一种带有隔离电源和短路保护的三电平驱动电路的制作方法

本实用新型属于变频器驱动电路领域，具体涉及一种带有隔离电源和短路保护的三电平驱动电路。

背景技术：

目前，普遍采用电平拓扑结构确保电力电子装置的长期稳定工作，变频器、有源滤波器等电力电子设备仍普遍采用两电平的拓扑结构，该拓扑具有谐波含量高、效率低等缺点。为了克服以上不足，多电平技术应运而生，其中三电平技术的应用最为广泛。相对于两电平拓扑，三电平拓扑的输出多了一个电平，输出波形的正弦度高，故能够显著降低拓扑本身的谐波含量，进而提高整机的效率。为保证电力电子装置的长期稳定工作，同时确保三电平拓扑的稳定工作，需要针对三电平拓扑设计可靠的的驱动电路。相对比两电平，目前针对三电平拓扑设计的驱动电路复杂，电路确保可靠性低。如何既能确保性能可靠，又能简单实用，成为驱动电路设计的关键。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种带有隔离电源和短路保护的三电平驱动电路，以克服现有技术三电平拓扑结构复杂，可靠性低的问题。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种带有隔离电源和短路保护的三电平驱动电路，包括第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路、第四驱动电路以及用于驱动电路供电的驱动电源；

其中第一驱动电路和第三驱动电路均包含有一个短路保护检测电路；

驱动电源包括两路相同的总驱动电源电路，总驱动电源电路包括电源控制回路、半桥反激电路和两路驱动正负压电路，电源控制回路接半桥反激电路，两路驱动正负压电路均接半桥反激电路；

其中一路总驱动电源电路的两路驱动正负压电路分别接第一驱动电路和第二驱动电路；另一路总驱动电源电路的两路驱动正负压电路分别第三驱动电路和第四驱动电路。

进一步的，电源控制回路包括控制芯片u102，控制芯片u102的fb引脚接电阻r108一端，电阻r108另一端接公共端gnd1；控制芯片u102的comp引脚接电阻r107一端和串联对管d100正极，控制芯片u102的vref引脚接电阻r109一端、串联对管d100负极、电阻r106一端和电容c108一端；控制芯片u102的rt/ct引脚接电阻r109另一端和电容c116一端；串联对管d100的中间极接电阻r106另一端和电容c109一端；电容c108另一端接电容c109另一端、电阻r107另一端、电容c116另一端和公共端gnd1；控制芯片u102的vcc引脚接外部直流电源，控制芯片u102的output引脚接电阻r119一端；控制芯片u102的cs引脚接电阻r114一端，控制芯片u102的gnd引脚接电阻r114另一端和公共端gnd1。

进一步的，半桥反激电路包括npn型三极管q104和pnp型三极管q105，npn型三极管q104的b极和pnp型三极管q105的b极接电阻r119另一端和电阻r122一端，电阻r122另一端接公共端gnd2；npn型三极管q104的c极接电阻r129一端，电阻r129另一端接直流电源，电阻r130一端接公共端gnd2；pnp型三极管q105的e极接电阻r130另一端；npn型三极管q104的e极和pnp型三极管q105的c极接变压器原边一端；变压器原边另一端接隔直电容c130的一端，c130另一端接公共端gnd2。

进一步的，驱动正负压电路包括一端接变压器副边的电容c131，电容c131另一端接串联对管d112中间极，串联对管d112的正极接稳压管d114正极和有极性电容c133负极，稳压管d114负极和有极性电容c133正极接电阻r131一端，电阻r131另一端接串联对管d112负极。

进一步的，串联对管包括两个串联的二极管，两个二极管连接端为中间极。

进一步的，电源控制回路采用uc2844芯片。

进一步的，驱动电路包括光耦隔离电路、推挽放大电路、门极驱动电路及门极保护电路，驱动信号经过光耦隔离电路后，送至推挽放大电路；推挽放大电路的输出再经过驱动电阻送至门极驱动电路；门极驱动电路包括igbt开通和关断电阻，门极保护电路包括门极泄放电阻和稳压管；igbt的导通压降送至光耦的短路保护检测电路，当压降超过门槛值时，光耦隔离电路会对外发送一个跳变信号，并同时不接收驱动信号；光耦隔离电路的原边供电为5v，光耦隔离电路副边侧的供电为驱动电源输出的24v。

进一步的，光耦隔离电路采用光耦隔离芯片，光耦隔离芯片型号为acpl-330j-500e。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型一种带有隔离电源和短路保护的三电平驱动电路，采用四路驱动电路以及用于驱动电路供电的驱动电源融为一体，通过调节电源控制回路外部震荡周期产生相应频率的pwm控制信号，控制半桥反激电路产生稳定的24v直流电源，通过与半桥反激电路输出端连接的两路驱动正负压电路提供驱动电压，本实用新型通过两路短路保护检测电路检测管压降来实现短路保护功能的实现，采用的光耦隔离芯片具有5us以内的保护速度；当igbt发送短路时，实现电路的快速保护，采用本实用新型电路结构设计，元器件布局、布线紧凑；采用独立驱动电源，回路的辐射小，抗干扰能力强。

驱动电源采用变压器实现高、低压隔离。

半桥的推挽桥臂及驱动电路的推挽桥臂采用三极管结构，价格低廉，性能稳定。

采用两个串联电阻串联到桥臂之中，能够降低开通和关断损耗，避免器件损耗过大造成效率降低。

在驱动电路中利用电容器起到隔离直流分量的作用，避免因过大的直流偏置造成变压器磁饱和。

附图说明

图1是本实用新型的总体示意图；

图2是本实用新型隔离电源电路示意图；

图3是本实用新型带短路保护功能驱动电路示意图；

图4是本实用新型不带短路保护功能驱动电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

如图1至图4所示，一种带有隔离电源和短路保护的三电平驱动电路，包括第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路、第四驱动电路以及用于驱动电路供电的驱动电源；

其中第一驱动电路和第三驱动电路均包含有一个短路保护检测电路；

驱动电源包括两路相同的总驱动电源电路，总驱动电源电路包括电源控制回路、半桥反激电路和两路驱动正负压电路，电源控制回路接半桥反激电路，两路驱动正负压电路均接半桥反激电路；

其中一路总驱动电源电路的两路驱动正负压电路分别接第一驱动电路和第二驱动电路；另一路总驱动电源电路的两路驱动正负压电路分别第三驱动电路和第四驱动电路。

下面结合附图对本实用新型的结构原理和使用步骤作进一步说明：

如图1所示，总驱动电源电路包括电源控制回路、半桥反激电路和驱动正负压电路。通过调节电源控制回路外部震荡周期产生相应频率的pwm控制信号，控制半桥反激电路产生稳定的24v直流电源，半桥反激电路输出端接两路驱动正负压电路；半桥反激电路主要是输出稳定的直流电源、实现能量的传递以及电气隔离。借助半桥反激电路输出稳定的24v直流电源，通过驱动正负压电路构造igbt驱动所需的正压和负压。

如图2所示，电源控制回路包括控制芯片u102，控制芯片u102的fb引脚接电阻r108一端，电阻r108另一端接公共端gnd1；控制芯片u102的comp引脚接电阻r107一端和串联对管d100正极，控制芯片u102的vref引脚接电阻r109一端、串联对管d100负极、电阻r106一端和电容c108一端；控制芯片u102的rt/ct引脚接电阻r109另一端和电容c116一端；串联对管d100的中间极接电阻r106另一端和电容c109一端；电容c108另一端接电容c109另一端、电阻r107另一端、电容c116另一端和公共端gnd1；控制芯片u102的vcc引脚接外部直流电源，控制芯片u102的output引脚接电阻r119一端，控制芯片u102的cs引脚接电阻r114一端，控制芯片u102的gnd引脚接电阻r114另一端和公共端gnd1；

半桥反激电路包括npn型三极管q104和pnp型三极管q105，npn型三极管q104的b极和pnp型三极管q105的b极接电阻r119另一端和电阻r122一端，电阻r122另一端接公共端gnd2；npn型三极管q104的c极接电阻r129一端，电阻r129另一端接直流电源，电阻r130一端接公共端gnd2；pnp型三极管q105的e极接电阻r130另一端；npn型三极管q104的e极和pnp型三极管q105的c极接变压器原边一端；变压器原边另一端接隔直电容c130的一端，c130另一端接公共端gnd2。

驱动正负压电路包括一端接变压器副边的电容c131，电容c131另一端接串联对管d112中间极，串联对管d112的正极接稳压管d114正极和有极性电容c133负极，稳压管d114负极和有极性电容c133正极接电阻r131一端，电阻r131另一端接串联对管d112负极；串联对管包括两个串联的二极管，两个二极管连接端为中间极；电源控制回路采用uc2844芯片。

通过电阻r109和电容c116的值，实现震荡周期的变化，进而影响output引脚输出pwm信号的周期；output引脚输出pwm信号经过驱动电阻r119送至半桥反激电路，通过控制npn型三极管q104的b极和pnp型三极管q105的开通、关断，最终从变压器的副边得到稳定的直流24v；电阻r129和电阻r130串联到桥臂之中，能够降低开通和关断损耗，避免器件损耗过大造成效率降低；电容c130起到隔离直流分量的作用，避免因过大的直流偏置造成变压器磁饱和；电容c131和电容c132起到升压的作用。最右侧的第一路驱动正负压电路采用稳压管d114和限流电阻r131实现，最终,mc_drv_ae1和gnd_dra1之间为驱动负压，24v_dra1和mc_drv_ae1之间为驱动正压；第二路驱动正负压电路原理同上。变压器l100副边生成的两路24v电源是相互独立、彼此隔离的。每个三电平驱动电路，共包括2个上述总驱动电源电路。

如图3、图4所示，驱动电路包括光耦隔离电路、推挽放大电路、门极驱动电路及门极保护电路。

驱动信号经过光耦隔离电路后，送至推挽放大电路；推挽放大电路的输出再经过驱动电阻送至门极驱动电路；门极驱动电路包括igbt开通和关断电阻，门极保护电路包括门极泄放电阻和稳压管；igbt的导通压降送至光耦的短路保护检测电路，当压降超过门槛值时，光耦隔离电路会对外发送一个跳变信号，并同时不接收驱动信号；光耦隔离电路的原边供电为5v，光耦隔离电路副边侧的供电为驱动电源输出的24v。光耦隔离电路采用光耦隔离芯片，光耦隔离芯片型号为acpl-330j-500e。

外部驱动控制信号通过限流电阻r100接到光耦隔离芯片u100的第6和7引脚(anode引脚)，当控制信号为高电平时，光耦隔离芯片u100第11引脚(vout引脚)相应输出高，当控制信号为低电平时，光耦隔离芯片u100第11引脚(vout引脚)输出为低。光耦隔离芯片u100第11引脚输出经过限流电阻r115接到推挽放大电路，分别控制npn型三极管q102开通和pnp型三极管q100关断。当npn型三极管q102开通时，驱动的正压通过驱动电阻后施加到igbt门极两端，实现igbt导通；当pnp型三极管q100关断时，驱动的负压通过关断电阻施加到igbt门极两端，实现igbt关断；其中电阻r123为门极开通和关断电阻。电阻r127和稳压管d108、稳压管d109构成门极保护电路，其中电阻r127为门极泄放电阻，用于泄放门极电荷；稳压管d108和稳压管d109组成双向稳压管，防止正压和负压超限，从而避免了igbt的门极遭受过电压损坏。接口x100和接口mc_drv_ae1之间检测的是igbt的导通压降，最终送到光耦隔离芯片u100的第14引脚(desat引脚)和16引脚(ve引脚)；当导通压降超过内置门槛值时，光耦隔离芯片u100的第3引脚(fault引脚)故障反馈由原来的高阻态转为低电平。每个三电平驱动电路，包括2个上述带短路保护的驱动电路和2路不带短路保护的驱动电路，不带短路保护的驱动电路如图4所示。此外，光耦隔离芯片u100接一路5v直流电源。