專利名稱：多功能電子開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于驅(qū)動(dòng)電力電子開關(guān)器件的電路，屬于電源技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
開關(guān)器件在電能變換裝置中應(yīng)用廣泛，其中絕緣柵雙極晶體管(IGBT)是復(fù)合了功率場(chǎng)效應(yīng)管和電力晶體管的優(yōu)點(diǎn)而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合器件，具有輸入阻抗高、工作速度快、熱穩(wěn)定性好、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、飽和壓降低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點(diǎn)，因此在今天的電力電子領(lǐng)域中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，在實(shí)際使用中除IGBT自身外，IGBT驅(qū)動(dòng)器的作用對(duì)整個(gè)換流系統(tǒng)來(lái)說(shuō)同樣至關(guān)重要。驅(qū)動(dòng)器的選擇及輸出功率的計(jì)算決定了換流系統(tǒng)的可靠性。驅(qū)動(dòng)器功率不足或選擇錯(cuò)誤可能會(huì)直接導(dǎo)致IGBT和驅(qū)動(dòng)器損壞。IGBT的驅(qū)動(dòng)電路是IGBT與控制電路之間的接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制信號(hào)的隔離，放大和保護(hù)，驅(qū)動(dòng)電路對(duì)IGBT的正常工作及其保護(hù)起著非常重要的作用，門極電路的正偏壓 ^、負(fù)偏壓和門極電阻的大小，對(duì)IGBT的通態(tài)電壓、開關(guān)、開關(guān)損耗、承受短路能力參數(shù)有不同的程度的影響，因此，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)對(duì)IGBT的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能都有重要的影響，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路有以下基本要求1.動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，能為柵極驅(qū)動(dòng)電壓脈沖提供充分大的上升率和下降率，以減小開通和關(guān)斷損耗，但是，由于主電路中存在分布電感及濾波電容的串聯(lián)電感，隨著IGBT 的超速開通與關(guān)斷將在電路中產(chǎn)生高頻尖峰電壓Ldi/dt，常規(guī)的過(guò)電壓吸收電路難以吸收，對(duì)IGBT自身或其他元件造成擊穿而損壞，所以，主電路應(yīng)盡可能降低分布電感，而且 IGBT開關(guān)時(shí)間也不能過(guò)短。2.能向IGBT提供適當(dāng)?shù)恼驏艠O電壓，IGBT導(dǎo)通后的管壓降與所加?xùn)艠O電壓有關(guān)，在集射極電流一定的情況下Va越高，就越低，器件的導(dǎo)通損耗就越小，這有利于提高開關(guān)效率.但是，并非越高越好，一旦發(fā)生過(guò)流或短路，柵壓越高，則電流幅值越高，IGBT 損壞的可能性就越大，通常取士 15V為宜。3.能向IGBT提供適當(dāng)?shù)姆聪驏艠O電壓，有利于其快速關(guān)斷。4.具有柵極電壓限幅能力，保護(hù)柵極不被擊穿IGBT柵極限電壓一般為一 20 +20V，超出此范圍就可能破環(huán)柵極。5.選擇合適柵極電阻RG，IGBT驅(qū)動(dòng)電路中的RG對(duì)工作性能有較大的影響，RG較大，有利于抑制IGBT的電流上升率及電壓上升率，但會(huì)增加IGBT的開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗， RG較小，會(huì)引起電流上升率增大，使IGBT誤導(dǎo)通或損環(huán)，一般在幾歐一幾十歐。6. IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能的簡(jiǎn)單，實(shí)用，最好具有對(duì)驅(qū)動(dòng)IGBT的完整保護(hù)能力及很強(qiáng)的抗干擾性能，而且輸出阻抗應(yīng)盡可能的低。由此可見，一套完整的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)IGBT的使用至關(guān)重要。如今主要的驅(qū)動(dòng)電路有1.采用脈沖變壓器隔離驅(qū)動(dòng)IGBT，這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用了廉價(jià)的脈沖變壓器實(shí)現(xiàn)IGBT主電路與控制電路的隔離。其性能的好壞取決于脈沖變壓器的制作，應(yīng)盡量減小脈沖變壓器的漏感抗，并采用高鐵氧體鐵心，最高工作頻率可達(dá)40KHz。但是脈沖變壓器制作麻煩，漏感抗難以有效遏制，所以性能不穩(wěn)定。2.采用光耦合器及CMOS驅(qū)動(dòng)IGBT，電路由于受光耦合器傳輸速度的影響，其工作頻率不能太高，同時(shí)受CMOS電路最高工作電壓的限制，驅(qū)動(dòng)電壓受到限值。3.用專用混合集成驅(qū)動(dòng)電路，國(guó)外很多生產(chǎn)IGBT器件的公司，為了解決IGBT驅(qū)動(dòng)的可靠性問(wèn)題，紛紛推出IGBT專用驅(qū)動(dòng)電路，如美國(guó)MOTOROLA公司的MPD系列、日本東芝公司的KT系列、日本富士公司的EXB系列等。這些驅(qū)動(dòng)電路抗干擾能力強(qiáng)，集成化程度高，速度快，保護(hù)功能完善，可實(shí)現(xiàn)IGBT的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)，但一般價(jià)格比較昂貴，對(duì)于普通用戶很難接受。以上三種普遍使用的驅(qū)動(dòng)方法各有不足之處，而且運(yùn)用起來(lái)都有限制，如沒有考慮驅(qū)動(dòng)信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電路的連接等問(wèn)題。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有的IGBT驅(qū)動(dòng)電路存在的問(wèn)題，本實(shí)用新型提出了一種將驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路和驅(qū)動(dòng)電路結(jié)合的系統(tǒng)，可以完善地驅(qū)動(dòng)IGBT，充分發(fā)揮其性能，延長(zhǎng)其使用壽命。為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下多功能電子開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路，該電路由觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生電路、光電耦合電路和驅(qū)動(dòng)電路三部分組成，所述觸發(fā)信號(hào)采用數(shù)字芯片產(chǎn)生電路產(chǎn)生頻率和占空比可調(diào)的信號(hào)；所述光電耦合電路將觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生電路和驅(qū)動(dòng)電路隔離，驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)光電耦合電路的隔離傳輸至驅(qū)動(dòng)電路；所述驅(qū)動(dòng)電路中，由驅(qū)動(dòng)芯片、肖恩特二極管和電容組成自舉電路，對(duì)開關(guān)器件發(fā)射極電壓浮動(dòng)或恒定的開關(guān)電路能夠穩(wěn)定觸發(fā)。本實(shí)用新型的有益效果是第一，本實(shí)用新型將信號(hào)產(chǎn)生電路與驅(qū)動(dòng)電路結(jié)合為一體，體積較小，功能豐富，滿足各種開關(guān)電路需要，觸發(fā)穩(wěn)定。第二，本實(shí)用新型通過(guò)單片機(jī)產(chǎn)生多種信號(hào)，信號(hào)穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，滿足了中小功率變換裝置對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的要求， 通過(guò)改變單片機(jī)程序可以更廣泛的滿足各種電路對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的要求。第三，本實(shí)用新型能驅(qū)動(dòng)各種開關(guān)電路，對(duì)于高壓側(cè)接地或者懸浮的電路都能勝任驅(qū)動(dòng)要求。第四，本實(shí)用新型充分考慮電路的抗干擾要求，通過(guò)光電耦合器連接信號(hào)電路和驅(qū)動(dòng)電路，提高了電路的抗干擾性，使整個(gè)電路能夠安全可靠地驅(qū)動(dòng)各種開關(guān)器件，比如M0SFET、場(chǎng)效應(yīng)管和IGBT。

圖1是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實(shí)用新型的電路原理圖。圖3是信號(hào)產(chǎn)生電路通過(guò)按鈕選擇所需波形，數(shù)碼顯示波形頻率及占空比。圖4是實(shí)施例中驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件發(fā)射極接地電路的原理圖。圖5為實(shí)施例中BUCK降壓主電路。圖6為實(shí)施例中單片機(jī)電路產(chǎn)生的信號(hào)波形。圖7為實(shí)施例中驅(qū)動(dòng)信號(hào)與觸發(fā)信號(hào)的對(duì)比波形。圖8為實(shí)施例中BUCK電路電感電流波形。[0027]圖9為實(shí)施例中負(fù)載電壓波形。
具體實(shí)施方式
下面具體講述如何利用本實(shí)用新型來(lái)驅(qū)動(dòng)BUCK電路。本實(shí)施例采用AT89S51單片機(jī)1片，74LS08與門芯片一片，NEC2501光耦芯片一片，頂2110驅(qū)動(dòng)芯片一片，肖恩特二極管一個(gè)，電阻4個(gè)，電容5個(gè)構(gòu)成。實(shí)例中主電路元器件包括2mH電感，IOuF電容，二極管及50 Ω負(fù)載電阻。電路原理圖如圖2所示，觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生電路采用AT89S51型單片機(jī)，通過(guò)5V電源供電，頻率選擇按鈕連接到Pl. 6，占空比選擇按鈕連接到Pl. 7，兩者通過(guò)74LS08芯片把按鍵信號(hào)傳輸給中斷端口 Ρ3. 3，信號(hào)通過(guò)引腳Pl. 0輸出，由光耦芯片接入引腳3，引腳4輸出信號(hào)，接入頂2110芯片10號(hào)引腳HIN可驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)電壓懸浮的開關(guān)電路，高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)引腳 7通過(guò)電阻10 Ω與IGBT柵極連接，5號(hào)引腳Vs端與發(fā)射極相連，6號(hào)引腳通過(guò)肖恩特二極管連接到電源，通過(guò)電容IuF連接到5號(hào)引腳Vs構(gòu)成自舉電路。信號(hào)產(chǎn)生電路從Ρ1.0產(chǎn)生穩(wěn)定的方波型號(hào)，運(yùn)用中斷方式對(duì)按鍵響應(yīng)，增強(qiáng)芯片的穩(wěn)定性，與Pl. 6相連的按鍵觸控制信號(hào)的頻率，與Pl. 7相連的按鍵控制信號(hào)的占空比。 信號(hào)產(chǎn)生利用定時(shí)器0以工作方式2產(chǎn)生，最大頻率可達(dá)20ΚΗζ，占空比可在0. 25和0. 75 之間調(diào)節(jié)，如圖3所示。利用單片機(jī)產(chǎn)生信號(hào)具有以下優(yōu)點(diǎn)，輸出信號(hào)穩(wěn)定，不受電源電壓波動(dòng)的影響，數(shù)字電路具有模擬電子電路難以比擬的穩(wěn)定性，而且易于實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，不會(huì)受到溫度升高的影響，對(duì)于一般的開關(guān)電路其開關(guān)頻率已經(jīng)足夠。驅(qū)動(dòng)芯片和肖恩特二極管以及電容構(gòu)成自舉電路，應(yīng)用于開關(guān)器件發(fā)射極電壓浮動(dòng)的電路，例如BUCK降壓電路和BUCK-BOOST升降壓電路及橋式電路上管。驅(qū)動(dòng)芯片本身具有光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)用于中小功率轉(zhuǎn)換裝置中，其高端工作電壓可高達(dá)500V。 高端側(cè)懸浮驅(qū)動(dòng)的自舉原理為當(dāng)柵極為高電平時(shí)，以充電的外接電容和限流電阻箱柵極結(jié)電容放電，門極電容儲(chǔ)存的電荷是IGBT導(dǎo)通；當(dāng)柵極為低電平時(shí)，門極電容沿著限流電阻和下管放電，釋放存儲(chǔ)電荷，是IGBT關(guān)斷。自舉電路動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，能為柵極驅(qū)動(dòng)電壓脈沖提供充分大的上升率和下降率，以減小開通和關(guān)斷損耗，能安全可靠地驅(qū)動(dòng)IGBT電路。由驅(qū)動(dòng)芯片的另兩個(gè)管腳構(gòu)成對(duì)開關(guān)器件發(fā)射極電壓不變的電路，如圖4所示， 用于驅(qū)動(dòng)BOOST電路和BOOST-BUCK電路以及橋式電路下管。圖4與圖2稍有不同，即1號(hào)引腳LO通過(guò)10 Ω電阻連接至IGBT柵極，發(fā)射極接地即可。搭建BUCK降壓主電路電路，如圖5所示。電源與電感2mH電容IOuF和地連接，二極管自下而上與地和發(fā)射極連接，負(fù)載電阻并聯(lián)在電容兩端，阻值為50 Ω。20V電源通過(guò)開關(guān)管依次與電感，電容和地連接，二極管自下而上連接與地和開關(guān)管發(fā)射極，負(fù)載電阻并聯(lián)在電容兩端，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，二極管截止，電源通過(guò)電感給電容充電；當(dāng)開關(guān)管截止，二極管導(dǎo)通，電感電流通過(guò)二極管續(xù)流，電容放電。使用萬(wàn)用表測(cè)試電路連接是否正確，電子器件是否正常，確認(rèn)一切正常后進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電路設(shè)置。選擇所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，頻率及占空比，一般可以先選擇較大的占空比，保證電路工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)，電流較穩(wěn)定。實(shí)例中選擇頻率為ΙΟΚΗζ，占空比為50%的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使用示波器測(cè)試其輸出波形并記錄其波形圖如圖6所示，可見該觸發(fā)電路產(chǎn)生的信號(hào)波形穩(wěn)定，波形標(biāo)準(zhǔn)，上下升沿小于lus，高電平為5V，低電平為0V。當(dāng)電路較大時(shí)，各電路之間常會(huì)相互影響，所以通過(guò)一些方式進(jìn)行隔絕可以確保電路穩(wěn)定。如圖1所示將驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)光電耦合器，通過(guò)光電耦合，將信號(hào)產(chǎn)生電路和驅(qū)動(dòng)電路隔離，可以避免后續(xù)電路對(duì)信號(hào)電路的影響。確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。而且通過(guò)光耦電路還可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行升降壓，如圖7所示，信號(hào)由原來(lái)的高電平為5V上升為15V，通過(guò)調(diào)節(jié)光電耦合器的電源電壓可以方便的改變其信號(hào)電平。調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)芯片供電電源大小可以調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓大小，選擇驅(qū)動(dòng)電壓為15V，保證驅(qū)動(dòng)引腳到IGBT的柵極的距離盡量小，使用示波器測(cè)試觸發(fā)信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖7所示，對(duì)比這兩種信號(hào)可知，驅(qū)動(dòng)信號(hào)高電平為15V，低電平為0V，滿足驅(qū)動(dòng)要求，信號(hào)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)同相。綜合考慮IGBT開關(guān)時(shí)間及開關(guān)損耗，選取柵極電阻為10Ω，將觸發(fā)端7號(hào)引腳通過(guò)柵極電阻與IGBT的柵極連接，將IGBT的發(fā)射極與5號(hào)端Vs相連，使用萬(wàn)用表確認(rèn)其連接順暢，保證電路可靠連接。運(yùn)行信號(hào)電路，檢測(cè)驅(qū)動(dòng)端電壓是否正常，再加載主電路電源。測(cè)試BUCK電路電感電流，波形如圖8所示，電感電流持續(xù)穩(wěn)定，沒有跳變，電路工
作穩(wěn)定。當(dāng)電感電流在開關(guān)管導(dǎo)通和截止過(guò)程中保持連續(xù)時(shí)，負(fù)載端電壓為Vout = VsXD其中V。ut為負(fù)載端電壓，Vs為電源電壓，D為占空比。測(cè)試其負(fù)載電壓如圖9所示，負(fù)載電壓穩(wěn)定。BUCK電路在占空比為50%時(shí)，電源電壓為20V，降壓后負(fù)載電壓約為10V，符合電路原理V。ut=Vin*D。10V=20V*0. 5。本實(shí)用新型的電路將信號(hào)產(chǎn)生電路和驅(qū)動(dòng)電路結(jié)合在一起，并考慮兩者相互干擾的問(wèn)題，通過(guò)光電耦合進(jìn)行隔離，信號(hào)頻率和占空比可選擇，驅(qū)動(dòng)電路可以驅(qū)動(dòng)各種開關(guān)電路，對(duì)研究及運(yùn)用開關(guān)電路有較大的幫助。整體電路緊湊，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用，工作穩(wěn)定，可運(yùn)用各種中小功率變換裝置中；而且驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以連接到多個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)增加驅(qū)動(dòng)電路，本電路可同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)開關(guān)管。
權(quán)利要求1.多功能電子開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于，該電路由觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生電路、光電耦合電路和驅(qū)動(dòng)電路三部分組成，所述觸發(fā)信號(hào)采用數(shù)字芯片電路產(chǎn)生頻率和占空比可調(diào)的信號(hào)； 所述光電耦合電路將觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生電路和驅(qū)動(dòng)電路隔離，驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)光電耦合電路的隔離傳輸至驅(qū)動(dòng)電路；所述驅(qū)動(dòng)電路中，由驅(qū)動(dòng)芯片、肖恩特二極管和電容組成自舉電路，對(duì)開關(guān)器件發(fā)射極電壓浮動(dòng)或恒定的開關(guān)電路能夠穩(wěn)定觸發(fā)。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種用于驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件(例如IGBT)的集成驅(qū)動(dòng)電路，電路由觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生電路、光電耦合電路和驅(qū)動(dòng)電路三部分構(gòu)成，觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生電路可以通過(guò)設(shè)置而產(chǎn)生多種頻率、多種占空比的觸發(fā)信號(hào)；觸發(fā)信號(hào)通過(guò)光電耦合電路傳輸至驅(qū)動(dòng)電路，確保了電路系統(tǒng)的穩(wěn)定；驅(qū)動(dòng)電路可以驅(qū)動(dòng)各種變換裝置中的電子開關(guān)器件，對(duì)于開關(guān)器件發(fā)射極電壓浮動(dòng)的電路(例如BUCK電路)，采用肖恩特二極管和電容構(gòu)成自舉電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。本實(shí)用新型將觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生電路與驅(qū)動(dòng)電路結(jié)合為一體，利用耦合電路進(jìn)行隔離，提高整個(gè)系統(tǒng)抗干擾能力，可用于觸發(fā)各種變換裝置中的開關(guān)器件，使用方便，安全可靠。
文檔編號(hào)H03K17/567GK202309658SQ20112044709
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月14日
發(fā)明者孫頻東, 褚鵬超, 鄭玉蓮 申請(qǐng)人:南京師范大學(xué)