IGBT驱动电路模块化设计11

摘　　要：ＩＧＢＴ功率开关器件应用广泛，本文针对可驱动不同等级ＩＧＢＴ模块的驱动电路进行了模块化设计。该驱动模块包括接口选

择模块、功能选择模块、电源模块、驱动与保护模块以及功率补充模块。分析了各部分模块的内部电路原理及功能，并通过试验实现了各项功能，证明该模块设计的合理性。

关键词：ＩＧＢＴ；　驱动电路；　模块化设计

中图分类号：ＴＰ３０３　　　　文献标识码：Ｂ　　　　文章编号：１００３－７２４１（２００７）１２－０１１９－０３

Modulizing Design of IGBT Drive Circuit

WANG Lei, HUANG Xian-jin, ZHENG Qiong-lin

(Electric Engineering Institute, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

Abstract: This paper gives a modulizing design of drive circuit which can be used to different types of IGBT. This module includes

port switching module, function switching module, power supply module, drive module, protection module and powersupplement module. It analyses the principle and function of each part of the module, and proves the reasonability of thedesign.

Key word: IGBT; drive circuit; modulizing design

１　　引言近年来，ＩＧＢＴ功率器件在电机控制、开关电源和变流设备等领域的应用已经非常广泛。ＩＧＢＴ的驱动包括专门的驱动电路，以及过流保护电路等。本文设计参考了三菱、西门康等公司生产的ＩＧＢＴ驱动模块，加入了接口选择模块、功能选择模块、电源模块、功率补充模块等，实现了整个驱动电路的模块化设计。单个模块可以驱动一个桥臂的上下两个ＩＧＢＴ。可以通过方波控制或者ＳＰＷＭ控制

［１］

图１　　IGBT驱动模块构成图

接口选择模块的设计是为了使驱动和控制信号可以通过电信号或者光纤传输，并且增强信号传输过程的抗扰性。图２是采用

等控制方式，驱动单相或者三相逆变器。

２　　IGBT驱动模块设计图１所示为本文设计的ＩＧＢＴ驱动模块的构成图，主要由五部分电路模块组成。接口选择模块可实现光纤和电信号的切换；功能选择模块可实现两种驱动模式——独立驱动和互补驱动的切换；电源模块的作用是给整个模块提供所需的电压；驱动与保护模块的作用是放大驱动信号和检测过流保护；功率补充模块可用于驱动不同等级的ＩＧＢＴ功率器件。

光纤接口的电路设计。ＤＳＰ发出的驱动信号Ｓｉｇｎａｌ＿ｉｎ为高时，驱动板接收的ＩＮ＿Ｘ信号为低，反之，驱动板接收的信号为高。设置ＤＳＰ主控板发射的信号为低电平有效，可以防止干扰，例如若发射端５Ｖ信号丢失，接受端就无法接受有效信号，从而避免了误操作，比采用高有效具有更好的可靠性。本文采用的光纤型号为Ａｇｉｌｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ公司的ＨＦＢＲ－１５２１。

２．２　　功能选择模块图３为该部分电路示意图，通过ＭＯＤ开关在５Ｖ和ＧＮＤ的切换，实现ＭＯＤ信号的高低电平切换，再经过逻辑电路的处理，实现独立驱动和互补驱动两种驱动模式的切换。

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２．１　　接口选择模块收稿日期：２００７－１０－１６

《自动化技术与应用》２００７年第２６卷第１２期　　　　　经验交流Technical Communications行比较，如果Vdtect＞Vth，则认为产生了过流保护。Vdtect计算公式见式１。其中VCE是ＩＧＢＴ的导通饱和压降，VRm是电阻Ｒｍ上的电压，Ｒｍ越大VRm，VDm是二极管Ｄｍ的导通饱和压降。调节电阻Ｒｍ可改变VRm的值，从而改变保护电流阈值的大小。

图２　　光纤接口电路

=++VdtectVCEVRmVDm　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）

功率补充模块采用三极管推挽结构［４］，作用是加强驱动电路的驱动能力，增大驱动输出电流，以驱动大功率的ＩＧＢＴ器件。

图３　　功能选择模块电路

如表１所述，独立驱动方式下，ＭＯＤ开关接ＧＮＤ，ＩＮ＿Ａ、ＩＮ＿Ｂ两输入信号各自独立，经过设定的逻辑处理输出。若在此驱动方式下驱动一个桥臂的上下管，需要输入的控制信号互补并保证一定的死区时间，对控制的要求比较高，所以此驱动方式一般用于驱动单管。

表１　　两种驱动模式状态表

图５　　电源模块原理图

互补驱动方式下，ＭＯＤ开关接５Ｖ，ＩＮ＿Ａ为驱动脉冲信号，ＩＮ＿Ｂ作为使能信号，使能有效时，两路输出高低电平互补的带死区的驱动信号，可以保证上下管的轮流导通。死区产生电路如图４所示，通过设定Ｒ、Ｃ的值，经过施密特触发器实现延迟触发，从而实现死区的设定。

图６　　驱动、保护及功率补充模块

３　　试验及结果图７为互补驱动方式下，使能信号有效时功能选择模块输出的两路驱动信号的波形，如２、３通道所示。可以看出两路信号呈互补状态，分别驱动一个桥臂的上下两管轮流导通。１通道为Ａ路栅极驱动信号。

图４　　死区产生电路

２．３　　电源模块电源模块部分电路拓扑采用一个反激变换器，将直流２４Ｖ供电电压变换成＋１５Ｖ和－１０Ｖ的直流电压，给驱动与保护模块供电。该电源模块隔离电压为３０００ＶＤＣ。

２．４　　驱动与保护模块与功率补充模块该部分电路结构参照三菱公司的专用驱动模块Ｍ５７９６２Ｌ［２］，如图６所示。功能选择模块输出的控制信号经光耦隔离，驱动呈推挽结构的三极管输出＋１５Ｖ或－１０Ｖ的电压，通过驱动电阻Ｒｇ对ＩＧＢＴ的栅极进行驱动。采用负电压关断ＩＧＢＴ器件，能够保证ＩＧＢＴ快速有效的关断，可靠性高。

利用ＤＳＡＴ［３］检测方法对ＩＧＢＴ集电极电压VCE的检测，判断是否发生了过流保护，进而产生保护信号，封锁脉冲。ＩＧＢＴ导通时，过流检测电路的输入电压信号Vdtect与其内部的参考电压信号Vth进

120 | Techniques of Automation & Applications图７功能选择模块输出波形　图８互补驱动方式下上下管栅极驱动电压波形

图８为功能选择模块输出信号经驱动与保护模块与功率补充模块输出到一个桥臂上下两ＩＧＢＴ栅极的驱动脉冲的电压波形。导通信号为＋１５Ｖ，关断信号为－１０Ｖ。两列触发脉冲互补，驱动上下管轮流导通。

图９为一个桥臂上下两个ＩＧＢＴ的栅极驱动脉冲信号间的死区时间的波形，图４中的Ｒ取１ｋ欧姆，Ｃ取２．２ｎＦ时，死区时间如图９所示约为２ｕｓ。调整Ｒ、Ｃ的值，可以调整电容Ｃ的充放电时间，从而调整死区时间的大小。

图１０为应用三块该驱动模块驱动三相逆变器的输出波形，该

（下转第１２３页）

　　　　　经验交流Technical Communications《自动化技术与应用》２００７年第２６卷第１２期４　　系统软件设计智能控制系统软件的设计是实时控制程序，能完成温室的整个控制过程。当系统处于手动状态时，控制器输出指令跟踪驱动信号，能实现系统的手动与自动的无忧切换，当系统处于自动状态时，通过模糊控制算法，输出相应的控制指令，使天窗，风机等全部稳定运行，防止事故的发生。程序设计主要分以下几个步骤：

第一步：设置输入、输出变量的基本论域，预置量化常数和采样周期及温湿度指标等。

第二步：判断温室中的温湿度是否到达温湿度的检测范围，并开始采样温湿度数据。

第三步：启动Ａ／Ｄ转换，读入被测状态。

第四步：计算误差ｅ，并判断它们是否已超过，则将其设定为上（下）限值。

第五步：按给定输入的比例因子量化（模糊化），并由此查询控制表。

第六步：查得控制量的量化值后，乘上适当的比例因子Ｋｕ。第七步：输出控制量，调节风机电机，加热阀，加湿阀，天、侧窗开启时间，并显示出设备开启时间的长短及存储数据。

对温室的智能控制。由于凌阳单片机的在线调试器ＰＲＯＢＥ，它既是一个编程器，又是一个在线仿真器，使开发成本大大降低。设计中采用的单总线式温度传感器、湿度传感器，无需外围电路，测量精确方便。最后可以实现温室内主要环境因子的控制，为作物提供最佳的生长环境，实现节能高效的工厂化育苗，所以说经济上是可行的。

由于本设计是将控制技术、单片机技术（ＳＰＣＥ０６１Ａ）和通信技术集合在一起的方法，可以为以后温室中对光照、二氧化碳的控制提供一定的参考价值和借鉴意义。对下位机软件进行一定的扩展后还可以用于生物环境和粮库环境的检测与控制，具有较强的通用性。

参考文献：［１］　罗亚非．凌阳１６位单片机应用基础［Ｍ］．北京：北京航空航天出版社，２００３．

［２　］薛明军．集成湿度传感器ＩＨ３６０５的应用［Ｊ］．新特器件的应用，２０００（２）：７８－９２．

［３］　李时惠．计算机多点温度采集系统的设计与实现［Ｊ］．计算技术与自动化，２００１，２０　（Ｉ）：５０－５２．

［４］　陶锋，刘晓东，赵帼英．凌阳１６位单片机与上位机串行

５　　结束语本温室智能控制系统是以功能较强的凌阳１６位单片机ＳＰＣＥ０６１Ａ为核心，充分发挥了其较强的数字处理和语音处理功能特性，以高精度温湿度传感器作为测温（湿）器件，利用单片机自带１０位Ａ／Ｄ转换器简化了系统硬件，完成了温室自动控制系统的设计，成功的实现了对温室的温度、湿度数据的采集、处理及（上接第１２０页）

三相逆变器选用８Ｋ型电力机车辅电源上的ＩＧＢＴ逆变器［５］，ＩＧＢＴ器件型号为ＣＭ３００ＤＹ－２４Ｈ。１通道为线电压波形，为３８０Ｖ；２通道为相电流波形，为８０Ａ。该逆变器采用方波控制和星型电感负载，总输出功率超过５０ｋＶＡ。

通信实现［Ｊ］．现代电子技术，２００６（２１）：４８－５０．

作者简介：张广云（１９８１－），女，山东临沂，景德镇陶瓷学

院在读研究生，研究方向：计算机控制与接口技术。

驱动模块具有良好的驱动能力和保护能力。

参考文献：［１］　周永鹏，罗泠，何顶新等．三相ＳＰＷＭ双向逆变器电压控制的数字化设计［Ｊ］．电力电子技术，２００４．３８（１）：４２－４４

［２］　王世军．ＩＧＢＴ驱动器Ｍ５７９６２Ｌ的使用［Ｊ］．电子工程，２００３．（４）：１６－２１

［３］　华伟．ＩＧＢＴ短路保护电路设计与研究［Ｊ］．机车电传动，１９９７．（５）：１５－１８

［４］　ＢＩＥＮＩＥＣＫＩ．Ｓ．，ＨＡＲＴＭＡＮ．Ｍ．，ＩＷＡＳＺＫＩＥＷＩＣＺ．Ｊ．．

图９　　上下管触发脉冲死区波形　　图１０　　三相逆变器输出波形Ｄｒｉｖｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｆｏｒ　ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ＩＧＢＴ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］　ＩＳＩＥ’．１９９６．（９６）：５２５－５３０．

４　　结束语本文从模块化的角度设计了ＩＧＢＴ驱动电路，该电路将各项功能都进行了模块化设计，包括接口选择模块、功能选择模块、电源模块、驱动与保护模块以及功率补充模块。经试验证明，该

［５］　郑琼林，李威，郝荣泰．８Ｋ型电力机车ＩＧＢＴ辅助逆变器的控制与驱动［Ｊ］．铁道学报，　２０００．２２（１）：２２－２４

作者简介：王磊（１９８３－），男，河北人，硕士研究生，主要从事电力机车辅助逆变器控制与驱动电路的研究。

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