研究与开发 一种脉冲变压器隔离的 ＩＧＢＴ驱动电路的设计研究 刘虹伶 刘明宇 （重庆大学，重庆４０００４４）
摘要 本文着重分析了变压器隔离驱动的技术特点，讨论了保护电路的基本要求，给出了一 个具有保护功能的ＩＧＢＴ驱动电路和关键参数设计。分析及试验表明，该驱动电路简单、适用、 可靠。 关键词：ＩＧＢＴ驱动电路；脉冲变压器隔离；短路保护
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａｎ ＩＧＢＴ Ｄｒｉｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｏｒ Ｐｕｌｓｅ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ
ＬｉｕＨｏｎｇｌｉｎｇ Ｌｉｕ Ｍｉｎｇｙｕ （Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００４４）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｄｒｉｖｅ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ．Ａｎ ＩＧＢＴ ｄｒｉｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗｉｔｈ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｋｅｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｔｅｓｔｓ ｐｒｏｖｅ ｔｈｉｓ ｄｒｉｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ，ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＩＧＢＴ ｄｒｉｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ；ｐｕｌｓｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ；ｓｈｏｒｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ
ＩＧＢＴ的驱动电路是ＰＷＭ控制器与ＩＧＢＴ栅极 之间的接口电路，它对系统的功耗和可靠性等方面 有着很大的关联性。目前驱动电路主要采用快速光 耦或变压器来实现隔离的。比之光耦隔离方式，变 压器隔离的电压较高，延迟较小，可以实现较高的 开关频率，并且还具有可靠性高和不存在老化的突 出优点【”。 本文针对变压器边缘耦合方式的结构特点，提 出了一种新型驱动电路，具备占空比传递范围宽、 ＩＧＢＴ短路保护、正负脉冲输出的功能，而且还具有 结构简单可靠的特点。 １ 变压器隔离驱动的技术特点 变压器只能传输交流，如果使用变压器直接传 输大占空比ＰＷＭ信号，初级就必须串联隔直电容， 防止变压器饱和。而变压器次级的输出波形，仍然 满足等伏・秒数原理，当占空比减小时，输出波形会 整体上移，正脉冲幅值升高，必须采用稳压管进行 限幅，导致栅极电阻的附加损耗。而当占空比加大 ９４ ｌ ｌｔｔ￣ＩＨｌｔｔ ２０１７年第３期 时，输出波形会整体下移，正脉冲幅值往往过低， 会出现不能有效驱动的情况。因此变压器直接隔离 驱动主要用于占空比变化不大以及功率不大的场 合。 主流的变压器隔离驱动技术：变压器仅传输 ＰＷＭ的微分脉冲信号，南于微分脉冲信号宽度很 窄，当占空比宽范围变化时，只是微分脉冲的位置 随之变化，伏・秒数几乎不会改变，变压器仅对ＰＷＭ 波的边缘进行耦合，而且几乎不传输能量，因此变 压器的体积很小。所输出的微分脉冲，再借助解调 电路恢复出ＰＷＭ。该方案虽然存在着要为次级回路 提供工作电源以及结构相对复杂的问题，但是具有 隔离电压高以及容易构成大功率驱动器的突出优 点。
２驱动电路设计 ２．１ ＰＷＭ波重构 将ＰＷＭ波的边缘微分脉冲重新转换为ＰＷＭ 波，采用ＲＳ锁存器最为方便。但是存在着当ＰＷＭ 信号占空比为零时，ＲＳ锁存器输出电平不确定的问 题。如果输出的是高电平，则会导致ＩＧＢＴ非正常 导通，必须避免。 为此，本文采用非门构建的施密特触发器来实 现ＰＷＭ波的重构，如图１所示。 ＋ ｃ Ｐ 图１ ＰＷＭ波微分脉冲传输及其重构 脉冲变压器Ｔ的输出是ＰＷＭ的微分脉冲信号， 非门型号选择为７４ＬＳ１４，本身就是施密特结构的， 有确切的阈值电压 一和对应的输入电流 ，Ｔ，因此便于参数计算。 ７４ＬＳ１４的参数表中给出的上述主要参数，列出 了最大值、最小值、典型值，它是集成电路参数分 散性的结果。本文的参数计算，包容这种分散性， 避免对集成电路参数的筛选工作。该电路的关键设 计参数是电阻 、 ：，决定着ＰＷＭ波重构的精度 和可靠性。 １）确定Ｒ２的上限 当ＰＷＭ上跳沿到来时，对应的微分脉冲上跳， 其峰值为Ｖｚ＝＋５Ｖ。当微分脉冲大于Ｉｃ１的 ＋后， ＩＣ２输出高电平％Ｈ。当微分脉冲回零后，必须能够 维持ＩＣ２输出的高电平状态，直到负微分脉冲到来 为止。为此， 必须满足 ≥ 一 （１） 即满足 —ＶｏＨ－－—Ｖａ，Ｔ一≥Ｖａ （２） 为了准确重构ＰＷＭ波： Ｈ取为最小值２．７Ｖ； 一取为最大值１．０Ｖ。如果取Ｒ１＝ｌｋＱ，解得Ｒ２≤ ２．１ｋＱ。 ２）确定 ２的下限 ＰＷＭ下跳沿到来时，对应的微分脉冲下跳，其 理论峰值应为一５Ｖ。而实际情况是：下跳脉冲是充 电的微分电容Ｃ 在脉冲变压器初级放电得到的，因 此下跳脉冲的幅值，会因占空比不同而有所变化。 当占空比较大时， 峰值可达一５Ｖ。而当占空比很 小时，由于正负脉冲出现重叠，微分电容充电不充 分，放电峰值会自动降低，可以降至一２．５～一３．５Ｖ。 因此为了确保最小占空比时，都能重构ＰＷＭ波， 研究与开发 取Ｚ２＝一２．５Ｖ。即在Ｖ２＝一２．５Ｖ的条件下，Ｉｃ２的输出 都能够可靠翻转，则 应该满足： ≤ＶＴ一 （３）
即满足
—ＶｏＨ－－—ＶａＬ．≤—Ｖａ－－—Ｖ２ （４） 曷
Ｈ取为典型值３．４Ｖ； 一取为最小值０．５Ｖ。仍 取Ｒ１＝ｌｋｆ２，解得 ２≥１．３ｋｆ）。因此，综合的结果： Ｒ１＝１ｋＱ时， ２取值在１＿３～２．１ｋＱ之间，故取 ：＝１．５ｋＱ。采用非门构建施密特触发器来实现ＰＷＭ 波的重构，是本文设计的一个重要特点。 ２．２ 电平变换和功率放大器 重构的ＰＷＭ波不能直接驱动ＩＧＢＴ。首先必须 电平变换，将正脉冲提升至１５Ｖ左右，负脉冲由零 降至一５～一１０Ｖ，本文设计取为一１０Ｖ，因此最终输出 的脉冲峰峰值设计为２５Ｖ。该脉冲再经功率放大， 即可用于ＩＧＢＴ的驱动，如图２所示。
ＧＢＴ 图２ 电平变换及功率放大电路 图２中，Ｉｃ 采用高压型集成开路门（如７４０６）， 其输出端许用工作电压可达３０Ｖ，完全满足峰峰值 为２５Ｖ的设计要求。＋１０Ｖ１电源将ＩＧＢＴ的Ｅ极电 位确定为＋１０ｖ，因此ＩＧＢＴ栅极的正脉冲为１５Ｖ， 负冲为一１０Ｖ。功率放大采用射随器，根据ＩＧＢＴ的 容量可以选用一组或多组并联输出。图中为两组射 随器通过电阻Ｒ５、Ｒ６并联输出。 使用高压型集成开路门进行电平变换，射随器 进行功放，具有系统响应速度快、传输延迟小的突 出优点，这是本文设计的另一个突出特点。 ２．３ ＩＧＢＴ保护电路 出现短路故障时，ＩＧＢＴ会流过很大的短路电 流，驱动保护电路的主要功能就是要避免ＩＧＢＴ的 损坏，典型的功能要求是： １）由于ＩＧＢＴ关断的往往是感性电流，因此不 能直接进行强行关断，而应该软关断。 ２）保护动作，通常设定３～６ ｓ允许短路时间，
２０１７ Ｊ￣３ 电｜｜ｌ技术Ｉ ９５ 研究与开发 便于滤除尖峰扰动干扰，避免误动作。 设计的保护电路如图３所示。
图３保护电路 当ＩＧＢＴ工作正常时，ＩＧＢＴ的饱和压降 。较 低，主要由ＩＧＢＴ型号以及实际工作电流决定，如 ２～４ｖ。此时，设计短路检测电路的参数： １、 １４、 Ｒ。 、 １２以及 ０，应使Ｔ１ｏ管饱和，Ｉｃ５则输出低电 平，ＲＳ锁存器的状态仅由ｂ点电位确定。在ＰＷＭ 波的上跳时刻，通过ｂ点使ＲＳ锁存器Ｉｃ 的输出端 置为零，ＩＣ８输出高电平（即ＩＣ８输出开路状态）。 由于ＩＣ３、Ｉｃ８均为开路门，此时ｄ点波形则仅由ＩＣ３ 确定，因此ｄ点波形与ＰＷＭ波形一致，驱动器正 常输出，保护电路不工作。 当出现短路时， 。变高，Ｔ１０管截止，延时电 容Ｃｘ通过 】１放电，在延时３￣６１．ｔｓ的时问后，ＩＣ５ 输出端上跳，ＲＳ锁存器的ＩＣ 输出端被置为１，则 ＩＣ 输出低电平，ｄ点的电位会被Ｉｃ 的输出端通过 Ｃ４下拉，并且是按指数规律下拉，满足缓慢降 压的软保护要求，栅极电压最终会被下拉至 ４ 对＋２５Ｖ的分压。
３ 试验结果 对上述电路进行了试验研究，主要电路参数取 为：Ｒｌ＝ｌｋ￣，Ｒ２＝１．５ｋＱ，ｆ＝１００ｋＨｚ，重构的ＰＷＭ 占空比调节范围达１％～４９％。图４（ａ）所示为ＰＷＭ 昌 Ｉｎ 昌 ……十……。 ……一 ……一｝………｛……… ……一 ……’÷…… ９６ ｆ电囊｜ｌ技术 ２０１７年第３期 －－｝……一÷……。。＋……｛……｛ 一……。 ……。 －－－……一……一 ……… …－－－… ……… （ｃ）２ｇｓ／格 图４主要波形分析 波、边沿微分脉冲耦合输出、ＰＷＭ重构以及电平变 换的波形； ４（ｂ）所示为ＩＧＢＴ的正常驱动波形； 图４（ｃ）所示为ＩＧＢＴ过流保护时的驱动波形。 ４ 结论 提出的新型驱动电路，功能全面，分别为以下 儿个方面：①采用的是脉冲变压器隔离的微分脉冲 传输和ＰＷＭ波形重构的主流方案；②采用高压集 成开路门实现电平变换，不仪响应速度快，能够有 效解决传输延迟问题，而｝｛．还能够解决驱动器输出 波形的一致性问题；③能够输出＋ｌ５Ｖ和一１０Ｖ的驱 动电压，还能够方便地进行输出功率的扩容，满足 不同容量ＩＧＢＴ驱动的要求；④确保存驱动脉冲占 空比很小或为零时，输出一１０Ｖ的驱动电压，避免 ＩＧＢＴ的误动作。短路保护电路，在检测到短路状态 时，延时并且缓降栅压后关闭ＩＧＢＴ，保护动作的延 迟时问以及缓慢降压的速率容易调节，抑制了ＩＧＢＴ 当出现过流以及短路保护时的火效问题，提岛ＩＧＢＴ 工作的安全性。 参考文献
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