專利名稱：一種雙路輸出的igbt驅(qū)動(dòng)模塊及其電路板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種雙路輸出的IGBT驅(qū)動(dòng)模塊及其電路板。
背景技術(shù)：
在電力電子系統(tǒng)中，除了功率模塊，另外一個(gè)關(guān)鍵部件就是IGBT驅(qū)動(dòng)電路，它是模塊和數(shù)字芯片DSP之間非常重要的接口電路，其功能就是將來自DSP的信號(hào)轉(zhuǎn)換成具有足夠功率的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，來保證IGBT安全的開通與關(guān)斷，而且為DSP和模塊之間提供電氣隔離，為了在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)IGBT得到正確和有效的保護(hù)，驅(qū)動(dòng)電路還要提供相應(yīng)的保護(hù)功倉(cāng)泛。IGBT是MOSFET與雙極晶體管的復(fù)合器件。它既有MOSFET易驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點(diǎn)。其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內(nèi)，故在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。由于絕緣柵雙極晶體管具有較高的電流容量、電壓控制，導(dǎo)通損耗小等特性。近年來在各種功率變換器中應(yīng)用廣泛。IGBT的安全工作區(qū)和開關(guān)特性隨驅(qū)動(dòng)電路的改變而變化，為了保證IGBT可靠工作，驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路至關(guān)重要。對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的技術(shù)要求是:驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)；輸入輸出延遲時(shí)間短；雙電源供電，提供可靠關(guān)斷；輸入輸出電氣隔離強(qiáng)度高；可靠的過載過流保護(hù)。目前，生產(chǎn)驅(qū)動(dòng)與保護(hù)功能一體的IGBT專用的驅(qū)動(dòng)模塊的主要代表有西門康的SKH系列。CONCEPT生產(chǎn)的2SD系列。它們所共有的一些技術(shù)特點(diǎn):雙路脈沖互鎖功能；抑制窄脈沖功能；死區(qū)時(shí)間設(shè)定功能。驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(jià)格昂貴。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于為解決以上不足，提供一種體積小、電路構(gòu)成簡(jiǎn)單的雙路輸出的IGBT驅(qū)動(dòng)模塊及其電路板。本實(shí)用新型所采用的技術(shù)如下:一種雙路輸出的IGBT驅(qū)動(dòng)模塊，包括兩個(gè)門極驅(qū)動(dòng)光耦A(yù)CPL-332J芯片、邏輯控制電路、DC/DC供電單元和兩個(gè)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(gè)門極驅(qū)動(dòng)光耦A(yù)CPL-332J芯片，每個(gè)門極驅(qū)動(dòng)光耦A(yù)CPL-332J芯片連接一個(gè)功率放大單元，兩個(gè)門極驅(qū)動(dòng)光耦A(yù)CPL-332J芯片、邏輯控制電路和兩個(gè)功率放大單元均連接DC/DC供電單元。本實(shí)用新型還具有如下特征:1、一種雙路輸出的IGBT驅(qū)動(dòng)模塊電路板，還包括如上所述的一種雙路輸出的IGBT驅(qū)動(dòng)模塊，該驅(qū)動(dòng)模塊印制在電路板PCB上，DC/DC供電單元位于該驅(qū)動(dòng)模塊的中間，兩個(gè)門極驅(qū)動(dòng)光耦A(yù)CPL-332J芯片分別位于DC/DC供電單元的上下兩側(cè)，邏輯控制電路位于DC/DC供電單元的原邊側(cè)，兩個(gè)功率放大單元位于DC/DC供電單元的副邊側(cè)。[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(shí)用新型的有益效果在于利用ACPL-332J芯片的光耦傳輸體積小優(yōu)點(diǎn)，擯棄了體積大、造價(jià)昂貴的信號(hào)傳輸變壓器。集成了全面的IGBT保護(hù)功能，簡(jiǎn)化了外圍電路設(shè)計(jì)?？s小了電路板的面積。因此本驅(qū)動(dòng)模塊具有技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小巧，電氣性能安全，價(jià)格低廉的特點(diǎn)。

圖1是門極驅(qū)動(dòng)光耦A(yù)CPL-332J芯片的內(nèi)部原理框圖；圖2是門極驅(qū)動(dòng)光耦A(yù)CPL-332J芯片的外部引腳圖；圖3是驅(qū)動(dòng)模塊原理框圖；圖4是驅(qū)動(dòng)模塊電路板結(jié)構(gòu)圖；圖5是驅(qū)動(dòng)電路工作和保護(hù)原理圖；圖6是電壓轉(zhuǎn)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(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)舉例本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明:實(shí)施例1:如圖3所示，一種雙路輸出的IGBT驅(qū)動(dòng)模塊，包括兩個(gè)門極驅(qū)動(dòng)光耦A(yù)CPL-332J芯片1-1.1-2、邏輯控制電路2、DC/DC供電單元3和兩個(gè)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(gè)門極驅(qū)動(dòng)光耦A(yù)CPL-332J芯片1-1.1-2，每個(gè)門極驅(qū)動(dòng)光耦A(yù)CPL-332J芯片連接一個(gè)功率放大單元，兩個(gè)門極驅(qū)動(dòng)光耦A(yù)CPL-332J芯片1-1.1_2、邏輯控制電路2和兩個(gè)功率放大單元4-1.4_2均連接DC/DC供電單元3。實(shí)施例2:如圖4所示，一種雙路輸出的IGBT驅(qū)動(dòng)模塊電路板，還包括如上所述的一種雙路輸出的IGBT驅(qū)動(dòng)模塊，該驅(qū)動(dòng)模塊印制在電路板PCB上，電路板上的布局為DC/DC供電單元3位于該驅(qū)動(dòng)模塊的中間，兩個(gè)門極驅(qū)動(dòng)光耦A(yù)CPL-332J芯片1-1.1-2分別位于DC/DC供電單元3的上下兩側(cè)，邏輯控制電路2位于DC/DC供電單元3的原邊側(cè)，兩個(gè)功率放大單元4-1.4-2位于DC/DC供電單元3的副邊側(cè)。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(shí)施例3:結(jié)合圖1和圖2，本實(shí)用新型采用的門極驅(qū)動(dòng)光耦A(yù)CPL-332J，選擇光耦作為門極驅(qū)動(dòng)器時(shí)，最關(guān)鍵的參數(shù)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(hào)隔離的功能很大程度上取決于輸入與輸出之間的耦合電容和監(jiān)測(cè)電路的設(shè)計(jì)，一般使用共模抑制這個(gè)參數(shù)來定義和量化信號(hào)隔離的能力。對(duì)高速門極驅(qū)動(dòng)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(guān)參數(shù)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(shí)，共模抑制能力最小為15kV/ μ S。結(jié)合圖1-圖2，兩路輸入信號(hào)首先進(jìn)入邏輯控制部分經(jīng)施密特電路整形，然后進(jìn)入邏輯控制電路完成邏輯互鎖，產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間后進(jìn)入兩個(gè)門極驅(qū)動(dòng)光耦A(yù)CPL-332J芯片，最后經(jīng)功率放大部分驅(qū)動(dòng)IGBT。邏輯控制電路還可以完成兩路信號(hào)的單獨(dú)控制或者半橋模式控制。故障信號(hào)通過兩個(gè)門極驅(qū)動(dòng)光耦A(yù)CPL-332J芯片向控制電路發(fā)送故障信號(hào)。布局特征是DC/DC供電單元的中的變壓器位于驅(qū)動(dòng)模塊的中間，兩片兩個(gè)門極驅(qū)動(dòng)光耦A(yù)CPL-332J芯片位于變壓器的兩側(cè)。邏輯處理電路位于變壓器的原邊側(cè)，功率放大電路位于變壓器的副邊側(cè)。在兩路功率放大電路中的電路板打長(zhǎng)條孔，在變壓器的原邊與副邊之間打長(zhǎng)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(shí)際工作中所設(shè)計(jì)的逆變器驅(qū)動(dòng)部分電路。系統(tǒng)正常工作時(shí)，Vtot受光耦驅(qū)動(dòng)電流的控制，ACPL-332J原邊典型的驅(qū)動(dòng)電流為8-12mA，同時(shí)檢測(cè)IGBT的Vra值。此時(shí)。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(huì)進(jìn)入欠飽和模式，Vra電壓迅速上升。當(dāng)DESAT腳檢測(cè)到Vce電壓值高于6.5V時(shí)，Vtm逐漸變?yōu)榈碗娖剑_始軟關(guān)斷IGBT，以防止di/dt導(dǎo)致的高壓；同時(shí)，觸發(fā)光耦內(nèi)部的反饋通道，使Fault輸出拉低，通知DSP封鎖PWM輸出。IGBT關(guān)斷期間，C29放電，故障監(jiān)測(cè)電路置為無效，以避免產(chǎn)生錯(cuò)誤的故障信號(hào)。一旦監(jiān)測(cè)到故障狀態(tài)，Vtot禁用5 μ S，在禁用期間，忽略所有輸入的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使驅(qū)動(dòng)能徹底地軟關(guān)斷IGBT，禁用時(shí)間過了之后，原邊輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)再次變?yōu)楦唠娖?，使故障監(jiān)測(cè)電路
重新有效。欠飽和監(jiān)測(cè)和過電流保護(hù):IGBT的欠飽和源于兩個(gè)方面:一是驅(qū)動(dòng)器的性能差，導(dǎo)致門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)功率不足；二是驅(qū)動(dòng)電源的功率不足。在ACPL-332J中采用的故障監(jiān)測(cè)策略是監(jiān)測(cè)IGBT的飽和壓降，如果集電極電壓超過了預(yù)設(shè)的閥值，光耦就會(huì)觸發(fā)軟關(guān)斷時(shí)序，在IGBT中耗散能量達(dá) 到破壞性的水平之前，IGBT徹底關(guān)斷。在IGBT關(guān)斷期間，光耦的Fault監(jiān)測(cè)電路禁用，以防止誤觸發(fā)信號(hào)的產(chǎn)生。ACPL-332J通過監(jiān)測(cè)\^值，不僅能限制模塊的功耗，而且能用在門極驅(qū)動(dòng)電壓不足的情況下，因此，沒有必要過分保守的設(shè)定IGBT的過流閥值。消隱時(shí)間:緊隨著IGBT的導(dǎo)通，DESAT故障監(jiān)測(cè)電路屏蔽一小段時(shí)間，以允許集電極電壓將DESAT閥值至以下，這個(gè)時(shí)間為DESAT消隱時(shí)間。它由DESAT內(nèi)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(dāng)
ICHC
IGBT開通時(shí)，如果DESAT電壓超過了閥值Vdesat,只有在消隱時(shí)間過后，DESAT故障監(jiān)測(cè)電路的保護(hù)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(qū)動(dòng)電壓不足而設(shè)計(jì)的。IGBT所需的典型門極電壓為15V。當(dāng)門極電壓低于13V時(shí)，Vra值急劇增大，特別是在大電流的時(shí)候，當(dāng)門極電壓低于IOV時(shí)。IGBT工作在線性區(qū)，這將導(dǎo)致模塊的功耗急劇增大，芯片上電后，當(dāng)IGBT門極電壓不足時(shí)，ACPL-332J的輸出被強(qiáng)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低于VCTU)_(欠壓鎖定負(fù)閥值電壓)，欠壓鎖定模塊工作，使光耦的輸出置低。當(dāng)Vra達(dá)到Vctw+之前，DESAT保護(hù)電路已經(jīng)有效，因此，欠壓鎖定和DESAT故障監(jiān)測(cè)電路是共同工作來保護(hù)IGBT的。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，Vra=+16V，VK1=-8V，取值與IGBT的門極驅(qū)動(dòng)電壓值、過流保護(hù)點(diǎn)等的選擇有關(guān)。故障檢測(cè)電路中二極管的選型:在大功率的應(yīng)用場(chǎng)合，由于IGBT續(xù)流二極管存在反向恢復(fù)時(shí)間的問題，反向恢復(fù)的尖峰值容易導(dǎo)通光耦的本體二極管，使DESAT置低，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤的監(jiān)測(cè)信號(hào)。為了避免DESAT的誤觸發(fā)，最好使用結(jié)電容非常小的超快恢復(fù)二極管D2，同時(shí)在DESAT和地之間使用齊納二極管ZDl和肖特基二極管Dl。ZDl用來防止過高的瞬態(tài)電壓而損壞DESAT腳，Dl阻值光耦的本體二極管正偏。在本設(shè)計(jì)中，二極管的選型分別為:D1—MBR0504，D2 — BYV26E，ZDl — IN5925A。由于DESAT監(jiān)測(cè)閥值電壓典型值為
6.5V，比較高。本設(shè)計(jì)采用如下方法來減小這個(gè)監(jiān)測(cè)值:高壓二極管串聯(lián)穩(wěn)壓二極管，調(diào)整后新的閥值為Vdesat=7-Vf-Vz。圖4是本實(shí)施例的元?dú)饧季纸Y(jié)構(gòu)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(hào)的互鎖，死區(qū)時(shí)間的產(chǎn)生，故障信號(hào)的輸出功能。邏輯處理電路通端子外接電平的不同實(shí)現(xiàn)兩個(gè)IGBT單獨(dú)控制模式或者半橋控制模式。在單獨(dú)控制模式下，兩路輸入信號(hào)分別控制兩路輸出。在半橋控制模式下，由一路輸入信號(hào)產(chǎn)生互為反相的控制信號(hào)。另一路輸入信號(hào)作為上一路的輸入信號(hào)的使能控制。第二部分是ACPL-332J集成電路2，分別驅(qū)動(dòng)兩路IGBT模塊，完成IGBT驅(qū)動(dòng)過程中的保護(hù)及信號(hào)的傳輸，提供了欠壓鎖定保護(hù)，過載過流保護(hù)，故障軟關(guān)斷功能。實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)與輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(qū)動(dòng)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(qiáng)兩路功率放大部分的電氣安全性能。圖6是是電源轉(zhuǎn)換電路，將15V直流電通過MC7805ABD2TR4G轉(zhuǎn)換芯片變?yōu)?V直流電壓。圖7是DC/DC供電單元部分，通過NE555L芯片將15V作為變壓器原邊隔離電壓，然后通過兩組變壓器隔離后變?yōu)?17V和-1OV電壓，分別為上下橋臂的IGBT驅(qū)動(dòng)電路ACPL-332J提供安全工作電壓。圖8是PWM互鎖電路，將DSP發(fā)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(hào)通過互鎖電路防止上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通，起到保護(hù)作用。本實(shí)用新型采用Avago公司的門極驅(qū)動(dòng)光耦A(yù)CPL-332J，是一個(gè)具有2.5A輸出電流驅(qū)動(dòng)能力，易于使用的智能門驅(qū)動(dòng)器，它使IGBT的Vra保護(hù)更加簡(jiǎn)潔。它集成了很多功能模塊，如Vra檢測(cè)、欠壓鎖定、IGBT軟關(guān)斷、隔離的集電極開路故障反饋、有源米勒嵌位，這給設(shè)計(jì)提供了很大的靈活度。所使用的ACPL-332J芯片直接使用CUASP LED驅(qū)動(dòng)，直接耦合到功率輸出級(jí)，省去了緩沖器；更低的傳輸延遲，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，最大傳輸延遲時(shí)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(shí)間短大大增強(qiáng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；有源米勒嵌位抑制寄生導(dǎo)通現(xiàn)象發(fā)生。
權(quán)利要求1.一種雙路輸出的IGBT驅(qū)動(dòng)模塊，包括兩個(gè)門極驅(qū)動(dòng)光耦A(yù)CPL-332J芯片、邏輯控制電路、DC/DC供電單元和兩個(gè)功率放大單元，其特征在于: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(gè)門極驅(qū)動(dòng)光耦A(yù)CPL-332J芯片，每個(gè)門極驅(qū)動(dòng)光耦A(yù)CPL-332J芯片連接一個(gè)功率放大單元，兩個(gè)門極驅(qū)動(dòng)光耦A(yù)CPL-332J芯片、邏輯控制電路和兩個(gè)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(qū)動(dòng)模塊電路板，其特征在于:還包括如權(quán)利要求1所述的一種雙路輸出的IGBT驅(qū)動(dòng)模塊，該驅(qū)動(dòng)模塊印制在電路板PCB上，DC/DC供電單元位于該驅(qū)動(dòng)模塊的中間，兩個(gè)門極驅(qū)動(dòng)光耦A(yù)CPL-332J芯片分別位于DC/DC供電單元的上下兩側(cè)，邏輯控制電路位于DC/DC供電單元的原邊側(cè)，兩個(gè)功率放大單元位于DC/DC供電單元的副邊側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種雙路輸出的IGBT驅(qū)動(dòng)模塊電路板，其特征在于: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(shí)用新型涉及一種雙路輸出的IGBT驅(qū)動(dòng)模塊及其電路板。雙路輸出的IGBT驅(qū)動(dòng)模塊包括兩個(gè)門極驅(qū)動(dòng)光耦A(yù)CPL-332J芯片、邏輯控制電路、DC/DC供電單元和兩個(gè)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(gè)門極驅(qū)動(dòng)光耦A(yù)CPL-332J芯片，每個(gè)門極驅(qū)動(dòng)光耦A(yù)CPL-332J芯片連接一個(gè)功率放大單元。一種雙路輸出的IGBT驅(qū)動(dòng)模塊電路板，還包括如上所述的一種雙路輸出的IGBT驅(qū)動(dòng)模塊，該驅(qū)動(dòng)模塊印制在電路板PCB上。本實(shí)用新型集成了全面的IGBT保護(hù)功能，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小巧，電氣性能安全，價(jià)格低廉的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02M1/092GK203014660SQ201220669618
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月7日
發(fā)明者周家琪, 劉志強(qiáng), 何秀成, 張哲 申請(qǐng)人:哈爾濱九洲電氣股份有限公司