一種雙路輸出的igbt驅動模塊及其電路板的製作方法

2023-05-11 20:23:16 1

專利名稱：一種雙路輸出的igbt驅動模塊及其電路板的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種雙路輸出的IGBT驅動模塊及其電路板。
背景技術：
在電力電子系統中，除了功率模塊，另外一個關鍵部件就是IGBT驅動電路，它是模塊和數字晶片DSP之間非常重要的接口電路，其功能就是將來自DSP的信號轉換成具有足夠功率的驅動信號，來保證IGBT安全的開通與關斷，而且為DSP和模塊之間提供電氣隔離，為了在系統出現故障時IGBT得到正確和有效的保護，驅動電路還要提供相應的保護功倉泛。IGBT是MOSFET與雙極電晶體的複合器件。它既有MOSFET易驅動的特點，又具有功率電晶體電壓、電流容量大等優點。其頻率特性介於MOSFET與功率電晶體之間，可正常工作於幾十kHz頻率範圍內，故在較高頻率的大、中功率應用中佔據了主導地位。由於絕緣柵雙極電晶體具有較高的電流容量、電壓控制，導通損耗小等特性。近年來在各種功率變換器中應用廣泛。IGBT的安全工作區和開關特性隨驅動電路的改變而變化，為了保證IGBT可靠工作，驅動保護電路至關重要。對驅動電路的技術要求是:驅動能力強；輸入輸出延遲時間短；雙電源供電，提供可靠關斷；輸入輸出電氣隔離強度高；可靠的過載過流保護。目前，生產驅動與保護功能一體的IGBT專用的驅動模塊的主要代表有西門康的SKH系列。CONCEPT生產的2SD系列。它們所共有的一些技術特點:雙路脈衝互鎖功能；抑制窄脈衝功能；死區時間設定功能。驅動信號的變壓器隔離傳輸方式。但變壓器隔離的隔離電壓較高，延遲較小，但體積較大，價格昂貴。
發明內容本實用新型的目的在於為解決以上不足，提供一種體積小、電路構成簡單的雙路輸出的IGBT驅動模塊及其電路板。本實用新型所採用的技術如下:一種雙路輸出的IGBT驅動模塊，包括兩個門極驅動光耦ACPL-332J晶片、邏輯控制電路、DC/DC供電單元和兩個功率放大單元，外部輸入連接邏輯控制電路，邏輯控制電路輸出分別連接兩個門極驅動光耦ACPL-332J晶片，每個門極驅動光耦ACPL-332J晶片連接一個功率放大單元，兩個門極驅動光耦ACPL-332J晶片、邏輯控制電路和兩個功率放大單元均連接DC/DC供電單元。本實用新型還具有如下特徵:1、一種雙路輸出的IGBT驅動模塊電路板，還包括如上所述的一種雙路輸出的IGBT驅動模塊，該驅動模塊印製在電路板PCB上，DC/DC供電單元位於該驅動模塊的中間，兩個門極驅動光耦ACPL-332J晶片分別位於DC/DC供電單元的上下兩側，邏輯控制電路位於DC/DC供電單元的原邊側，兩個功率放大單元位於DC/DC供電單元的副邊側。[0011]2、所述的兩路功率放大單元之間的電路板PCB上開有U型槽。本實用新型的有益效果在於利用ACPL-332J晶片的光耦傳輸體積小優點，擯棄了體積大、造價昂貴的信號傳輸變壓器。集成了全面的IGBT保護功能，簡化了外圍電路設計。縮小了電路板的面積。因此本驅動模塊具有技術成熟，結構簡單，體積小巧，電氣性能安全，價格低廉的特點。

圖1是門極驅動光耦ACPL-332J晶片的內部原理框圖；圖2是門極驅動光耦ACPL-332J晶片的外部引腳圖；圖3是驅動模塊原理框圖；圖4是驅動模塊電路板結構圖；圖5是驅動電路工作和保護原理圖；圖6是電壓轉換電路原理圖；圖7是DC/DC供電單元原理圖；圖8是PWM互鎖電路圖。
具體實施方式
以下結合附圖對舉例本實用新型作進一步的說明:實施例1:如圖3所示，一種雙路輸出的IGBT驅動模塊，包括兩個門極驅動光耦ACPL-332J晶片1-1.1-2、邏輯控制電路2、DC/DC供電單元3和兩個功率放大單元4-1.4-2，外部輸入連接邏輯控制電路2，邏輯控制電路2輸出分別連接兩個門極驅動光耦ACPL-332J晶片1-1.1-2，每個門極驅動光耦ACPL-332J晶片連接一個功率放大單元，兩個門極驅動光耦ACPL-332J晶片1-1.1_2、邏輯控制電路2和兩個功率放大單元4-1.4_2均連接DC/DC供電單元3。實施例2:如圖4所示，一種雙路輸出的IGBT驅動模塊電路板，還包括如上所述的一種雙路輸出的IGBT驅動模塊，該驅動模塊印製在電路板PCB上，電路板上的布局為DC/DC供電單元3位於該驅動模塊的中間，兩個門極驅動光耦ACPL-332J晶片1-1.1-2分別位於DC/DC供電單元3的上下兩側，邏輯控制電路2位於DC/DC供電單元3的原邊側，兩個功率放大單元4-1.4-2位於DC/DC供電單元3的副邊側。所述的兩路功率放大單元之間的電路板PCB上開有U型槽5。實施例3:結合圖1和圖2，本實用新型採用的門極驅動光耦ACPL-332J，選擇光耦作為門極驅動器時，最關鍵的參數是其所能提供的最小的Iffl(高電平輸出電流)和ItJ低電平輸出電流)，尤其是最小的1% ;其次是它的傳輸延遲和共模抑制能力。信號隔離的功能很大程度上取決於輸入與輸出之間的耦合電容和監測電路的設計，一般使用共模抑制這個參數來定義和量化信號隔離的能力。對高速門極驅動器要求為< 0.8 μ S，tPHL ≤ 0.8 μ S，共模抑制能力為:CMR≥IOkV/μ s，Vcm= IkV0 ACPL-332J能滿足這些要求，其相關參數峰值輸出電流最大為2.5A，最小為2.0A ;傳輸延遲最大為250ms，脈寬失真最大為100ns;在VCT=1500V時，共模抑制能力最小為15kV/ μ S。結合圖1-圖2，兩路輸入信號首先進入邏輯控制部分經施密特電路整形，然後進入邏輯控制電路完成邏輯互鎖，產生死區時間後進入兩個門極驅動光耦ACPL-332J晶片，最後經功率放大部分驅動IGBT。邏輯控制電路還可以完成兩路信號的單獨控制或者半橋模式控制。故障信號通過兩個門極驅動光耦ACPL-332J晶片向控制電路發送故障信號。布局特徵是DC/DC供電單元的中的變壓器位於驅動模塊的中間，兩片兩個門極驅動光耦ACPL-332J晶片位於變壓器的兩側。邏輯處理電路位於變壓器的原邊側，功率放大電路位於變壓器的副邊側。在兩路功率放大電路中的電路板打長條孔，在變壓器的原邊與副邊之間打長條孔，即在兩路功率放大部分之間的電路板(PCB)上開的U型槽。圖5所示為在實際工作中所設計的逆變器驅動部分電路。系統正常工作時，Vtot受光耦驅動電流的控制，ACPL-332J原邊典型的驅動電流為8-12mA，同時檢測IGBT的Vra值。此時。Fault腳輸出高電平；如果有短路或者很大的電流流過IGBT的情況，IGBT就會進入欠飽和模式，Vra電壓迅速上升。當DESAT腳檢測到Vce電壓值高於6.5V時，Vtm逐漸變為低電平，開始軟關斷IGBT，以防止di/dt導致的高壓；同時，觸發光耦內部的反饋通道，使Fault輸出拉低，通知DSP封鎖PWM輸出。IGBT關斷期間，C29放電，故障監測電路置為無效，以避免產生錯誤的故障信號。一旦監測到故障狀態，Vtot禁用5 μ S，在禁用期間，忽略所有輸入的驅動信號，使驅動能徹底地軟關斷IGBT，禁用時間過了之後，原邊輸入驅動信號再次變為高電平，使故障監測電路
重新有效。欠飽和監測和過電流保護:IGBT的欠飽和源於兩個方面:一是驅動器的性能差，導致門極驅動信號功率不足；二是驅動電源的功率不足。在ACPL-332J中採用的故障監測策略是監測IGBT的飽和壓降，如果集電極電壓超過了預設的閥值，光耦就會觸發軟關斷時序，在IGBT中耗散能量達 到破壞性的水平之前，IGBT徹底關斷。在IGBT關斷期間，光耦的Fault監測電路禁用，以防止誤觸發信號的產生。ACPL-332J通過監測\^值，不僅能限制模塊的功耗，而且能用在門極驅動電壓不足的情況下，因此，沒有必要過分保守的設定IGBT的過流閥值。消隱時間:緊隨著IGBT的導通，DESAT故障監測電路屏蔽一小段時間，以允許集電極電壓將DESAT閥值至以下，這個時間為DESAT消隱時間。它由DESAT內部充電電流Icbc,
V
DESAT 電壓閥值 Vdesat 和外部電容 CBlMK 控制，即 tBLANK = Cblank.，t_K=2.7 μ s。當
ICHC
IGBT開通時，如果DESAT電壓超過了閥值Vdesat,只有在消隱時間過後，DESAT故障監測電路的保護功能才有效。C29=IOOpFt5欠壓鎖定功能:ACPL_332J的欠壓鎖定特性是為防止IGBT門極驅動電壓不足而設計的。IGBT所需的典型門極電壓為15V。當門極電壓低於13V時，Vra值急劇增大，特別是在大電流的時候，當門極電壓低於IOV時。IGBT工作在線性區，這將導致模塊的功耗急劇增大，晶片上電後，當IGBT門極電壓不足時，ACPL-332J的輸出被強制拉低。如果Vcc2超過
欠壓鎖定正閥值電壓)，欠壓鎖定模塊的嵌位釋放，允許光耦正常工作；如果\C2低於VCTU)_(欠壓鎖定負閥值電壓)，欠壓鎖定模塊工作，使光耦的輸出置低。當Vra達到Vctw+之前，DESAT保護電路已經有效，因此，欠壓鎖定和DESAT故障監測電路是共同工作來保護IGBT的。在實際設計中，Vra=+16V，VK1=-8V，取值與IGBT的門極驅動電壓值、過流保護點等的選擇有關。故障檢測電路中二極體的選型:在大功率的應用場合，由於IGBT續流二極體存在反向恢復時間的問題，反向恢復的尖峰值容易導通光耦的本體二極體，使DESAT置低，從而產生錯誤的監測信號。為了避免DESAT的誤觸發，最好使用結電容非常小的超快恢復二極體D2，同時在DESAT和地之間使用齊納二極體ZDl和肖特基二極體Dl。ZDl用來防止過高的瞬態電壓而損壞DESAT腳，Dl阻值光耦的本體二極體正偏。在本設計中，二極體的選型分別為:D1—MBR0504，D2 — BYV26E，ZDl — IN5925A。由於DESAT監測閥值電壓典型值為
6.5V，比較高。本設計採用如下方法來減小這個監測值:高壓二極體串聯穩壓二極體，調整後新的閥值為Vdesat=7-Vf-Vz。圖4是本實施例的元氣件布局結構圖。第一部分是邏輯處理電路1，該電路完成工作模式的選擇，信號的互鎖，死區時間的產生，故障信號的輸出功能。邏輯處理電路通端子外接電平的不同實現兩個IGBT單獨控制模式或者半橋控制模式。在單獨控制模式下，兩路輸入信號分別控制兩路輸出。在半橋控制模式下，由一路輸入信號產生互為反相的控制信號。另一路輸入信號作為上一路的輸入信號的使能控制。第二部分是ACPL-332J集成電路2，分別驅動兩路IGBT模塊，完成IGBT驅動過程中的保護及信號的傳輸，提供了欠壓鎖定保護，過載過流保護，故障軟關斷功能。實現輸入信號與輸出驅動信號的隔離。第三部分是DC/DC電源供電單元3，為電路的其它部分提供隔離電源，特別是兩路IGBT驅動之間，邏輯控制電路與功率放大部分之間的電氣隔離。第四部分是功率放大單元4，上下兩部分電路相同。第五部分是在兩路功率放大部分之間的電路板(PCB)上開的U型槽5，加強兩路功率放大部分的電氣安全性能。圖6是是電源轉換電路，將15V直流電通過MC7805ABD2TR4G轉換晶片變為5V直流電壓。圖7是DC/DC供電單元部分，通過NE555L晶片將15V作為變壓器原邊隔離電壓，然後通過兩組變壓器隔離後變為+17V和-1OV電壓，分別為上下橋臂的IGBT驅動電路ACPL-332J提供安全工作電壓。圖8是PWM互鎖電路，將DSP發出的PWM分為兩路分別供給半橋IGBT的上下橋臂，將兩路PWM信號通過互鎖電路防止上下橋臂同時導通，起到保護作用。本實用新型採用Avago公司的門極驅動光耦ACPL-332J，是一個具有2.5A輸出電流驅動能力，易於使用的智能門驅動器，它使IGBT的Vra保護更加簡潔。它集成了很多功能模塊，如Vra檢測、欠壓鎖定、IGBT軟關斷、隔離的集電極開路故障反饋、有源米勒嵌位，這給設計提供了很大的靈活度。所使用的ACPL-332J晶片直接使用CUASP LED驅動，直接耦合到功率輸出級，省去了緩衝器；更低的傳輸延遲，在整個溫度範圍內，最大傳輸延遲時間為250ns ;更低的脈寬失真，最大的脈寬失真為IOOns ;集成了有源米勒嵌位功能管腳布局；傳輸延遲時間短大大增強系統的動態響應；有源米勒嵌位抑制寄生導通現象發生。
權利要求1.一種雙路輸出的IGBT驅動模塊，包括兩個門極驅動光耦ACPL-332J晶片、邏輯控制電路、DC/DC供電單元和兩個功率放大單元，其特徵在於:外部輸入連接邏輯控制電路，邏輯控制電路輸出分別連接兩個門極驅動光耦ACPL-332J晶片，每個門極驅動光耦ACPL-332J晶片連接一個功率放大單元，兩個門極驅動光耦ACPL-332J晶片、邏輯控制電路和兩個功率放大單元均連接DC/DC供電單元。
2.一種雙路輸出的IGBT驅動模塊電路板，其特徵在於:還包括如權利要求1所述的一種雙路輸出的IGBT驅動模塊，該驅動模塊印製在電路板PCB上，DC/DC供電單元位於該驅動模塊的中間，兩個門極驅動光耦ACPL-332J晶片分別位於DC/DC供電單元的上下兩側，邏輯控制電路位於DC/DC供電單元的原邊側，兩個功率放大單元位於DC/DC供電單元的副邊側。
3.根據權利要求2所述的一種雙路輸出的IGBT驅動模塊電路板，其特徵在於:所述的兩路功率放大單元之間的電路板PCB上開有U型槽。
專利摘要本實用新型涉及一種雙路輸出的IGBT驅動模塊及其電路板。雙路輸出的IGBT驅動模塊包括兩個門極驅動光耦ACPL-332J晶片、邏輯控制電路、DC/DC供電單元和兩個功率放大單元，外部輸入連接邏輯控制電路，邏輯控制電路輸出分別連接兩個門極驅動光耦ACPL-332J晶片，每個門極驅動光耦ACPL-332J晶片連接一個功率放大單元。一種雙路輸出的IGBT驅動模塊電路板，還包括如上所述的一種雙路輸出的IGBT驅動模塊，該驅動模塊印製在電路板PCB上。本實用新型集成了全面的IGBT保護功能，具有結構簡單，體積小巧，電氣性能安全，價格低廉的特點。
文檔編號H02M1/092GK203014660SQ201220669618
公開日2013年6月19日 申請日期2012年12月7日 優先權日2012年12月7日
發明者周家琪, 劉志強, 何秀成, 張哲 申請人:哈爾濱九洲電氣股份有限公司