專利名稱：一種內置隔離電源的igbt驅動電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及混合集成型IGBT驅動電路，特別涉及一種內置隔離電源的 IGBT驅動電路。
背景技術：
絕緣柵雙極晶體管(IGBT)具有較高的電流容量及電壓耐量，其開關頻 率高，導通飽和壓降低，輸入阻抗高，驅動簡單，在中、大功率變換系統中得 到廣泛應用。驅動電路作為控制電路與功率電路之間的橋梁，在充分利IGBT 的性能及提高功率系統可靠性、穩定性方面起著至關重要的作用。IGBT驅動 電路的功能是，將來自于控制器的控制信號經隔離轉換為具有足夠功率的驅動 信號，以保證IGBT的可靠開通與關斷。同時，IGBT驅動電路也為控制器和 功率管之間提供安全的電氣隔離。此外，為了使IGBT在出現過流或短路時得 到有效的保護，保護功能也被集成到驅動電路之中。IGBT驅動器的具體性能 要求主要體現在以下幾方面由于IGBT柵極輸入具有電容特性，為了能使 IGBT具有較快的開關速度，驅動器必須能夠提供較大瞬時驅動電流，以減小 開關損耗；要求為IGBT提供完善的過流和短路保護功能；由于驅動器位于控 制電路與功率電路之間，還要求驅動器提供足夠的安全距離、較高的絕緣電壓 耐量和較高的共才莫信號抑制比。
目前，市場上已有較多的IGBT驅動器產品，主要有以下兩部分
其一是在供電方面很多IGBT驅動器不帶隔離電源，在應用時還需要增 加隔離的電源為其供電。使用時占用PCB面積較大；少數IGBT驅動器自帶 隔離電源，其所帶的隔離電源電路繁雜，實用性較小，功能利用率也較小，同 時功率較大，用于中小功率IGBT驅動電路上有很大的多余。
其二是在驅動方面大多數驅動電路是采用光耦隔離傳遞驅動信號的。光耦隔離電壓耐量有限，存在較大的傳輸延遲時間；采用脈沖變壓器直接驅動電 路，傳遞速度得到了很大提升，但對驅動信號的頻率與占空比有限制。
發明內容
有鑒于此，本發明的目的在于提供一種功能完善、性能可靠、成本低廉的
內置隔離電源的IGBT驅動電^各。
為解決以上技術問題，本發明提供的內置隔離電源的IGBT驅動電^各，包 括電源電路和驅動電路，所述電源電路依次包括
一振蕩電路，電源輸入時產生推挽驅動信號；
一變換電路，包括至少一對開關管，根據所述推挽驅動信號交替導通/關 閉，實現能量的轉換；
一功率變壓器，將能量從其初級繞組傳遞到次級繞組；
一整流濾波電路，對所述功率變壓器次級繞組分兩路獨立整流濾波，并引 出公共端實現正、負電源輸出，用于為所述驅動電路供電。
優選地，所述振蕩電路包括一振蕩IC，用于產生一組反相的PWM信號； 所述變換電路包括兩個金屬氧化物半導體場效應管的開關管，其中兩者的源 極共同接于所述振蕩IC的過流監測端口 ；兩者的柵極分別接于所述振蕩IC的一
個端頭；所述功率變壓器初級繞組的中間抽頭接于電源輸入正端。
優選地，所述振蕩電^各包括一振蕩IC,用于產生一組反相的PWM^言號； 所述變換電路包括四個金屬氧化物半導體場效應管的開關管，其中第一開 關管、第二開關管的漏極共同接于電源輸入正端；第三開關管、第四開關管的 源極共同接于所述振蕩IC的過流監測端口 (5);第一開關管、第四開關管的 柵極共同接于所述振蕩IC的一個輸出端口 (6);第二開關管、第三開關管的 柵極共同接于所述振蕩IC的另一個輸出端口 (4);第一開關管的源才及、第三 開關管的漏極共同接于所述功率變壓器初級繞組的一個端頭；第二開關管的源極、第四開關管的漏極共同接于所述功率變壓器初級繞組的另一個端頭。 優選地，所述振蕩電路包括利用所述功率變壓器^f茲芯飽和特性形成的自激
振蕩電路；所述變換電路包括兩個晶體管的開關管，其中兩者的射極共同接 于電源輸入地；兩者的基極分別接于所述功率變壓器初級輔助繞組的一個端 頭，該功率變壓器初級輔助繞組的中間抽頭接于電源輸入地；兩者的集電才及分 別接于所述功率變壓器初級主繞組的一個端頭，該功率變壓器初級主繞組的中 間抽頭接于電源輸入正端。
優選地，所述振蕩電路包括由所述信號變壓器的飽和功能產生自激振蕩信 號；其初級繞組與功率變壓器繞組通過電阻(Rl)相接；所述變換電i 各包括 兩個晶體管的開關管，其中兩者的基極分別接于所述信號變壓器次級繞組的 一個端頭；兩者的射極與所述信號變壓器次級繞組的中間抽頭共同接于限流電 阻(R2)和軟啟動電容(C2)之間；兩者的集電極分別接于所述功率變壓器
優選地，所述驅動電路依次包括
一脈沖調制電路，將控制信號調制成所需的窄脈沖；
一脈沖變壓器，將窄脈沖從其初級繞組傳遞到次級繞組；
一脈沖解調電路，將所述脈沖變壓器傳遞過來的窄脈沖還原成與控制信號
相同的脈沖信號；
一功率放大電路，將解調后的脈沖信號放大，輸出IGBT所需的功率驅動 信號。
優選地，所述驅動電路中設置有脈沖電平變換電路，串接在所述脈沖解調 電路與所述功率放大電路之間，將解調后的脈沖信號電平變換為輸出所需電 平。
優選地，所述驅動電路中設置有保護電路，接入所述脈沖電平變才奐電路， 用以對IGBT進行短^各及過流保護。優選地，所述驅動電路中設置有故障監測端口，連接所述保護電^各，用以 監測故障狀態。
與現有技術相比，本發明內置隔離電源的IGBT驅動電路，其有益4支術效 果在于將高效率的DC/DC隔離變換器與IGBT驅動電路集成，可以省去用 戶外接隔離電源，方便驅動器的應用；整個電路可方便地采用混合集成厚膜電 路的形式實現，SIP封裝形式，節約PCB面積，封裝體積小，有利于IGBT 驅動器的廣泛應用。其中，可選用不同IGBT驅動所使用的DC/DC拓樸供電 方式，其適用性極好。特別地，將控制信號轉換為窄脈沖再經脈沖變壓器傳遞， 傳輸延遲時間短，不受驅動信號頻率與占空比的限制，可在高頻與低頻范圍有 效工作，同時可使IGBT驅動器產生的雜散電感更小，工作更穩定，產生驅動 信號更加平滑，是具有性能完善、可靠性高、電路簡單、元器件少、封裝體積 小、成本低廉等優勢的設計方案。
圖l是本發明內置隔離電源的IGBT驅動電路功能框圖； 圖2是本發明第一實施例的電路原理圖； 圖3是本發明第二實施例的電路原理圖； 圖4是本發明第三實施例的電路原理圖； 圖5是本發明第四實施例的電路原理圖。
具體實施例方式
本發明的基本構思是，內部集成隔離DC/DC電源，提供正負兩路輸出電 壓，為IGBT驅動電路提供能量。
為便于深入理解本發明，下面結合附圖與實施例具體說明。
參見圖1,本發明內置隔離電源的IGBT驅動電5^,包括電源電3各100與 驅動電路200兩部分，其中，
電源電路100依次包括說明書第5/8頁
振蕩電路101,在電源輸入時產生推挽驅動信號；
推挽式變換電路102,包括至少一對開關管，根據所述推挽驅動信號交替 導通/關閉，實現能量的轉換；
定圈數比電源功率變壓器Tl，將能量從其初級繞組傳遞到次級繞組；
整流濾波電路103，對功率變壓器Tl次級繞組分兩路獨立整流濾波，并 引出公共端實現正、負電源輸出，用于為驅動電路200供電。
所述驅動電路200依次包括
脈沖調制電路201，將控制信號調制成所需的窄脈沖(可根據情況設定脈
沖寬度)；
脈沖變壓器T3，將窄脈沖從其初級繞組傳遞到次級繞組； 脈沖解調電路202，將脈沖變壓器T3傳遞過來的窄脈沖還原成與控制信號 相同的脈沖信號；
脈沖電平變換電路203,將解調后的脈沖信號電平變換為輸出所需電平； 功率放大電路204，將解調后的脈沖信號放大，輸出IGBT所需的功率驅動 信號；
保護電路205,接入脈沖電平變換電路204,用以對IGBT進行短路及過流 保護。該保護電路205連接故障監測端口，當IGBT發生故障時，經監測電路反 饋啟動保護電路，對IGBT驅動信號進行控制，從而保護IGBT及時關斷，實現保護。
本發明中，內部集成的隔離DC/DC電源電路IOO提供正、負兩路輸出電 壓，為IGBT驅動電路200提供能量；脈沖調制電路201將驅動控制信號調制 成固定脈寬的窄脈沖，經脈沖變壓器T3隔離后，脈沖解調電路202再將窄脈 沖還原為驅動控制信號，經過功率放大電路204后驅動IGBT;當IGBT發生 故障時，將啟動保護電路205關斷IGBT。
所述DC/DC電源電路IOO可以采用多種電路拓樸結構形式，茲舉幾例說明。
參見圖2，采用振蕩IC產生采用振蕩IC產生推挽驅動信號，控制兩個開 關管Q1、 Q2來實現能量轉換，具體而言U1為振蕩IC (如廣州金升陽科技 有限公司生產的320068芯片或其它型號的芯片)，用于產生一組反相的PWM 信號；變換電^各包括兩個MOSFET (Metal Oxide Semicoductor Field Effect Transistor,金屬氧化物半導體場效應管的開關管)，其中開關管Ql、 Q2 的源極共同接于振蕩IC的過流監測端口 (5腳)；兩者的柵極分別接于振蕩 IC的輸出端口 (4腳、6腳)；兩者的漏極分別接于功率變壓器Tl初級繞組 的一個端頭，而該功率變壓器T1初級繞組的中間抽頭接于電源輸入正端VD。
本實施例中的外圍電路接法為，振蕩IC的1腳接電源輸入地端GND， 2 腳通過電容C2接地，3腳接電源輸入正端VD， 5腳通過過流監測電阻R1接 地；同時，電源通過C1進行濾波。
所述整流濾波電路可采用多種形式，如圖2所示，經二極管D1、 D4全橋 整流后，再分別經電阻R2和電容C3、電阻R3和電容C4組成的濾波電路濾 波，輸出驅動電路所需的電壓，其中通過公共端COM與輸出電源正端VCC 輸出正電源；通過^^共端COM與輸出電源負端VEE輸出負電源。
該電路的工作過程為振蕩IC即Ul產生一組相互反向的PWM信號，來 控制開關管Q1、 Q2交替導通/關斷。通過功率變壓器T1將信號隔離后，進行 雙路整流濾波輸出，之后再經共接實現相對于公共端的正負電源輸出。最后， 為IGBT驅動電路供電。由此，控制信號從輸入端Vin、地端GND輸入后， 經信號轉換、傳遞、還原、功率放大后輸出到IGBT。
參見圖3，該例采用振蕩器IC產生推挽驅動信號，控制四個開關管Q1、 Q2、 Q3、 Q4來實現能量轉換，具體地開關管Q1、 Q2的漏極共同接于電源 輸入正端VD;開關管Q3、 Q4的源極共同接于振蕩IC的過流監測端口 5;開 關管Ql、 Q4的柵極共同接于振蕩IC的一個輸出端口 6;開關管Q2、 Q3的柵極共同接于振蕩IC的另一個輸出端口 4;開關管Q1的源極、開關管Q3的漏極共同接于功率變壓器Tl初級繞組的一個端頭；開關管Q2的源極、開關管Q4的漏極共同接于述功率變壓器初級繞組的另一個端頭。
其工作過程為振蕩IC產生一組相互反向的PWM信號，來控制開關管Ql、 Q2、 Q3、 Q4。通過功率變壓器Tl將電能隔離后傳遞到次級，之后再分別進行整流濾波輸出，最后共接實現相對于公共端的正、負電源輸出。從而實現為IGBT驅動電路供電。
參見圖4，采用功率變壓器自激產生振蕩推挽驅動信號；控制兩個開關管Ql、 Q2來實現能量轉換該振蕩電路為利用功率變壓器T1磁芯飽和特性形成的自激振蕩電路；所述變換電路包括兩個晶體管的開關管Q1、 Q2，其中電源正端VD、地GND之間串接有電阻R1、電容C2;而開關管Q1、 Q2兩者的射極共同接于電源輸入地GND;兩者的基極分別接于功率變壓器初級輔助繞組Tl-2的兩個端頭，其中間抽頭接于啟動電阻R1與電容C2的節點；兩者的集電極分別接于所述功率變壓器主初級繞組T1-1的兩個端頭，其中間抽頭接于電源輸入正端VD。
其電路的具體工作過程為由功率變壓器T1的自飽和從而自激產生振蕩驅動信號來控制開關管Ql， Q2。通過功率變壓器Tl將隔離后的進行雙路整流濾波輸出，之后再經共接實現相對于公共端的正負電源輸出。最終實現為IGBT驅動電路供電。
參見圖5，采用信號變壓器T2產生推挽驅動信號；控制兩個開關管Q1、Q2來實現能量轉換，本例中，振蕩電路包括信號變壓器T2，其初級繞組與功率變壓器Tl初級繞組經一個電阻Rl相連，利用信號變壓器T2飽和激J茲產生振蕩信號；信號變壓器T2次級繞組的中間抽頭接于啟動電阻Rl與電容C2的節點，變換電路包括兩個晶體管的開關管Q1、 Q2，其中開關管Q1、 Q2兩者的基極分別接于信號變壓器T2次級繞組的兩個端頭；兩者的發射極接于電
ii源輸入地GND;兩者的集電極分別接于功率變壓器T1初級繞組的兩個端頭，該功率變壓器T1初級繞組的中間抽頭接于電源輸入正端VD。
其電路的具體工作過程為由信號變壓器T2飽和激f茲產生振蕩驅動信號來控制開關管Q1、 Q2。通過功率變壓器T1隔離后進行雙路整流濾波輸出，之后再經共接實現相對于公共端的正負電源輸出。由此，為IGBT驅動電路供電。
本發明電路集成度高，可靠性高，實用性強，可廣泛應用于各類IGBT的驅動。
以上僅是本發明的優選實施方式，應當指出的是，上述優選實施方式不應視為對本發明的限制，本發明的保護范圍應當以權利要求所限定的范圍為準。對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明的精神和范圍內，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
權利要求
1、一種內置隔離電源的IGBT驅動電路，包括電源電路和驅動電路，其特征在于，所述電源電路依次包括一振蕩電路，電源輸入時產生推挽驅動信號；一變換電路，包括至少一對開關管，根據所述推挽驅動信號交替導通/關閉，實現能量的轉換；一功率變壓器，將能量從其初級繞組傳遞到次級繞組；一整流濾波電路，對所述功率變壓器次級繞組分兩路獨立整流濾波，并引出公共端實現正、負電源輸出，用于為所述驅動電路供電。
2、 如權利要求1所述的內置隔離電源的IGBT驅動電路，其特征在于，所 述振蕩電路包括一振蕩IC,用于產生一組反相的PWM信號；所述變換電路包 括兩個金屬氧化物半導體場效應管的開關管，其中兩者的源極共同接于所 述振蕩IC的過流監測端口 ；兩者的柵極分別接于所述振蕩IC的一個輸出端口 ；述功率變壓器初級繞組的中間抽頭接于電源輸入正端。
3、 如權利要求1所述的內置隔離電源的IGBT驅動電路，其特征在于，所 述振蕩電路包括一振蕩IC,用于產生一組反相的PWM信號；所述變換電路包 括四個金屬氧化物半導體場效應管的開關管，其中第一開關管、第二開關 管的漏極共同接于電源輸入正端；第三開關管、第四開關管的源極共同接于 所述振蕩IC的過流監測端口 (5);第一開關管、第四開關管的柵極共同接于 所述振蕩IC的一個輸出端口 (6);第二開關管、第三開關管的柵極共同接于 所述振蕩IC的另一個輸出端口 (4);第一開關管的源極、第三開關管的漏極 共同接于所述功率變壓器初級繞組的一個端頭；第二開關管的源極、第四開 關管的漏極共同接于所述功率變壓器初級繞組的另 一個端頭。
4、 如權利要求1所述的內置隔離電源的IGBT驅動電路，其特征在于，所述振蕩電路包括利用所述功率變壓器磁芯飽和特性形成的自激振蕩電路；所 述變換電路包括兩個晶體管的開關管，其中兩者的射極共同接于電源輸入 地；兩者的基極分別接于所述功率變壓器初級輔助繞組的一個端頭，該功率 變壓器初級輔助繞組的中間抽頭接于電阻(Rl)與電容(C2)之間；兩者的 集電極分別接于所述功率變壓器初級主繞組的一個端頭，該功率變壓器初級 主繞組的中間抽頭接于電源輸入正端。
5、 如權利要求1所述的內置隔離電源的IGBT驅動電路，其特征在于，由 所述信號變壓器的飽和功能產生自激振蕩信號；其初級繞組與功率變壓器繞 組通過電阻(R1)相接；所述變換電路包括兩個晶體管的開關管，其中兩 者的基極分別接于所述信號變壓器次級繞組的一個端頭；兩者的射極與所述 信號變壓器次級繞組的中間抽頭共同接于限流電阻(R2 )和軟啟動電容(C2 ) 之間；兩者的集電極分別接于所述功率變壓器初級繞組的一個端頭，該功率 變壓器初級繞組的中間抽頭接于電源輸入正端。
6、 如權利要求1-5任一項所述的內置隔離電源的IGBT驅動電路，其特征 在于，所述驅動電路依次包括一脈沖調制電路，將控制信號調制成所需的窄脈沖； 一脈沖變壓器，將窄脈沖從其初級繞組傳遞到次級繞組； 一脈沖解調電路，將所述脈沖變壓器傳遞過來的窄脈沖還原成與控制信號相同的脈沖信號；一功率放大電路，將解調后的脈沖信號放大，輸出IGBT所需的功率驅動信號。
7、 如權利要求6所述的內置隔離電源的IGBT驅動電路，其特征在于，所 述驅動電路中設置有脈沖電平變換電路，串接在所述脈沖解調電路與所述功 率放大電路之間，將解調后的脈沖信號電平變換為輸出所需電平。
8、 如權利要求7所述的內置隔離電源的IGBT驅動電路，其特征在于，所述驅動電路中設置有保護電路，接入所述脈沖電平變換電路，用以對IGBT進行短路及過流保護。
9、如權利要求8所述的內置隔離電源的IGBT驅動電路，其特征在于，所述驅動電路中設置有故障監測端口，連接所述保護電路，用以監測故障狀態。
全文摘要
本發明公開一種內置隔離電源的IGBT驅動電路，包括電源電路和驅動電路，所述電源電路依次包括一振蕩電路，電源輸入時產生推挽驅動信號；一變換電路，包括至少一對開關管，根據所述推挽驅動信號交替導通/關閉，實現能量的轉換；一功率變壓器，將能量從其初級繞組傳遞到次級繞組；一整流濾波電路，對所述功率變壓器次級繞組分兩路獨立整流濾波，并引出公共端實現正、負電源輸出，用于為所述驅動電路供電。將高效率的DC/DC隔離變換器與IGBT驅動電路集成，可以省去用戶外接隔離電源，方便驅動器的應用；本發明易于采用混合集成厚膜電路的形式實現，有利于采用SIP封裝形式，節約PCB面積。
文檔編號H03K17/56GK101640526SQ20091004196
公開日2010年2月3日 申請日期2009年8月19日 優先權日2009年8月19日
發明者尹向陽 申請人:廣州金升陽科技有限公司