IGBT驱动电路的制作方法

igbt驱动电路
技术领域
1.本发明属于电子技术应用领域，具体涉及igbt驱动电路。


背景技术：

2.igbt模块是国际上公认的第三次革命具有代表性的电力电子技术产品，从80年代末开始工业化应用以来发展迅速，已广泛应用于工业、航空航天、国防军工等传统产业领域，以及轨道交通、新能源、智能电网、新能源汽车等新兴产业领域。现有技术中经常使用igbt模块替代晶闸管等功率元件用于设备电气改造，在实际应用中，最重要的一个问题是合理设计栅极驱动电路，设计栅极驱动电路往往要考虑以下几点：
3.1、栅极正偏压使其导通，当正偏压增加时，会使igbt模块开通的时间缩短，通态压降下降，但是正偏压也不能太高，否则会影响使用的安全性，所以通常选择 15v。
4.2、栅极负偏压使其关断，这个负偏压直接关系到igbt模块运行的可靠性，在igbt模块关断的瞬间，集电极和发射极之间会产生很高的脉冲上升电压，很容易使igbt发生失控甚至击穿现象，为了避免igbt模块出现这种失误，必须在栅极加负偏压，现有技术中通常选择-5v。
5.3、栅极电阻rg的作用是为了改善控制波形的前后沿陡度和防止振荡，减少集电极电流上升di/dt。按照igbt模块的电流容量和电压额定值及开关频率的不同，选择匹配的rg阻值，一般选择rg的阻值在十几欧姆到几百欧姆之间。
6.目前常用的igbt栅极驱动电路，如图1所示，是一种专用驱动模块，型号为exb841，它的最大开关频率为40千赫兹，使用20v直流电源，分成 15v开通及-5v关断。但是在工厂环境下，这个驱动电路的可靠性不高。原因主要是因为工厂中容易受到干扰，导致电源波形畸形，导致-5v的关断电压不能可靠的关断模块，最终导致由igbt模块构成的h型桥式电路短路损坏。


技术实现要素：

7.本发明的目的是针对现有技术中工厂中环境复杂，电源波形容易产生畸形导致驱动电路不能有效驱动关闭igbt的问题提出一种igbt驱动电路，有效提高电路抗干扰性能，确保igbt模块在工厂环境下，长时间可靠运行，减少设备故障停机。
8.本发明解决上述技术问题，采用的技术方案是，igbt驱动电路，包括控制信号输入端、反馈信号输出端、igbt、电源模块及驱动模块，所述驱动模块包括隔离模块、过电流检测模块、推挽电路以及低速过电流切断模块；所述控制信号输入端、反馈信号输出端分别与隔离模块连接；所述括隔离模块分别与过电流检测模块、推挽电路以及低速过电流切断模块连接；所述过电流检测模块分别与低速过电流切断模块以及igbt连接；所述低速过电流切断模块分别与推挽电路以及igbt连接；所述推挽电路与igbt连接；
9.所述电源模块被配置为：为驱动模块提供 24v直流电压；
10.所述驱动模块被配置为，将 24v直流电压分成 15v的栅极正偏压和-9v的栅极负
偏压，从而驱动igbt；
11.所述隔离模块被配置为：隔离交流电压；接收控制信号对其进行处理后，向过电流检测模块提第一供控制信号；输出反馈信号；
12.所述过电流检测模块被配置为：接收第一供控制信号，检测电路中的过电流信号；
13.所述推挽电路被配置为：为igbt提供控制信号；
14.所述低速过电流切断模块被配置为：检测流过igbt的电流，当其超过预设值时，慢速关断igbt；
15.所述隔离模块包括第一光耦器件tlp550、第二光耦器件cg1、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9、第六三极管t6、第四电容c4及第十五电容c15；所述第一光耦器件tlp550的第一端口及第二端口分别与控制信号输入端连接，用于接收控制信号；第一光耦器件tlp550的第三端口与第六电阻r6的一端连接，第一光耦器件tlp550的第四端口与低速过电流切断模块连接，第一光耦器件tlp550的第五端口接地；第六电阻r6的另一端分别与第四电容c4的一端、第六三极管t6的基极、第七电阻r7的一端以及推挽电路连接；第七电阻r7的另一端以及第八电阻r8的一端分别与电源模块连接；第八电阻r8的另一端分别与第九电阻r9的一端、第六三极管t6的集电极、第十五电容c15的一端连接；第十五电容c15的另一端、第六三极管t6的发射极以及第四电容c4的另一端分别接地；第九电阻r9的另一端与过电流检测模块连接；过电流检测模块分别与第二光耦器件cg1的第一端口及第二端口连接；第二光耦器件cg1的第三端口与第四端口分别与反馈信号输出端连接，用于输出反馈信号。
16.在本发明实施例中，所述过电流检测模块包括第一电阻r1、第二电阻r2、第十电阻r10、第十二电阻r12、第八二极管d8、第二稳压二极管wy2、第五三极管t5以及第十六电容c16；所述第十二电阻r12的一端通过第八二极管d8与igbt连接，第十二电阻r12的另一端分别与第九电阻r9的另一端以及第二稳压二极管wy2的阴极连接；第二稳压二极管wy2的阳极分别与第十六电容c16的一端、第十电阻r10的一端以及第五三极管t5的基极连接；所述第十六电容c16的另一端、第十电阻r10的另一端以及第五三极管t5的发射极接地；所述第五三极管t5的集电极分别与第二电阻r2的一端以及第二光耦器件cg1的第二端口连接，第二电阻r2的另一端与低速过电流切断模块连接；第一电阻r1的一端与电源模块连接，第一电阻r1的另一端与第二光耦器件cg1的第一端口连接。
17.在本发明实施例中，所述推挽电路包括第五电阻r5、第二三极管t2、第三三极管t3、第四三极管t4、第一功率三极管tip41、第二功率三极管tip42以及栅极电阻rg1；所述第五电阻r5的一端、第三三极管t3的集电极以及第一功率三极管tip41的集电极分别与电源模块连接；所述第五电阻r5的另一端分别与第三三极管t3的基极、第四三极管t4的集电极、第二三极管t2的基极以及低速过电流切断模块连接；第四三极管t4的基极与第六电阻r6的另一端连接；第四三极管t4的发射极接地；第三三极管t3的发射极与第一功率三极管tip41的基极连接，第一功率三极管tip41的发射极分别与栅极电阻rg1的一端、第二功率三极管tip42的发射极以及低速过电流切断模块连接；第二功率三极管tip42的基极与第二三极管t2的发射极连接；第二功率三极管tip42的集电极与第二三极管t2的集电极分别接地；栅极电阻rg1的另一端与igbt连接。
18.在本发明实施例中，所述低速过电流切断模块包括第三电阻r3、第四电阻r4、第十
一电阻r11、第五二极管d5、第六二极管d6、第七二极管d7、第一稳压二极管wy1、第三电容c3、第五电容c5以及第十四电容c14；所述第三电阻r3的一端与第四电阻r4的一端分别与电源模块连接，第三电阻r3的另一端分别与第二电阻r2的另一端、第五二极管d5的阴极以及第十四电容c14的一端连接，第十四电容c14的另一端接地；第五二极管d5的阳极与第五电阻r5的另一端连接；第四电阻r4的另一端分别与第一光耦器件tlp550的第四端口、第一稳压二极管wy1的阴极、第五电容c5的一端、第三电容c3的一端、第六二极管d6的阴极、第七二极管d7的阳极以及igbt的发射极连接；第一稳压二极管wy1的阳极、第五电容c5的另一端以及第三电容c3的另一端分别接地；第六二极管d6的阳极分别与第七二极管d7的阴极以及第十一电阻r11的一端连接；第十一电阻r11的另一端与栅极电阻rg1的一端连接。
19.在本发明实施例中，所述电源模块包括交流电输入端口、第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管d4、第一电容c1、第二电容c2、稳压模块以及直流电输出端口；所述交流电输入端口分别与第一二极管d1的阳极、第二二极管d2的阳极、第三二极管d3的阴极以及第四二极管d4的阴极连接；所述第一二极管d1的阴极以及第二二极管d2的阴极分别与第一电容c1的一端以及稳压模块的输入端连接；稳压模块的输出端分别与第二电容c2的一端以及直流电输出端口连接，直流电输出端口输出 24v直流电压为驱动电路供电；第三二极管d3的阳极、第四二极管d4的阳极、第一电容c1的另一端、第二电容c2的另一端以及稳压模块的gnd端分别接地。
20.在本发明实施例中，所述栅极电阻rg1取值15ω。
21.在本发明实施例中，所述驱动模块至少为一个且与igbt数量一一对应。
22.在本发明实施例中，所述驱动模块与电源模块设置于同一电路版上。
23.本发明的有益效果在于，本发明igbt驱动电路将直流24v电压分成 15v的栅极的正偏压和-9v的栅极的负偏压，以保证igbt模块的可靠工作。电路设计有隔离模块具有信号隔离功能可以有效隔离交流2500v的电压，能用在以igbt模块为主控制器件的380v机床上。设计有过电流检测模块能及时检测出电路中的过电流信号。具有低速过电流切断功能：若发现流过igbt的电流超过设定值时，这个电路功能可以慢速关断igbt模块，避免igbt过快关断导致击穿。
附图说明
24.图1为本发明背景技术中专用驱动模块应用电路。
25.图2为本发实施例中igbt驱动电路结构模块图。
26.图3为本发明实施例驱动模块电路图。
27.图4为图3中隔离模块示意图。
28.图5为图3中过电流检测模块示意图。
29.图6为图3中推挽电路示意图。
30.图7为图3中低速过电流切断模块示意图。
31.图8为本发明实施例电源模块示意图。
具体实施方式
32.本发明针对现有技术中工厂中环境复杂，电源波形容易产生畸形导致驱动电路不
能有效驱动关闭igbt的问题提出一种igbt驱动电路，如图2所示，包括控制信号输入端、反馈信号输出端、igbt、电源模块及驱动模块，所述驱动模块包括隔离模块、过电流检测模块、推挽电路以及低速过电流切断模块；所述控制信号输入端、反馈信号输出端分别与隔离模块连接；所述括隔离模块分别与过电流检测模块、推挽电路以及低速过电流切断模块连接；所述过电流检测模块分别与低速过电流切断模块以及igbt连接；所述低速过电流切断模块分别与推挽电路以及igbt连接；所述推挽电路与igbt连接；所述电源模块被配置为：为驱动模块提供 24v直流电压；所述驱动模块被配置为，将 24v直流电压分成 15v的栅极正偏压和-9v的栅极负偏压，从而驱动igbt；所述隔离模块被配置为：隔离交流电压；接收控制信号对其进行处理后，向过电流检测模块提第一供控制信号；输出反馈信号；所述过电流检测模块被配置为：接收第一供控制信号，检测电路中的过电流信号；所述推挽电路被配置为：为igbt提供控制信号；所述低速过电流切断模块被配置为：检测流过igbt的电流，当其超过预设值时，慢速关断igbt。该电路有效提高电路抗干扰性能，确保igbt模块在工厂环境下，长时间可靠运行，减少设备故障停机。
33.在本例中驱动模块电路图，如图3所示，为了进一步说明每部分电路的作用，下面按照模块划分对驱动模块进行具体描述。
34.隔离模块，如图4所示，包括第一光耦器件tlp550、第二光耦器件cg1型号为p521-1、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9、第六三极管t6、第四电容c4及第十五电容c15；所述第一光耦器件tlp550的第一端口及第二端口分别与控制信号输入端连接，用于接收控制信号；第一光耦器件tlp550的第三端口与第六电阻r6的一端连接，第一光耦器件tlp550的第四端口与低速过电流切断模块连接，第一光耦器件tlp550的第五端口接地；第六电阻r6的另一端分别与第四电容c4的一端、第六三极管t6的基极、第七电阻r7的一端以及推挽电路连接；第七电阻r7的另一端以及第八电阻r8的一端分别与电源模块连接；第八电阻r8的另一端分别与第九电阻r9的一端、第六三极管t6的集电极、第十五电容c15的一端连接；第十五电容c15的另一端、第六三极管t6的发射极以及第四电容c4的另一端分别接地；第九电阻r9的另一端与过电流检测模块连接；过电流检测模块分别与第二光耦器件cg1的第一端口及第二端口连接；第二光耦器件cg1的第三端口与第四端口分别与反馈信号输出端连接，用于输出反馈信号。
35.隔离模块中设置光耦器件,具有信号隔离功能，可以隔离交流2500v的电压，所以能用在以igbt模块为主控制器件的380v机床上。
36.过电流检测模块，如图5所示，包括第一电阻r1、第二电阻r2、第十电阻r10、第十二电阻r12、第八二极管d8、第二稳压二极管wy2、第五三极管t5以及第十六电容c16；所述第十二电阻r12的一端通过第八二极管d8与igbt连接，第十二电阻r12的另一端分别与第九电阻r9的另一端以及第二稳压二极管wy2的阴极连接；第二稳压二极管wy2的阳极分别与第十六电容c16的一端、第十电阻r10的一端以及第五三极管t5的基极连接；所述第十六电容c16的另一端、第十电阻r10的另一端以及第五三极管t5的发射极接地；所述第五三极管t5的集电极分别与第二电阻r2的一端以及第二光耦器件cg1的第二端口连接，第二电阻r2的另一端与低速过电流切断模块连接；第一电阻r1的一端与电源模块连接，第一电阻r1的另一端与第二光耦器件cg1的第一端口连接。
37.过电流检测模块具有过电流检测功能，能及时检测出电路中的过电流信号，并给
与反馈信息。当发生过电流状况时，过电流信号经由快恢复第八二极管d8、第十二电阻r12等，使得第五三极管t5导通，从而使得隔离模块中第二光耦器件cg1导通，反馈过电流信号经由反馈信号输出端口输出，同时封锁第一光耦器件tlp550的控制信号的输入。同时，第五三极管t5导通还能促使第二三极管t2的导通，此时可经由栅极电阻rg1向igbt提供-9v的负偏压使其关断，保证了igbt的安全状态。-9v的负偏压可以对抗工厂环境中电源波形畸变。
38.推挽电路，如图6所示，包括第五电阻r5、第二三极管t2、第三三极管t3、第四三极管t4、第一功率三极管tip41、第二功率三极管tip42以及栅极电阻rg1；所述第五电阻r5的一端、第三三极管t3的集电极以及第一功率三极管tip41的集电极分别与电源模块连接；所述第五电阻r5的另一端分别与第三三极管t3的基极、第四三极管t4的集电极、第二三极管t2的基极以及低速过电流切断模块连接；第四三极管t4的基极与第六电阻r6的另一端连接；第四三极管t4的发射极接地；第三三极管t3的发射极与第一功率三极管tip41的基极连接，第一功率三极管tip41的发射极分别与栅极电阻rg1的一端、第二功率三极管tip42的发射极以及低速过电流切断模块连接；第二功率三极管tip42的基极与第二三极管t2的发射极连接；第二功率三极管tip42的集电极与第二三极管t2的集电极分别接地；栅极电阻rg1的另一端与igbt连接。
39.控制信号经由光耦tlp550到第四三极管t4，再经由第三三极管t3、第二三极管t2；第三三极管t3饱和导通时，经栅极电阻rg1向igbt提供 15v电压，使其导通。第二三极管t2饱和导通时，经栅极电阻rg1向igbt提供-9v的负偏压使其关断。第三三极管t3、第二三极管t2交替开关控制igbt模块开关。
40.栅极电阻rg1的取值时十分重要的，既要考虑igbt模块的集电极上会产生的较大电压尖脉冲，还要考虑响应速度；经大量验证，本例栅极电阻rg1的取值为15ω较为适宜。
41.低速过电流切断模块，如图7所示，包括第三电阻r3、第四电阻r4、第十一电阻r11、第五二极管d5、第六二极管d6、第七二极管d7、第一稳压二极管wy1、第三电容c3、第五电容c5以及第十四电容c14；所述第三电阻r3的一端与第四电阻r4的一端分别与电源模块连接，第三电阻r3的另一端分别与第二电阻r2的另一端、第五二极管d5的阴极以及第十四电容c14的一端连接，第十四电容c14的另一端接地；第五二极管d5的阳极与第五电阻r5的另一端连接；第四电阻r4的另一端分别与第一光耦器件tlp550的第四端口、第一稳压二极管wy1的阴极、第五电容c5的一端、第三电容c3的一端、第六二极管d6的阴极、第七二极管d7的阳极以及igbt的发射极连接；第一稳压二极管wy1的阳极、第五电容c5的另一端以及第三电容c3的另一端分别接地；第六二极管d6的阳极分别与第七二极管d7的阴极以及第十一电阻r11的一端连接；第十一电阻r11的另一端与栅极电阻rg1的一端连接。
42.该模块具有低速过电流切断功能，若发现流过igbt的电流超过设定值时，该模块可以慢速关断igbt模块，避免因电路中电感的存在，igbt过快关断在集电极上产生非常高的电压尖脉冲，从而导致击穿。
43.本例中电源模块，如图8所示，包括交流电输入端口、第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管d4、第一电容c1、第二电容c2、稳压模块型号为7824以及直流电输出端口；所述交流电输入端口分别与第一二极管d1的阳极、第二二极管d2的阳极、第三二极管d3的阴极以及第四二极管d4的阴极连接；所述第一二极管d1的阴极以及第二二极管d2的阴极分别与第一电容c1的一端以及稳压模块的输入端连接；稳压模块的输出端分别与
第二电容c2的一端以及直流电输出端口连接，直流电输出端口输出 24v直流电压为驱动电路供电；第三二极管d3的阳极、第四二极管d4的阳极、第一电容c1的另一端、第二电容c2的另一端以及稳压模块的gnd端分别接地。由变压器提供的交流电，经电源模块整流滤波稳压后形成24v直流供电，由内部电路分成 15v的栅极的正偏压和-9v的栅极的负偏压，以保证igbt模块的可靠工作。
44.实际应用中，h型桥式电路需要4个igbt器件构成，本例选取150a双igbt模块，模块中有两个igbt单元，并且都反并联了起续流作用的二极管，这样用于h型桥式电路中只需要2个模块，安装接线都很方便。两个模块之间的联线也要尽量短，在模块上要并联一个高耐压小容量的电容，可以吸收igbt关断时产生的尖峰脉冲。4个igbt就要有4组驱动模块，驱动模块应与igbt数量一一对应。将这4组驱动电路及电源模块设计在同一块电路板上，实现集中控制，这样方便igbt栅极接线，也能减少干扰。