专利名称：多功能电子开关驱动电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于驱动电力电子开关器件的电路，属于电源技术领域。
背景技术：
开关器件在电能变换装置中应用广泛，其中绝缘栅双极晶体管(IGBT)是复合了功率场效应管和电力晶体管的优点而产生的一种新型复合器件，具有输入阻抗高、工作速度快、热稳定性好、驱动电路简单、饱和压降低、耐压高和承受电流大等优点，因此在今天的电力电子领域中已经得到广泛的应用，在实际使用中除IGBT自身外，IGBT驱动器的作用对整个换流系统来说同样至关重要。驱动器的选择及输出功率的计算决定了换流系统的可靠性。驱动器功率不足或选择错误可能会直接导致IGBT和驱动器损坏。IGBT的驱动电路是IGBT与控制电路之间的接口，实现对控制信号的隔离，放大和保护，驱动电路对IGBT的正常工作及其保护起着非常重要的作用，门极电路的正偏压 ^、负偏压和门极电阻的大小，对IGBT的通态电压、开关、开关损耗、承受短路能力参数有不同的程度的影响，因此，驱动电路设计对IGBT的动态和静态性能都有重要的影响，对驱动电路有以下基本要求1.动态驱动能力强，能为栅极驱动电压脉冲提供充分大的上升率和下降率，以减小开通和关断损耗，但是，由于主电路中存在分布电感及滤波电容的串联电感，随着IGBT 的超速开通与关断将在电路中产生高频尖峰电压Ldi/dt，常规的过电压吸收电路难以吸收，对IGBT自身或其他元件造成击穿而损坏，所以，主电路应尽可能降低分布电感，而且 IGBT开关时间也不能过短。2.能向IGBT提供适当的正向栅极电压，IGBT导通后的管压降与所加栅极电压有关，在集射极电流一定的情况下Va越高，就越低，器件的导通损耗就越小，这有利于提高开关效率.但是，并非越高越好，一旦发生过流或短路，栅压越高，则电流幅值越高，IGBT 损坏的可能性就越大，通常取士 15V为宜。3.能向IGBT提供适当的反向栅极电压，有利于其快速关断。4.具有栅极电压限幅能力，保护栅极不被击穿IGBT栅极限电压一般为一 20 +20V，超出此范围就可能破环栅极。5.选择合适栅极电阻RG，IGBT驱动电路中的RG对工作性能有较大的影响，RG较大，有利于抑制IGBT的电流上升率及电压上升率，但会增加IGBT的开关时间和开关损耗， RG较小，会引起电流上升率增大，使IGBT误导通或损环，一般在几欧一几十欧。6. IGBT的栅极驱动电路应尽可能的简单，实用，最好具有对驱动IGBT的完整保护能力及很强的抗干扰性能，而且输出阻抗应尽可能的低。由此可见，一套完整的驱动电路对IGBT的使用至关重要。如今主要的驱动电路有1.采用脉冲变压器隔离驱动IGBT，这种电路结构简单，应用了廉价的脉冲变压器实现IGBT主电路与控制电路的隔离。其性能的好坏取决于脉冲变压器的制作，应尽量减小脉冲变压器的漏感抗，并采用高铁氧体铁心，最高工作频率可达40KHz。但是脉冲变压器制作麻烦，漏感抗难以有效遏制，所以性能不稳定。2.采用光耦合器及CMOS驱动IGBT，电路由于受光耦合器传输速度的影响，其工作频率不能太高，同时受CMOS电路最高工作电压的限制，驱动电压受到限值。3.用专用混合集成驱动电路，国外很多生产IGBT器件的公司，为了解决IGBT驱动的可靠性问题，纷纷推出IGBT专用驱动电路，如美国MOTOROLA公司的MPD系列、日本东芝公司的KT系列、日本富士公司的EXB系列等。这些驱动电路抗干扰能力强，集成化程度高，速度快，保护功能完善，可实现IGBT的最优驱动，但一般价格比较昂贵，对于普通用户很难接受。以上三种普遍使用的驱动方法各有不足之处，而且运用起来都有限制，如没有考虑驱动信号和驱动电路的连接等问题。
发明内容为了克服现有的IGBT驱动电路存在的问题，本实用新型提出了一种将驱动信号产生电路和驱动电路结合的系统，可以完善地驱动IGBT，充分发挥其性能，延长其使用寿命。为了实现上述发明目的，本实用新型采用的技术方案如下多功能电子开关驱动电路，该电路由触发信号产生电路、光电耦合电路和驱动电路三部分组成，所述触发信号采用数字芯片产生电路产生频率和占空比可调的信号；所述光电耦合电路将触发信号产生电路和驱动电路隔离，驱动信号通过光电耦合电路的隔离传输至驱动电路；所述驱动电路中，由驱动芯片、肖恩特二极管和电容组成自举电路，对开关器件发射极电压浮动或恒定的开关电路能够稳定触发。本实用新型的有益效果是第一，本实用新型将信号产生电路与驱动电路结合为一体，体积较小，功能丰富，满足各种开关电路需要，触发稳定。第二，本实用新型通过单片机产生多种信号，信号稳定，抗干扰能力强，满足了中小功率变换装置对驱动信号的要求， 通过改变单片机程序可以更广泛的满足各种电路对驱动信号的要求。第三，本实用新型能驱动各种开关电路，对于高压侧接地或者悬浮的电路都能胜任驱动要求。第四，本实用新型充分考虑电路的抗干扰要求，通过光电耦合器连接信号电路和驱动电路，提高了电路的抗干扰性，使整个电路能够安全可靠地驱动各种开关器件，比如M0SFET、场效应管和IGBT。
图1是本实用新型结构示意图。图2是本实用新型的电路原理图。图3是信号产生电路通过按钮选择所需波形，数码显示波形频率及占空比。图4是实施例中驱动开关器件发射极接地电路的原理图。图5为实施例中BUCK降压主电路。图6为实施例中单片机电路产生的信号波形。图7为实施例中驱动信号与触发信号的对比波形。图8为实施例中BUCK电路电感电流波形。[0027]图9为实施例中负载电压波形。
具体实施方式
下面具体讲述如何利用本实用新型来驱动BUCK电路。本实施例采用AT89S51单片机1片，74LS08与门芯片一片，NEC2501光耦芯片一片，顶2110驱动芯片一片，肖恩特二极管一个，电阻4个，电容5个构成。实例中主电路元器件包括2mH电感，IOuF电容，二极管及50 Ω负载电阻。电路原理图如图2所示，触发信号产生电路采用AT89S51型单片机，通过5V电源供电，频率选择按钮连接到Pl. 6，占空比选择按钮连接到Pl. 7，两者通过74LS08芯片把按键信号传输给中断端口 Ρ3. 3，信号通过引脚Pl. 0输出，由光耦芯片接入引脚3，引脚4输出信号，接入顶2110芯片10号引脚HIN可驱动高压侧电压悬浮的开关电路，高压侧驱动引脚 7通过电阻10 Ω与IGBT栅极连接，5号引脚Vs端与发射极相连，6号引脚通过肖恩特二极管连接到电源，通过电容IuF连接到5号引脚Vs构成自举电路。信号产生电路从Ρ1.0产生稳定的方波型号，运用中断方式对按键响应，增强芯片的稳定性，与Pl. 6相连的按键触控制信号的频率，与Pl. 7相连的按键控制信号的占空比。 信号产生利用定时器0以工作方式2产生，最大频率可达20ΚΗζ，占空比可在0. 25和0. 75 之间调节，如图3所示。利用单片机产生信号具有以下优点，输出信号稳定，不受电源电压波动的影响，数字电路具有模拟电子电路难以比拟的稳定性，而且易于实现调节，不会受到温度升高的影响，对于一般的开关电路其开关频率已经足够。驱动芯片和肖恩特二极管以及电容构成自举电路，应用于开关器件发射极电压浮动的电路，例如BUCK降压电路和BUCK-BOOST升降压电路及桥式电路上管。驱动芯片本身具有光耦隔离和电磁隔离的优点，运用于中小功率转换装置中，其高端工作电压可高达500V。 高端侧悬浮驱动的自举原理为当栅极为高电平时，以充电的外接电容和限流电阻箱栅极结电容放电，门极电容储存的电荷是IGBT导通；当栅极为低电平时，门极电容沿着限流电阻和下管放电，释放存储电荷，是IGBT关断。自举电路动态驱动能力强，能为栅极驱动电压脉冲提供充分大的上升率和下降率，以减小开通和关断损耗，能安全可靠地驱动IGBT电路。由驱动芯片的另两个管脚构成对开关器件发射极电压不变的电路，如图4所示， 用于驱动BOOST电路和BOOST-BUCK电路以及桥式电路下管。图4与图2稍有不同，即1号引脚LO通过10 Ω电阻连接至IGBT栅极，发射极接地即可。搭建BUCK降压主电路电路，如图5所示。电源与电感2mH电容IOuF和地连接，二极管自下而上与地和发射极连接，负载电阻并联在电容两端，阻值为50 Ω。20V电源通过开关管依次与电感，电容和地连接，二极管自下而上连接与地和开关管发射极，负载电阻并联在电容两端，开关管导通时，二极管截止，电源通过电感给电容充电；当开关管截止，二极管导通，电感电流通过二极管续流，电容放电。使用万用表测试电路连接是否正确，电子器件是否正常，确认一切正常后进行驱动电路设置。选择所需的驱动信号，频率及占空比，一般可以先选择较大的占空比，保证电路工作在电感电流连续状态，电流较稳定。实例中选择频率为ΙΟΚΗζ，占空比为50%的驱动信号，使用示波器测试其输出波形并记录其波形图如图6所示，可见该触发电路产生的信号波形稳定，波形标准，上下升沿小于lus，高电平为5V，低电平为0V。当电路较大时，各电路之间常会相互影响，所以通过一些方式进行隔绝可以确保电路稳定。如图1所示将驱动信号通过光电耦合器，通过光电耦合，将信号产生电路和驱动电路隔离，可以避免后续电路对信号电路的影响。确保系统稳定运行。而且通过光耦电路还可以对信号进行升降压，如图7所示，信号由原来的高电平为5V上升为15V，通过调节光电耦合器的电源电压可以方便的改变其信号电平。调节驱动芯片供电电源大小可以调节驱动电压大小，选择驱动电压为15V，保证驱动引脚到IGBT的栅极的距离尽量小，使用示波器测试触发信号和驱动信号如图7所示，对比这两种信号可知，驱动信号高电平为15V，低电平为0V，满足驱动要求，信号与驱动信号同相。综合考虑IGBT开关时间及开关损耗，选取栅极电阻为10Ω，将触发端7号引脚通过栅极电阻与IGBT的栅极连接，将IGBT的发射极与5号端Vs相连，使用万用表确认其连接顺畅，保证电路可靠连接。运行信号电路，检测驱动端电压是否正常，再加载主电路电源。测试BUCK电路电感电流，波形如图8所示，电感电流持续稳定，没有跳变，电路工
作稳定。当电感电流在开关管导通和截止过程中保持连续时，负载端电压为Vout = VsXD其中V。ut为负载端电压，Vs为电源电压，D为占空比。测试其负载电压如图9所示，负载电压稳定。BUCK电路在占空比为50%时，电源电压为20V，降压后负载电压约为10V，符合电路原理V。ut=Vin*D。10V=20V*0. 5。本实用新型的电路将信号产生电路和驱动电路结合在一起，并考虑两者相互干扰的问题，通过光电耦合进行隔离，信号频率和占空比可选择，驱动电路可以驱动各种开关电路，对研究及运用开关电路有较大的帮助。整体电路紧凑，设计简单实用，工作稳定，可运用各种中小功率变换装置中；而且驱动信号可以连接到多个驱动电路，通过增加驱动电路，本电路可同时驱动多个开关管。
权利要求1.多功能电子开关驱动电路，其特征在于，该电路由触发信号产生电路、光电耦合电路和驱动电路三部分组成，所述触发信号采用数字芯片电路产生频率和占空比可调的信号； 所述光电耦合电路将触发信号产生电路和驱动电路隔离，驱动信号通过光电耦合电路的隔离传输至驱动电路；所述驱动电路中，由驱动芯片、肖恩特二极管和电容组成自举电路，对开关器件发射极电压浮动或恒定的开关电路能够稳定触发。
专利摘要本实用新型提供了一种用于驱动开关器件(例如IGBT)的集成驱动电路，电路由触发信号产生电路、光电耦合电路和驱动电路三部分构成，触发信号产生电路可以通过设置而产生多种频率、多种占空比的触发信号；触发信号通过光电耦合电路传输至驱动电路，确保了电路系统的稳定；驱动电路可以驱动各种变换装置中的电子开关器件，对于开关器件发射极电压浮动的电路(例如BUCK电路)，采用肖恩特二极管和电容构成自举电路进行驱动。本实用新型将触发信号产生电路与驱动电路结合为一体，利用耦合电路进行隔离，提高整个系统抗干扰能力，可用于触发各种变换装置中的开关器件，使用方便，安全可靠。
文档编号H03K17/567GK202309658SQ20112044709
公开日2012年7月4日 申请日期2011年11月14日 优先权日2011年11月14日
发明者孙频东, 褚鹏超, 郑玉莲 申请人:南京师范大学