，将逻辑控制电路发出的故障状态信号由电信号转化为光信号，并经光纤头发送出去：第一路驱动信号接收接口U5与第一路逻辑控制电路U12相连，将接收到的驱动信号由光信号转化为电信号，然后输入到第一路逻辑控制电路U12中，第一路逻辑控制电路U12与第一路功率放大电路U14相连，第一路功率放大电路U14输出端连接IGBT，第一路DC/DC电源模块U10分别与第一路功率放大电路U14以及第一路+5V稳压电路U8相连，为第一路功率放大电路U14提供必要的驱动功率，并为第一路+5V稳压电路U8提供电源，第一路+5V稳压电路U8为第一路故障信号发射接口U4和第一路驱动信号接收接口U5提供电源。
第二路信号通路中的器件连接关系与第一路是相对应的，第一路信号通路和第二路信号通路在功率放大电路之前是电气隔离的，只有在最后功率放大电路输出端处，第一路中与IGBT基极相连的输出端与第二路中与IGBT集电极输出端相连的输出端之间是相连的。两个驱动光耦ACPL332J分别作为两路驱动信号逻辑控制的核心器件，其光耦隔离功能被忽略，主要利用其对驱动电路自身的保护功能和对IGBT的保护功能。
逻辑控制电路发出的驱动信号经功率放大电路后驱动IGBT器件，同时逻辑控制电路具有驱动电压欠压监测和IGBT短路过流监测功能，对功率放大电路和IGBT运行情况进行监测。在检测到驱动电压欠压故障时，将封锁驱动信号，并且反馈故障信号，经故障信号输出光纤接口传输到控制器；在检测到IGBT过流故障时，首先对IGBT进行软关断操作，避免出现极大的冲击电压，同时反馈故障信号到故障信号光纤发射接口，将故障状态告知控制器。在发生过流故障时，逻辑控制电路发出软关断信号经功率放大电路后控制IGBT进行软关断，进而保护IGBT器件。双路驱动模块与IGBT电气相连，直接对IGBT进行开关操作。利用光纤传输控制信号实现控制电路与驱动模块间的电气隔离，利用DC/DC电源模块实现驱动电路与供电电源间的电气隔离，最终使得主回路和控制回路实现有效电气隔离。
本实施例中，第一路故障信号发射接口U4和第二路故障信号发射接口U7的核心器件均采用Agilent公司的HFBR1521型光纤头；第一路驱动信号接收接口U5和第二路驱动信号接收接口U6的核心器件均采用Agilent公司的HFBR2521型光纤头；第一路DC/DC电源模块U10和第二路DC/DC电源模块U11的核心器件均采用金升阳公司的QA04型IGBT驱动器专用DC/DC模块电源；第一路+5V稳压电路U8与第二路+5V稳压电路U9的核心器件均采用STMicroelectronics公司的LM7805稳压芯片。第一路逻辑控制电路U12和第二路逻辑控制电路U13的核心器件均采用Avago公司的ACPL332J型IGBT驱动光耦芯片。第一路功率放大电路U14和第二路功率放大电路U15采用ON Semiconductor公司的D44VH10型和D45VH10三极管推挽输出方式为核心电路。
如图2所示，驱动信号逻辑互锁电路U1的核心器件为异或门芯片U18和与门芯片U19；异或门芯片U18采用TEXAS INSTRUMENTS公司的SN74HC266D型异或门芯片；与门芯片U19采用TEXAS INSTRUMENTS公司的74ACT11008型与门芯片；第一路光信号转化发射接口U2为信号发射光纤头U20，第二路光信号转化发射接口U3为信号发射光纤头U21，发射光纤头U20以及U21均采用Agilent公司的HFBR1521型光纤头。
异或门芯片U18的管脚1和管脚2分别接收上一级控制器所输出的双路驱动信号，异或门芯片U18的管脚5与管脚1相连，异或门芯片U18的管脚8和管脚2相连，异或门芯片U18的管脚6和管脚9均接地。异或门芯片U18的管脚3同时和与门芯片U19的管脚1和管脚15相连，异或门芯片U18的管脚4和与门芯片U19的管脚16相连，异或门芯片U18的管脚10和与门芯片U19的管脚14相连。双路驱动信号经过异或门芯片U18和与门芯片U19处理后即实现了逻辑互锁。与门芯片U19的输出管脚2经200Ω限流电阻R1后与信号发射光纤头U20的管脚1相连，信号发射光纤头U20的管脚2接地，信号发射光纤头U20将第一路电信号转化为光信号经光纤发射出去；与门芯片U19的输出管脚3经200Ω限流电阻R2后与信号发射光纤头U21的管脚1相连，信号发射光纤头U21的管脚2接地，信号发射光纤头U21将第二路电信号转化为光信号经光纤发射出去。该电路利用硬件实现了两路开关信号的逻辑互锁，同时将电信号转化为光信号用于传输。
如图3所示，双路驱动模块中第一路光信号转化电路包括第一路驱动信号接收接口和第一路故障信号发射接口。由于两路信号通路的电路是完全对称的，仅以第一路进行详细说明。其中，第一路故障信号发射接口U4的核心器件为信号发射光纤头U22，采用HFBR1521型光纤头；第一路驱动信号接收接口U5的核心器件为信号接收光纤头U23，采用Agilent公司的HFBR2521型光纤头；第一路逻辑控制电路U12由或非门芯片U24和光耦驱动芯片U25组成；或非门芯片U24采用TEXAS INSTRUMENTS公司的SN54AC02型或非门芯片，其中光耦驱动芯片U25第一路逻辑控制电路U12的核心器件，光耦驱动芯片U25采用Avago公司的ACPL332J型IGBT驱动光耦芯片。
采用光信号接收光纤头U23将接收到的光信号转化为电信号，其管脚2接地，管脚3接+5V电源，光纤头U22的信号输出管脚1和管脚4相连后同时和或非门芯片U24的管脚5以及管脚6相连，利用或非门芯片U24对信号进行逻辑取反，然后或非门U24的输出管脚4经500Ω限流电阻R5后同时与光耦驱动芯片U25的管脚6和管脚7相连，将控制信号传送给光耦驱动芯片U25，光耦驱动芯片U25的管脚1、管脚4、管脚5、管脚8均接地。对于故障反馈信号而言，光耦驱动芯片U25的故障状态信号输出管脚3同时和或非门U24的管脚2和管脚3相连，队故障状态信号进行逻辑取反处理，并且U25的故障状态信号输出管脚3与信号地之间串接300pF的电容C1，同时与+5V电源间串接2.2kΩ电阻R4。或非门芯片U24的管脚1与信号发射光纤头U22的管脚2相连。信号发射光纤头U22的管脚1经200Ω限流电阻R3后与+5V电源相连。信号发射光纤头U22将故障信号转化为光信号通过光纤发射出去。
和现有的技术相比：双路互锁和光信号转化发射电路中采用硬件互锁电路对两路驱动信号进行处理，实现了两路信号的逻辑互锁，在用于两电平变流器半桥IGBT驱动时，时刻保证只能有一个IGBT可以开通，提高了系统的安全性和稳定性。采用光纤将控制电路与驱动电路相连，可以提供足够的爬升距离，进而达到很高的电压隔离等级。光信号在光纤中传输，传输速度快，不受外界电磁干扰以及环境温度变化的影响，可以实现长距离传输，增加了整个系统的灵活性和稳定性。驱动信号逻辑控制电路具有驱动电压欠压检测和IGBT短路过流监测功能，驱动电压欠压检测功能避免了IGBT因驱动电压不足而工作在非饱和区，提高了系统的稳定性。IGBT短路过流监测功能避免了由于操作失误或某些硬件失灵所导致的过电流，提高了系统的安全性和稳定性。驱动电路采用IGBT专用驱动光耦芯片ACPL332J作为核心，利用光纤隔离避开了其隔离电压低的缺点，同时因为其较廉价，大幅降低了驱动电路的成本，最终使得整个驱动电路兼备性能优良和成本低廉的特点。
Claims (1)
1.一种双路高压大功率IGBT驱动电路，其特征在于：包括双路互锁和光信号转化发射电路（1）和双路驱动模块（2），双路互锁和光信号转化发射电路（1）采用硬件互锁电路将接收到的双路驱动信号进行互锁处理，经互锁处理后的驱动信号输入至双路驱动模块（2）对IGBT进行开关操作，双路互锁和光信号转化发射电路（1）处理后的驱动信号为两路关断信号，或者其中一路信号为关断信号，另一路信号为开通信号；
所述的双路互锁和光信号转化发射电路（1）包括驱动信号逻辑互锁电路（U1），第一路光信号转化发射接口（U2）和第二路光信号转化发射接口（U3），驱动信号逻辑互锁电路（U1）的输入端与控制器的信号输出端相连，对双路驱动信号进行逻辑互锁处理，驱动信号逻辑互锁电路（U1）的输出端与第一路光信号转化发射接口（U2）以及第二路光信号转化发射接口（U3）相连，第一路光信号转化发射接口（U2）以及第二路光信号转化发射接口（U3）分别将两路电信号转化为光信号经光纤传输出去；驱动信号逻辑互锁电路（U1）的核心器件为异或门芯片U18和与门芯片U19；第一路光信号转化发射接口（U2）为信号发射光纤头U20，第二路光信号转化发射接口（U3）为信号发射光纤头U21；异或门芯片U18的管脚1和管脚2分别接收上一级控制器所输出的双路驱动信号，异或门芯片U18的管脚5与管脚1相连，异或门芯片U18的管脚8和管脚2相连，异或门芯片U18的管脚6和管脚9均接地，异或门芯片U18的管脚3同时和与门芯片U19的管脚1和管脚15相连，异或门芯片U18的管脚4和与门芯片U19的管脚16相连，异或门芯片U18的管脚10和与门芯片U19的管脚14相连，双路驱动信号经过异或门芯片U18和与门芯片U19处理后即实现了逻辑互锁；与门芯片U19的输出管脚2经200Ω限流电阻R1后与信号发射光纤头U20的管脚1相连，信号发射光纤头U20的管脚2接地，信号发射光纤头U20将第一路电信号转化为光信号经光纤发射出去；与门芯片U19的输出管脚3经200Ω限流电阻R2后与信号发射光纤头U21的管脚1相连，信号发射光纤头U21的管脚2接地，信号发射光纤头U21将第二路电信号转化为光信号经光纤发射出去；
所述的双路驱动模块（2）包括第一路故障信号发射接口（U4）、第一路驱动信号接收接口（U5）、第二路驱动信号接收接口（U6）、第二路故障信号发射接口（U7）、第一路+5V稳压电路（U8）、第二路+5V稳压电路（U9）、第一路DC/DC电源模块（U10）、第二路DC/DC电源模块（U11）、第一路逻辑控制电路（U12）、第二路逻辑控制电路（U13）、第一路功率放大电路（U14）和第二路功率放大电路（U15），上述器件构成第一路信号通路和第二路信号通路，第二路信号通路中的器件连接关系与第一路是相对应的，
第一路故障信号发射接口（U4）与第一路逻辑控制电路(U12)相连，将逻辑控制电路发出的故障状态信号由电信号转化为光信号，并经光纤头发送出去：第一路驱动信号接收接口（U5）与第一路逻辑控制电路（U12）相连，将接收到的驱动信号由光信号转化为电信号，然后输入到第一路逻辑控制电路（U12）中，第一路逻辑控制电路（U12）与第一路功率放大电路（U14）相连，第一路功率放大电路（U14）输出端连接IGBT，第一路DC/DC电源模块（U10）分别与第一路功率放大电路（U14）以及第一路+5V稳压电路（U8）相连，第一路功率放大电路（U14）提供必要的驱动功率，并为第一路+5V稳压电路（U8）提供电源，第一路+5V稳压电路（U8）为第一路故障信号发射接口（U4）和第一路驱动信号接收接口（U5）提供电源。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Geng Yiwen Inventor after: Li Hongliang Inventor after: Yan Qingzeng Inventor after: Wu Xiaojie Inventor after: Xu Lihua Inventor after: Li Xiaoqiang Inventor after: Bai Haofeng Inventor after: Zhu Fangtian Inventor after: Guo Lifeng Inventor after: Zhu Yuqiong Inventor after: Wang Chunhua Inventor before: Wu Xiaojie Inventor before: Li Hongliang Inventor before: Yan Qingzeng Inventor before: Xu Lihua Inventor before: Geng Yiwen Inventor before: Li Xiaoqiang Inventor before: Bai Haofeng Inventor before: Zhu Fangtian Inventor before: Guo Lifeng Inventor before: Zhu Yuqiong Inventor before: Wang Chunhua |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: WU XIAOJIE XU LIHUA GENG YIWEN LI XIAOQIANG BAI HAOFENG ZHU FANGTIAN GUO LIFENG ZHU YUQIONG WANG CHUNHUA LI HONGLIANG YAN QINGZENG TO: GENG YIWEN WU XIAOJIE XU LIHUA LI XIAOQIANG BAI HAOFENG ZHU FANGTIAN GUO LIFENG ZHU YUQIONG WANG CHUNHUA LI HONGLIANG YAN QINGZENG |
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