專利名稱：適用于大功率逆變器的igbt模塊驅(qū)動電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種適用于大功率逆變器的IGBT模塊驅(qū)動電路，主要用于電氣控制。
背景技術(shù)：
逆變器廣泛應(yīng)用于風(fēng)能、太陽能、變頻器等行業(yè)。近年來，隨著新能源的迅速發(fā)展， 逆變器向大容量、高電壓方向發(fā)展，逆變器開關(guān)器件通常是IGBT (絕緣柵型雙極晶體管)， 其驅(qū)動電路有變壓器隔離和光耦隔離兩種隔離形式，IGBT模塊容量越大，則要求驅(qū)動電路的容量就越大，IGBT模塊電壓等級越高，需要驅(qū)動電路的隔離電壓越高，因此IGBT模塊的驅(qū)動電路設(shè)計是逆變器的關(guān)鍵。目前變壓器隔離的驅(qū)動器有瑞士 CONCEPT公司2SC0435T (1700V電壓等級，每路功率4W，峰值輸出電流35A)，德國INFINEON公司的2ED300C17-ST (1700V電壓等級，每路功率4W，峰值輸出電流30A)，它們的特點功率相對較大、保護功能齊全，目前廣泛應(yīng)用于風(fēng)能和光伏逆變器中。但這類驅(qū)動器的器件數(shù)量多、價格昂貴，體積較大，不適合安裝在IGBT表面(連接電纜距離較長)，可靠性降低。驅(qū)動電路采用光耦隔離的器件是寬體光耦，例如HCNW^ll或HCNW3120，但是應(yīng)用于690V系統(tǒng)的這類寬體光耦只有驅(qū)動光耦，沒有反饋光耦，這就需要增加一個反饋光耦， 成本增加，體積增大。同時，寬體光耦的驅(qū)動電流有限，峰值最大只有2A，無法滿足大容量 IGBT模塊的需要。

實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的上述不足，而提供一種適用于大功率逆變器的IGBT模塊驅(qū)動電路。本實用新型解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是該適用于大功率逆變器的 IGBT模塊驅(qū)動電路，包括全橋DC/DC驅(qū)動電源電路、一個光耦隔離電路、推挽功率放大電路、IGBT過流檢測電路、欠壓和故障保護電路，全橋DC/DC驅(qū)動電源電路包括變壓器，光耦隔離電路與推挽功率放大電路、欠壓和故障保護電路連接，推挽功率放大電路與IGBT驅(qū)動電路、IGBT過流檢測電路連接，IGBT過流檢測電路與IGBT驅(qū)動電路連接，欠壓和故障保護電路，其特征在于還設(shè)置有變壓器反饋過流信號電路，變壓器反饋過流信號電路包括變壓器輸出反饋電路和變壓器輸入識別電路，變壓器輸出反饋電路與變壓器的輸出、IGBT過流檢測電路連接，變壓器輸入識別電路與變壓器的輸入、欠壓和故障保護電路連接。本實用新型所述變壓器輸出反饋電路包括電阻五、三極管五、二極管四、電阻十二，二極管四正極接變壓器輸出正極，二極管四負極接三極管五集電極，三極管五發(fā)射極接變壓器輸出負極，變壓器輸出負極接驅(qū)動地，三極管五基極接電阻五一端，電阻五另一端接電阻十二一端和IGBT過流檢測電路，電阻十二另一端接驅(qū)動地。本實用新型所述變壓器輸入識別電路包括二極管一、電容一、電阻一、齊納二極管一，二極管一正極接變壓器輸入一端，二極管一負極接電容一的一端、電阻一的一端、齊納二極管一負極，齊納二極管一正極接欠壓和故障保護電路，電容一另一端、電阻一另一端和電阻二另一端連接在一起并接數(shù)字地。本實用新型所述IGBT過流檢測電路包括高壓二極管、電阻十、電阻九、電容四、齊納二極管二、二極管五、電阻六、三極管七，高壓二極管負極接IGBT驅(qū)動電路，高壓二極管正極接電阻九的一端，電阻九另一端分別接齊納二極管二負極、電容四的一端、電阻十的一端，電阻十另一端接驅(qū)動電源輸出正極，齊納二極管二正極接變壓器輸出反饋電路、三極管七發(fā)射極，三極管七集電極、電容四另一端接驅(qū)動地，三極管七基極接電阻六的一端，電阻六的另一端接二極管五正極，二極管五負極接推挽功率放大電路的輸入。本實用新型所述欠壓和故障保護電路包括電阻二、電阻三、三極管六、二極管七、 電阻十一、三極管十，電阻三的一端、電阻十一的一端分別接輸入電源，電阻三另一端分別接三極管十基極、三極管六集電極，三極管六發(fā)射極、三極管十發(fā)射極均接數(shù)字地，三極管六基極與電阻二的另一端、變壓器輸入識別電路連接，電阻十一另一端分別接三極管十集電極、二極管七負極，二極管七正極接光耦隔離電路。本實用新型的有益效果是結(jié)構(gòu)簡潔，成本低，體積小，容量大，可靠性高。
圖1是本實用新型實施例電路原理圖；圖2是本實用新型實施例典型波形示意圖。
具體實施方式
結(jié)合附圖及實施例對本實用新型進行進一步詳盡的描述。本實施例包括全橋DC/DC驅(qū)動電源電路、一個光耦隔離電路、推挽功率放大電路、 IGBT過流檢測電路、變壓器反饋過流信號電路、欠壓和故障保護電路。變壓器反饋過流信號電路通過變壓器Tl傳遞IGBT過流故障信號，當出現(xiàn)過流故障時，通過導(dǎo)通三極管五Q5，將變壓器Tl輸出短路，將信號傳遞到變壓器Tl輸入，變壓器Tl整流后電壓低于故障設(shè)定值 (齊納二極管一 Zl電壓值)，便識別故障。如圖1所示，所述全橋DC/DC驅(qū)動電源電路包括驅(qū)動電源輸入的全橋電路(包括三極管一 Q1，三極管二 Q2，三極管三Q3，三極管四Q4)和變壓器Tl，三極管一 Q1、三極管三Q3接受控制信號Q，三極管二 Q2、三極管四Q4接受控制信號β的互補信號δ,使變壓器T1工作在全橋模式，在這種模式下
變壓器Tl的效率高，可以滿足大容量IGBT模塊的驅(qū)動功率需求，輸入電源VDD電壓通常是 15V;驅(qū)動電源輸出整流電路(包括二極管二 D2，二極管三D3，電容二 C2，電容三C3)把輸出整流為正驅(qū)動電源(+15V)和負驅(qū)動電源(-15V)兩路電壓，為光耦隔離電路、推挽功率放大電路、IGBT過流檢測電路、變壓器反饋過流信號電路、IGBT驅(qū)動電路提供電源，IGBT驅(qū)動電路包括電阻七、電阻八和IGBT模塊VI，全橋DC/DC驅(qū)動電源電路為現(xiàn)有技術(shù)。所述光耦隔離電路包括限流電阻R4和寬體光耦U1，將PWM控制信號從限流電阻 R4輸入傳遞到輸出，寬體光耦Ul可以滿足1000V母線電壓的隔離需求，光耦隔離電路為現(xiàn)有技術(shù)。所述推挽功率放大電路包括NPN三極管Q8和PNP三極管Q9，由于光耦的輸出電流不能滿足IGBT模塊Vl的驅(qū)動電流需求，需要增加一級推挽放大電路，例如使用FZT851 和FZT951，驅(qū)動電流峰值Iqi達到15A，如果多個三極管并聯(lián)驅(qū)動功率則相應(yīng)增加，則可以滿足更大功率IGBT模塊Vl的需求，推挽功率放大電路為現(xiàn)有技術(shù)。所述IGBT過流檢測電路包括高壓二極管D6、電阻十R10，過流濾波電路(由電阻九R9和電容四C4組成)，齊納二極管二 Z2，開通識別電路(包括二極管五D5、電阻六R6、三極管七Q7)。高壓二極管D6負極接IGBT模塊Vl集電極，高壓二極管D6正極接電阻九R9 一端，電阻九R9另一端分別接齊納二極管二 Z2負極、電容四C4 一端、電阻十RlO —端，電阻十RlO另一端接驅(qū)動電源輸出正極，齊納二極管二 Z2正極接電阻十二 R12 —端，電容四 C4另一端接驅(qū)動地AGND。其工作方式是在IGBT正常開通過程中，IGBT導(dǎo)通壓降Vcesat 比較低，小于齊納二極管二 Z2門檻電壓10V，因此后級電路為0V;在IGBT異常開通過程中， IGBT導(dǎo)通壓降Vcesat如果超過設(shè)定值(這里齊納二極管二 Z2為10V，設(shè)定值近似IOV-Vf， 約為9. 3V)，則檢測出IGBT處于過流或退飽和狀態(tài)，后級電路大于0. 7V，則將故障通過反饋電路輸出給控制器；在IGBT關(guān)斷過程中，開通識別電路檢測出PWM驅(qū)動信號為低，則通過開通三極管七Q7來關(guān)閉檢測電路，在IGBT開通過程中，開通識別電路檢測出PWM驅(qū)動信號為高，則通過關(guān)閉三極管七Q7來開啟檢測電路。所述變壓器反饋過流信號電路包括變壓器輸出反饋電路和變壓器輸入識別電路， 變壓器輸出反饋電路包括電阻五R5、三極管五Q5、二極管四D4、電阻十二 R12，二極管四D4 正極接變壓器Tl輸出端0UT2，二極管四D4負極接三極管五Q5集電極，三極管五Q5發(fā)射極接變壓器Tl輸出端0UT1，變壓器Tl輸出端OUTl接驅(qū)動地AGND，三極管五Q5基極接電阻五R5 —端，電阻五R5另一端接電阻十二 R12 —端和三極管七Q7發(fā)射極，電阻十二 R12 另一端、三極管七Q7集電極接驅(qū)動地AGND。當IGBT導(dǎo)通壓降Vcesat處于過流時，三極管五Q5導(dǎo)通，將變壓器TI進行短路，導(dǎo)致變壓器Tl輸出電流瞬時增大，將過流信號反饋給變壓器Tl輸入。變壓器輸入識別電路包括二極管一 Dl、電容一 Cl、電阻一 Rl、齊納二極管一 Z1，二極管一 Dl正極接變壓器Tl輸入一端IN1，二極管一 Dl負極接電容一 Cl 一端、電阻一 Rl 一端、齊納二極管一 Zl負極，齊納二極管一 Zl正極接電阻二 R2 —端，電容一 Cl另一端、電阻一 Rl另一端和電阻二 R2另一端連接在一起并接數(shù)字地GND。當變壓器Tl由于輸出短路，導(dǎo)致輸入電流增大，因此三極管一 Ql的飽和壓降Vce增大，因此變壓器Tl輸入端電壓相應(yīng)降低，這時變壓器輸入識別電路便能檢測出故障，如果電壓小于12V (齊納二極管一 Zl設(shè)定值)，則識別出故障，此電路的特點還包括如果電源電壓VDD小于設(shè)定值(12V)，也同樣識別出故障，有效保護IGBT模塊VI。所述欠壓和故障保護電路包括電阻二 R2、電阻三R3、三極管六Q6、二極管七D7、電阻i^一 Rl 1、三極管十Q10，電阻三R3 —端、電阻i^一 Rll 一端接輸入電源VDD，電阻三R3另一端分別接三極管十QlO基極、三極管六Q6集電極，三極管六Q6發(fā)射極、三極管十QlO發(fā)射極均接數(shù)字地GND，三極管六Q6基極與齊納二極管一 Zl正極連接，電阻十一 Rll另一端分別接三極管十QlO集電極、二極管七D7負極，二極管七D7正極接光耦隔離電路。當識別出欠壓或過流故障時，則關(guān)斷三極管六Q6，開通三極管十Q10，使PWM驅(qū)動信號被拉低，通過光耦隔離電路，關(guān)斷IGBT模塊Vl，此電路特點是自復(fù)位輸出過流故障及其檢測電路。本實用新型使用變壓器Tl傳遞過流故障信號，節(jié)省了一個寬體反饋光耦，其隔離電壓滿足1000V母線電壓要求。電路結(jié)構(gòu)簡單，器件數(shù)量少、體積小，因此適合安裝在IGBT表面，避免了引線長度引起的EMC等干擾問題，使驅(qū)動電路可靠性進一步提高。DC/DC電源電路采用全橋電路結(jié)構(gòu)且輸出采用三極管功率放大電路，使驅(qū)動模塊電流能力大滿足大功率IGBT模塊需求。本實施例的典型波形示意圖如圖2所示大功率逆變器開關(guān)頻率一般在2kHf IOkHz之間，本實例假設(shè)驅(qū)動器的頻率為 IOkHz，全橋DC/DC驅(qū)動電源電路開關(guān)頻率設(shè)定為180kHz，驅(qū)動器輸入電壓VDD假設(shè)為15V， 輸出整流后為+15V和-15V兩路電壓。圖2中的1所示波形為光耦隔離電路輸入端(PWM) 波形圖，2所示波形為三極管十QlO集電極(FAULT)波形圖，3所示波形為IGBT模塊Vl輸入 (圖1中G端，即IGBT模塊驅(qū)動DRV)波形圖，4所示波形為齊納二極管二 Z2負極波形圖， 5所示波形為齊納二極管二 Z2正極波形圖，6所示波形為變壓器Tl輸入一端mi波形圖，7 所示波形為齊納二極管一 Zl負極波形圖。在tft2時刻，為正常狀態(tài)，PWM狀態(tài)為0N，沒有IGBT導(dǎo)通壓降Vcesat過流故障波形中光耦隔離電路輸入端電壓為15V，通過寬體光耦Ul將驅(qū)動信號傳遞給輸出；波形中三極管十QlO集電極電壓為15V，沒有IGBT導(dǎo)通壓降Vcesat過流故障；波形中IGBT模塊Vl輸入電壓為15V，IGBT模塊Vl處于正常導(dǎo)通狀態(tài)；波形中齊納二極管二 Z2負極電壓為2V，IGBT模塊Vl正常開通，IGBT導(dǎo)通壓降 Vcesat電壓正常開通為2V左右，因此齊納二極管二 Z2負極電壓鉗位在2V左右；波形中齊納二極管二 Z2正極電壓為0V，由于齊納二極管二 Z2負極電壓為2V，低于齊納二極管電壓10V，因此齊納二極管二 Z2正極被電阻十二 R12拉低到0V，三極管七Q7 關(guān)斷，開啟IGBT過流檢測電路；波形中變壓器Tl輸入一端mi最大峰值電壓為電源電壓15V左右；波形中齊納二極管一 Zl負極經(jīng)過二極管一 D1、電容一 Cl、電阻一 Rl的整流濾波后，其電壓值大于齊納二極管Zl的門檻電壓12V，無故障。在t2 t3時亥lj，為正常狀態(tài)，P麗狀態(tài)為OFF 波形中光耦隔離電路輸入端電壓為0V，通過寬體光耦Ul將驅(qū)動信號傳遞給輸出；波形中三極管十QlO集電極電壓為15V，沒有IGBT導(dǎo)通壓降Vcesat過流故障；波形中IGBT模塊Vl輸入電壓為_15V，IGBT模塊Vl處于關(guān)斷狀態(tài)；波形中齊納二極管二 Z2負極電壓為10V，IGBT導(dǎo)通壓降Vcesat電壓等于IGBT模塊VlC-E (集電極-發(fā)射極)間電壓，高壓二極管D6關(guān)斷，三極管七Q7開通，齊納二極管二 Z2負極電壓被齊納二極管Z2鉗位在IOV ；波形中齊納二極管二 Z2正極電壓為0V，三極管七Q7開通，齊納二極管二 Z2正極被拉低到0V，關(guān)閉IGBT過流檢測電路；波形中變壓器Tl輸入一端mi最大峰值電壓為電源電壓15V左右；波形中齊納二極管一 Zl負極經(jīng)過整流濾波后，其電壓大于齊納二極管Zl的門檻電壓12V，無故障。t3時刻為PWM由OFF變成ON時亥lj，輸出檢測出故障，在t4時刻自復(fù)位輸出的過流故障，在t3、4時刻，為檢測過流故障的延遲時間，一般在IOus以內(nèi)，而PWM狀態(tài)為ON:波形中光耦隔離電路輸入端電壓為15V，PWM狀態(tài)為0N，通過寬體光耦Ul將驅(qū)動信號傳遞給輸出；波形中三極管十QlO集電極電壓在t3 t4為15V，在t4時刻檢測出IGBT導(dǎo)通壓降 Vcesat過流故障，因此三極管十QlO導(dǎo)通，三極管十QlO集電極被拉低到OV ；波形中IGBT模塊Vl輸入電壓為15V，IGBT導(dǎo)通壓降Vcesat處于過流狀態(tài)，一般 IGBT導(dǎo)通壓降Vcesat過流故障需要延遲幾個uS時間，如果延遲過短，容易被干擾，IGBT模塊Vl允許短路故障時間小于IOuS ；波形中齊納二極管二 Z2負極電壓在t3、4時刻輸出檢測出Vcesat過流故障，為 12V, PWM狀態(tài)為0N，三極管七Q7關(guān)斷，開啟IGBT過流檢測電路，在t4時刻以后由于三極管十QlO集電極電壓為0V，自復(fù)位輸出故障檢測電路，因此齊納二極管二 Z2負極電壓為IOV ；波形中齊納二極管二 Z2正極在t3、4時刻電壓為2V，由于齊納二極管二 Z2負極電壓為12V，高于齊納二極管電壓10V，在t4時刻為OV ；波形中變壓器Tl輸入一端Im最大峰值電壓為被拉低至11V，由于變壓器Tl輸出短路，輸入三極管一 Q1，三極管四Q4導(dǎo)通壓降增加，使變壓器Tl兩端電壓相應(yīng)降低；波形中齊納二極管一 Zl負極經(jīng)過整流濾波后，經(jīng)過t3、4這段時間的濾波后，在 t4時刻檢測出IGBT導(dǎo)通壓降Vcesat過流故障。在t4、5時刻，為鎖存故障的時間，一般要求控制器在這段時間內(nèi)識別出故障，在 t5時刻封閉PWM脈沖，變壓器Tl輸入故障自清除波形中光耦隔離電路輸入端電壓為15V，PWM狀態(tài)由ON變成OFF，控制器在t5之前識別故障；波形中三極管十QlO集電極電壓為0V，在t4時刻檢測出IGBT導(dǎo)通壓降Vcesat故障，因此三極管十QlO導(dǎo)通，三極管十QlO集電極被拉低到0V，檢測出Vcesat過流故障，在 t5時刻輸入故障自清除，三極管十QlO集電極電壓上升到15V ；波形中IGBT模塊Vl輸入電壓為-15V，三極管十QlO集電極電壓為0V，通過二極管七D7拉低PWM驅(qū)動信號，通過光耦隔離，關(guān)閉IGBT模塊Vl ；波形中齊納二極管二 Z2負極電壓為10V，二極管七Q7開通，關(guān)閉IGBT過流檢測電路；波形中齊納二極管二 Z2正極電壓為0V，二極管七Q7開通，關(guān)閉IGBT過流檢測電路，齊納二極管二 Z2正極被拉低到OV ；波形中變壓器Tl輸入一端mi最大峰值電壓為15V左右；波形中齊納二極管一 Zl負極經(jīng)過整流濾波后，在t4、5時刻上升到12V以上，t5 時刻自復(fù)位輸入故障。在t5 時刻以后，波形中廣7電壓波形同t2、3的電壓波形。通過圖2實施實例的典型波形示意圖說明了本驅(qū)動電路特點是通過變壓器Tl傳遞IGBT過流信號，這種電路節(jié)省一個反饋光耦，電路結(jié)構(gòu)簡單，器件數(shù)量少、體積小。凡是本實用新型的簡單變形或等效變換，應(yīng)認為落入本實用新型的保護范圍。
權(quán)利要求1.一種適用于大功率逆變器的IGBT模塊驅(qū)動電路，包括全橋DC/DC驅(qū)動電源電路、一個光耦隔離電路、推挽功率放大電路、IGBT過流檢測電路、欠壓和故障保護電路，全橋DC/ DC驅(qū)動電源電路包括變壓器，光耦隔離電路與推挽功率放大電路、欠壓和故障保護電路連接，推挽功率放大電路與IGBT驅(qū)動電路、IGBT過流檢測電路連接，IGBT過流檢測電路與 IGBT驅(qū)動電路連接，其特征在于還設(shè)置有變壓器反饋過流信號電路，變壓器反饋過流信號電路包括變壓器輸出反饋電路和變壓器輸入識別電路，變壓器輸出反饋電路與變壓器的輸出、IGBT過流檢測電路連接，變壓器輸入識別電路與變壓器的輸入、欠壓和故障保護電路連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的IGBT模塊驅(qū)動電路，其特征在于所述變壓器輸出反饋電路包括電阻五、三極管五、二極管四、電阻十二，二極管四正極接變壓器輸出正極，二極管四負極接三極管五集電極，三極管五發(fā)射極接變壓器輸出負極，變壓器輸出負極接驅(qū)動地，三極管五基極接電阻五一端，電阻五另一端接電阻十二一端和IGBT過流檢測電路，電阻十二另一端接驅(qū)動地。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的IGBT模塊驅(qū)動電路，其特征在于所述變壓器輸入識別電路包括二極管一、電容一、電阻一、齊納二極管一，二極管一正極接變壓器輸入一端，二極管一負極接電容一的一端、電阻一的一端、齊納二極管一負極，齊納二極管一正極接欠壓和故障保護電路，電容一另一端、電阻一另一端和電阻二另一端連接在一起并接數(shù)字地。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的IGBT模塊驅(qū)動電路，其特征在于所述IGBT過流檢測電路包括高壓二極管、電阻十、電阻九、電容四、齊納二極管二、二極管五、電阻六、三極管七， 高壓二極管負極接IGBT驅(qū)動電路，高壓二極管正極接電阻九的一端，電阻九另一端分別接齊納二極管二負極、電容四的一端、電阻十的一端，電阻十另一端接驅(qū)動電源輸出正極，齊納二極管二正極接變壓器輸出反饋電路、三極管七發(fā)射極，三極管七集電極、電容四另一端接驅(qū)動地，三極管七基極接電阻六的一端，電阻六的另一端接二極管五正極，二極管五負極接推挽功率放大電路的輸入。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的IGBT模塊驅(qū)動電路，其特征在于所述欠壓和故障保護電路包括電阻二、電阻三、三極管六、二極管七、電阻十一、三極管十，電阻三的一端、電阻十一的一端分別接輸入電源，電阻三另一端分別接三極管十基極、三極管六集電極，三極管六發(fā)射極、三極管十發(fā)射極均接數(shù)字地，三極管六基極與電阻二的另一端、變壓器輸入識別電路連接，電阻十一另一端分別接三極管十集電極、二極管七負極，二極管七正極接光耦隔離電路。
專利摘要本實用新型涉及一種適用于大功率逆變器的IGBT模塊驅(qū)動電路，包括全橋DC/DC驅(qū)動電源電路、一個光耦隔離電路、推挽功率放大電路、IGBT過流檢測電路、欠壓和故障保護電路，其特征在于還設(shè)置有變壓器反饋過流信號電路，變壓器反饋過流信號電路包括變壓器輸出反饋電路和變壓器輸入識別電路，變壓器輸出反饋電路與變壓器的輸出、IGBT過流檢測電路連接，變壓器輸入識別電路與變壓器的輸入、欠壓和故障保護電路連接。本實用新型的有益效果是結(jié)構(gòu)簡潔，成本低，體積小，容量大，可靠性高。
文檔編號H02H7/20GK202309044SQ20112044801
公開日2012年7月4日 申請日期2011年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月14日
發(fā)明者呂懷明, 洪敏 申請人:浙江海得新能源有限公司