IGBT智能模块的驱动控制电路

ＩＧＢＴ智能模块的驱动控制电路　Ｄｒｉｖｉｎｇ　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ｆｏｒ　ＩＧＢＴ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｐｏｗｅｒ　Ｍｏｄｕｌｅｓ　Ａ浙江大学章进法姚凯卫　（——一　杭州　３１００２７）　了Ⅳ　？。２、　、　摘要：针对ＩＧＢＴ智能模块（ＩＰＭ）的基车特性．提出了采目光耦．双高频弥冲变压器及单高频脉冲　变压器三种驱动拉翩电路．研究了ＰＷＭ信号的快速传辅特性．井对三种电路进行丁分析对比，给出了　实验结果和有关结论。　Ａｂｓｔｒａｃｔ；Ｔｈｉｓ　ｐａｐ　ｐｒｅｓｅｎｔ￣ｔｈｒｅｅ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ｆｏｒ　ＩＧＢＴ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｐｏｗｅｒ　ｒｏｏｄ，ｄｅｓ，ｉｎ　＂＊ｈｉｃｈ　ｐｈｏｔｏ－ｃｏｔｌｐｌｅｒ．ｄｏｕｂｌｅ　ｈ　Ｌｇｈ—ｔｒｅｑｔｔｅｎｃｙ　ｐｕｌｓｅ　ｔｒｔｔｔｉＮ／ｏｒ［ｉｉｑｆ５　ａｎｄ　ｓｉｎｇｌｅ　ｈｉ曲一［ｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｐｔｌｌｓｅ　ｔｒａｎｓ－　［ｏｒｒ１］ｅｒⅢｅｄ　ｏｕｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆａｓｔ　ｔｒａｎｓ一　ｅｍｐｌｏ￣ｄ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ－Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｓ　ａｕｄ　ｅｘ　Ｅ　Ｊ　㈨　ＴＩｔｓ　ｈａｖｅｂｅｅｎ　ｃａｒｒｉ１前言　模块器件。现以日本三菱公司生产的　ＲＭ５０ＲＨＡ１２０智能模块为例予以介绍，其内　近年来，电力电子技术正朝着大容量、高频　化、模块化、智能化及廉价化的方向迅递发展，　以提商装置的功率密度，降低噪音．减小能耗和　原材料消耗，提高装置的性能，并简１ｌｅ　ｖＹ＿路设计　和提高系统的可靠性。　ＩＧＢＴ智能模块器件（简称ＩＰＭ）就是在这　种趋船下发展起来的新型电力电子器件。该器　件　ＩＧＢＴ为基本功率开关元件，构成三相逆　赘器的专用功能模块，　适应电动饥褒频调速　装援的需要。ＩＰＭ的最大特点是集功率变换、　部结构如图ｌ所示。其中包括用于电机制动的　功率控制电路和三媚逆变器各桥臂的驱动电　路，同时还具备驱动欠压、ｌ过流．桥臂短路及过　热等保护功能　实际ｆ吏用时仅需提供各桥臂对　应ＩＧＢＴ的驱动电源和相应的开关控制信号即　可，方便了应用和系统设计工作，并使可靠性　太太提高。该ｉＰＭ额定工作电流为５０Ａ，电压　耐量为ｌ　２００Ｖ，开关时间分别为ｔ　一２　ｓ、　＝　３．ｊ　ｓ，开关工作频率相应为２０ｋＨｚ．可用于　７．５ｋＶＡ／５．５ｋｗ的变频调速装置。　驱动及保护电路于一体，而区别于坷常的功率　匿１　１ＰＭ模块　部基本结构　本文为国家自然科学（青年Ｊ基金资助硬曰工作之一　维普资讯 http://www.cqvip.com

２　《电力电子技术’ｌ９９５年第｛期１９９５．１１　如前所述，ＩＰＭ内部已包含驱动电路．但　通。　需提供驱动电源和开关控制信号　驱动电源的　典型电　矗值为１　５Ｖ，由于功率元件采用ＩＧＢＴ．　每一内古ＩＧＢＴ的驱动功率约为０，２５Ｗ．故总　驱动功耗＜２Ｗ，驱动电源同时还为保护电路供　电。考虑到ＩＰＭ的高频开关工作能力，开关控　制信号的传输隔离电路应具有尽可能短的传输　延迟时问，以提高驱动电路参数的一致性。因此　ＩＰＭ驱动控制的基本要求如下；　提供１５Ｖ稳定的驱动电源（模块要求在　ｌ３～１　７Ｖ之间）和开关控制信号，井具有良好的　电气隔离性能；　信号传输延迟时间在０，５ｐ－ｓ以内并尽可　能小，提供低电平控制相应ＩＧＢＴ导通．高电平　控制关断；　驱动电路简单可靠、体积小、成本低。　针对以上特点及要求，本文提出三种快速　驱动控制电路．　２智能模块的驱动控制　２，１采用光电耦合器　光电耦合器因结构简单、使用方便，在电力　电子器件的驱动控制中广泛用来实现开关控制　信号的传输和电气隔离。由于ＩＰＭ驱动电路要　求信号传输延迟时闻在０．５＃ｓ以内，因而器件　只能采用快速光撮．为了提高信号传输速度，选　用逻辑门光电耦合器６Ｎ１３７．该器件隔离电压　高、共模抑制性强、速度快、高电平输出传辅延　迟时问ｆ－　和低电平输出传输延迟时问ｆ．，ＨＬ的　典型值都为４８ｎｓ，最大值为７５ｎｓ，且价格适中。　但该器件工作于ＴＴＬ电平．而ＩＰＭ模块的开　关逻辑信号高电平为１５Ｖ，这就需设计一个电　平转换电路。　图２所示是采用光电耦合器的驱动控制电　路。图中稳压管Ｖｎｗ和电阻Ｒ；将１５Ｖ电源转　换为５Ｖ电平，为光耦Ｖ　提供工作电源。当　ＰＷＭ信号为低电平时光耦的驱动晶体管ｖ，　开通，光耦输出低电平使Ｖ　关断，输出信号　为高电平，控制相应ＩＧＢＴ关断｛当ＰＷＭ信号　为高电平时Ｖ　关断，光耦输出高电平使Ｖ　开　通，输出信号　为低电平，控制相应ＩＧＢＴ开　图２光耦驱动控制电路　图３为ＰＷＭ工况下的传输延迟实验波　形。ＲＦ１、ＣＨ１分别为输入信号　，的下降沿和　上升沿波形，ＲＦ２、ＣＨ２分别为输出信号　的　上升沿和下降沿波形，时问坐标为２００ｎｓ／格。　分别比较上述波形可知☆　和　ＨＬ都为８０ｎｓ左　右，能银好地满足ＩＰＭ模块的驱动控制要求　该驱动控制电路需提供独立的驱动电源，　通常可采用多路输出的开关电源来实现。　图３图２中的ＰＷＭ信号传输延迟　２，２采用双脉冲变压器　对于２０ｋＨｚ的ＰＷＭ开关控制信号，可采　用脉冲变压器直接传送．但存在磁芯体积较大　和开关占空比范围受限制的问题。为此，本文采　用ｄＭＨｚ高频调制的方法来实现ＰＷＭ信号的　传送，这种信号传输方式不仅可大大减小磁芯　尺寸和降低成本，更重要的是通过大幅度减小　脉冲变压器原、割边的耦合分布电容，使脉冲变　压器的电气隔离性能和抗ｄＶ／ｄｔ等能力得到　进一步提高．同时使ＰＷＭ工况下的开关占空　比不受限制。　由于ＩＰＭ模块内部单个ＩＧＢＴ的驱动功　率仅为０．２５Ｗ左右，相应１　５Ｖ电源只需提供　最大３０ｍＡ的电流，因此１　５Ｖ驱动电源可采用　维普资讯 http://www.cqvip.com

ＩＧＢＴ智能模块的驱动控制电路　４ＭＨｚ高频开关电源实现，其电路结构与　ＰＷＭ信号的传辕电路类似。　图４所示为采用双脉冲变压器的驱动控制　电路。图中Ｉｃ　、Ｉｃ　是双传输与非门驱动器　７５４５２。该器件信号传输速度快，ｔＦＬＳ和ｆ　都为　２５ｎｓ，内含的输出ＮＰＮ晶体管吸收电流可达　３００ｍＡ，集·射扳间耐压２０Ｖ，因此可直接用于　驱动脉冲变压器。Ｉｃ　内部的两个晶体管一直　工作于推挽状态，占空比为５０　，脉冲变压器　ＴＰ·传送的方波信号经Ｖ　Ｖｍ整流得到１５Ｖ　驱动电源。Ｉｃ　内部的两个晶体管只有当输入　端ＰＷＭ信号为高电平时才推挽工作．脉冲变　压器ＴＰ　传送的方波信号经Ｖ∞、ｖ　整流得到　高电平使Ｖ：开通，输出信号　为低电平控制　相应ＩＧＢＴ开通。当输入端ＰＷＭ信号为低电　平时．Ｉｃ　内部两个晶体管均截止，脉冲变压器　无信号输出，ｖ　开通使ｖ：快速截止，输出信号　为高电平．控制相应ＩＧＢＴ关断。从而实现　了ＰＷＭ开关控制信号的传输与隔离。　图４双高频变压器驱动控制电路　图５为该电路信号传输的实验波形。ＲＦ１、　ｃＨ１分别为输入信号　的上升沿和下降沿波　形，ＲＦ２、ＣＨ２分别为输出信号ｙ　的下降沿和　上升沿波形，时间坐标为５００ｎｓ／格。由图可见．　信号的传输延迟时间在ｌＯＯｎｓ以内．其速度可　与快速光耦驱动电路相比拟。　图６为该电路驱动电源ｕ．与输入ＰＷＭ　信号占空比Ｄ的关系．测试条件为开关频率　２０ｋＨｚ。由图可见．随着占空比Ｄ变大，驱动电　源略微下降，电压变化范围为ｌ　４　５～１５．５Ｖ，偏　差量在３．５　以内，能满足智能模块对驱动电　源的要求。　Ｒｎ　ＲＦ２　ＣＨＩ　Ｈ２　田５圈４的ＰＷＭ信号博输延迟　Ｄｆ％　图６图４驱动电源的稳定性分析　Ｉｃ　、１ｃ：为通用集成电路，可甩逻辑信号驱　动．使用方便。此外，由于采用４ＭＨｚ高频调　制，脉冲变压器采用小磁珠即可，电路尺寸小而　紧凑。　２．３采用单脉冲变压器　为进一步简化电路，本文又提出了一种单　脉冲变压器驱动控制电路，利用单脉冲变压器　同时传输驱动电源和ＰＷＭ开关控制信号。其　基本思路是先将ＰＷＭ信号的高、低电平转换　为不同占空比的高频脉冲信号，通过脉冲变压　器同时传送能量和信号。传送的能量以获得　１５Ｖ电源信号，传送的信号再利用占空比不同　对应平均值也不同的糕点由解调得到ＰＷＭ开　关信号输出。　电路原理如图７ａ所示。图中同样利用了通　用集成电路７５４５２的特点，但载频已据高到　１０ＭＨｚ。图７ｂ给出了ＩＣ的Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ四个输　入控制波形图。Ａ、Ｂ为两个互补的１０ＭＨｚ高　频调制方波信号，ｃ、Ｄ信号随着ＰＷＭ信号高　低电平的不同而改变。当ＰＷＭ为高电平时，　Ｃ、Ｄ为高电平，通过芯片Ｉｃ内部的与门使Ａ，　Ｂ信号开通，Ｉｃ内部两个晶体管推挽工作，占　空比为５Ｏ　，脉冲变压器ＴＰ　传送的能量经　维普资讯 http://www.cqvip.com

４　《电力电子技术｝１９９５年第４期　９５¨　ｖｕ．、Ｖｕ　整流，再经Ｖ　隔离得到１　５Ｖ驱动电　源。同时在Ｅ点得到高电平信号＋使稳压管　Ｖ　击穿＋Ｖ：导通．输出信号ｙ　为低电平＋控制　相应ＩＧＢＴ开通。当ＰＷＭ信号为低电平时＋Ｃ、　Ｄ为Ａ、Ｂ信号的延时波形＋通过与门使】ｃ内　部两个晶体管基极信号ｂ，、ｂ：为脉冲信号，这　样两个晶体管仍然推挽工作＋但占空比为２５　左右，‘ｒＰ．传送能量以维持１　５Ｖ电源电压。由　于占空比为２５　左右．Ｅ点波形为脉冲倍号，　利用Ｒ。、Ｒ　ｚ及ｃａ的充放电特性使稳压管Ｖ　维持阻断，Ｖ。截止＋输出信号　为高电平，控　制相应ＩＧＢＴ关断。这样便实现丁电源倍号和　ＰＷＭ控制信号的同时传送。　ＰＷＭ　Ａ—广１＿－ｒ１＿Ｊ弋－　Ｃ—　Ｂ—Ｌ厂１＿Ｊ１，　Ｄ—　ｈ－Ｊ＿１Ｊ１＿Ｊ。Ｌ．　々　—ＬＪ＿弋Ｊ　Ｌ厂　圈７（ａ）单高额变庄器驱动控制屯路　（ｂ）各点控制信号渡形　圈８为ＰＷＭ信号波形的具体解调过程。　图中的ｃＨ１分别为输入ＰＷＭ信号的上升沿　和下降沿波形．ＣＨ２为Ｅ点信号波形．ＲＦ３分　别为　输出信号的下降沿和上升沿波形，时间　坐标为１００ｎｓ／格。比较图中的ＣＨ１和ＲＦ３波　形可　知＋信号的传输延迟时间ｆ，　。和ｔｊ，ｒｑｒ　椰为　２００ｎｓ左右。　由于ＰＷＭ信号的解调要利　Ｒ、（’电阱　滤波　鉴别平均值＋因而ＰＷＭ信号的传输延　迟时间与载波频率密切相关　实验表口爿．当载波　频率为１ＭＨｚ时．传输延避时｜可为２　ｓ左右．力　载波信号周期的两倍＋为此将载波频率提高到　１０ＭＨｚ，相应信号侍输延迟时间降至２ｏ０ｎｓ左　右。　ｌ　ＣＩＩ１ｌ　Ｉ　ｃＨ２ｌ　…Ｉ　～，　Ⅲ　…　图８固７的ＰＷＭ信号解调和信号恃输延迥波形　（ａ）ＰＷＭ信号高电平解调　￣露｝；　’　ｂ）ＰＷＭ信号低电平解调　圈９为该电路驱动电源　与输入ＰＷＭ　信号占空比Ｄ的关系曲救。测试条件为开关频　率２０ｋＨｚ。由图可知电源电压随Ｄ的增大而略　微上升．变化范围在１　５～１５．２Ｖ之间。与圈１　相比．该电路驱动电源蓖为稳定ｊ这是因为随着　占空比增大，脉冲变蜃器传送的能量增大＋且晶　体管ｖ　导通时间增长，相应驱动功耗增大．两　种围紊相互综合抵消＋使得电源的稳定度更好，　Ｉ　｛　ｊ　Ｄ１％Ｊ　田９图７驱动电源的稳定性　３三种电路的对比分析　针对ＩＰＭ智能模块的结构和驱动要求，提　出了三神驱动控制电路，附表中比较了这兰封１　电路的优龋电。　由０－１Ｓ进可知，采矸］光耦的电路结构筒单、薄　维普资讯 http://www.cqvip.com

ＩＧＢＴ智能模块的驱动控制电路　５　积小　信号传辅延迟时间最小、可靠性高、电路　推广性好。该电路只要改变光耦后级的功率放　大电路，便可得到不同功率的驱动电路，可用于　ＩＧＢ＇Ｉ’、ＭＯＳＦＥＴ、ＧＴＲ单管及模块的驱动。但　该电路成本较高，抗干扰能力不及磁隔离的方　克服了由此引起的问题。由实验测得图４和图　７中的驱动电源电压都很稳定，符台ＩＰＭ要求　驱动电源在１３～１７Ｖ的要求。　图４中由于采用了两个高频脉冲变压器，　结捣相对复杂些。但由于驱动电源及开关控制　法，且要求另设计单独的开关电源，对ＩＰＭ整　信号由两个脉冲变压器分别传输．具有驱动电　源（１５Ｖ）稳定、传输延迟时间／Ｊ￣（＜１００ｎｓ）的优　点。该电路只需对个别电路参数作适当调整，可　方便地用于ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ单管和模块的各　种驱动电路，并能方便地构成驱动保护功能。　单脉冲变压器的驱动电路保持了双脉冲变　压器驱动电路的优点，且结构更为简单紧凑，器　件及材料的利用率更高，成本虽低，驱动电源　（１５Ｖ）稳定性更好，是适合于ＩＰＭ模块的专用　个模块要提供四个１５Ｖ的独立电源（下桥臂三　个ＩＧＢＴ可共用一个电源）。该电路在需设计驱　动保护功能时则成本更高。　在圈４　ｌ祁图７ａ中均利用通用集成电路　７５４５２内部的两个ＮＰＮ输出晶体管作开关器　件进行高额调制，从而省去了用分立元件的许　多麻烦，简化了电路设计，减小了电路的体积。　单高频和双高频脉冲变压器驱动控制电路　的突出优点是电源信号和ＰＷＭ信号同时实现　隔离障输给出，无需另设计独立的开关电源，并　匿号　电路　结构　较简单　简单　驱动控制电路。该电路的不足是在同等调制频　率下，传输延时比双辕冲变压器电路稍大些。　电路　可靠性　高　高　三种驱动电路的性能比较　电路　体积　较小　较小　信号｛孝输　延迟时同　８０ａｓ左右　＜１００ｎｓ　电路抗　驱动电源　干扰能力　张定性　较好　好　电路　推广性　好　好　图２　圈４　外部陕定　好　图７　最简单　小　２００ｎｓ左右　较高　好　最好　专用　４结束语　本文针对智能模块（ｊＰＭ）的特点及驱动要　求，设计了三种信号传输延迟时间小的驱动控　制电路，它们都具有结构简单、体积小、隔离性　好、抗干扰性能好、信号传输速度快的优点。实　验结果说明所提供的电路驱动特性令人满意，　能很好地满足ＩＰＭ模块的驱动控制要求。本文　３卢红，梁任秋．戴忠迭．ＩＧＢＴ驱动保护与应用　桔术、电力电子技术，１９９３（２）：Ｉ～５　ｄ　彘新斌功率晶体管的驱动与保护．电力电子　技术．ｉ　９９１（Ｉ）　７～１０　５　Ｋｌｅｍｅｎｓ　Ｈｅｕｍａｎｎ（西德）．ＧＴＯ型ＰＷＭ避变　器的设计规范．国外电力电子技术．１　９８７（４）：１～ｓ　６　Ｓｗａｎｅｐｏｅ｜Ｐ　Ｈ　ｅｔｃ．Ｔｍｎｓ『ｏｒｍｃ￣ｒ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｉ—　ｒｅｃｔ　Ｂａｓｅ　Ｄｒｉｖｅ　Ｔｅｅｈｏ］ｏｇｙ　ｆｏｒ　Ｈｉｇｈ　Ｐｏｗｅｒ　Ｈｉｇｈ　的研究尚届探讨性的工作，各驱动控制电路的　特性遵有待于在具体应用中诗一步验证完善。　参考文献　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ　ＰＷＭ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ·ＩＥＥＥ　ＩＡＳ’８７，１鸭７．９０６￣９１３　７　Ｍａｔｘｕｄａ　Ｙ．Ｆｕｋｕｉ　Ｈ　ＣｔＣ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ＰＷＭ　Ｉ　ｅｒｔｅｒ　Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ　ＧＴＯ．ＩＥＥＥ，ｌ９８３·ＩＡ一１９　ｒ　３）：３３５～３一Ｉ２　１章进法，林渭勋．大功率晶体管模块驱动电路　电气日动化．１９９４（４）：２０￣２３　２沈国柝，林滑勋．绝缘栅品体管（ＩＧＩＪＴ｝驱动电　路研咒电气自动化，１９９３（５）：３｛一一３７　收稿日期；ｉ９９４．１　２．１　９　Ｃ下转第１９面）　维普资讯 http://www.cqvip.com

电窖滤波型整流电路的网侧谐波分析　１９　波含量均只与乘积，ｏＲＣ有关；　（２）三相桥式电路在轻载时直流侧获得的　充电电流是断续的，重载时是连续的，分界点是　Ｒ—　／，ｏＣ＂；　电流，以及采用相控挢式电路，也都是较常见的　电窖滤波型整流电路的形式，其网侧谐波都有　待进行深入分析。　参１黄２　（３）位移因数都是超前的，电流最大超前角　单相和三相电路分别为３２．１。和１　３。，三相电路　的位移因敬几乎为１；　考文献　惶．半导体变流技术（第二舨）．北京　机械　工业出版社．１　９８６．　Ｋｅｌｔｅｙ　Ａ．Ｙａｄｕ￣ｋｙ　Ｗ，Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　Ｍｉｎ［ｍｕｍ　Ｌｉｎｅ－ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｈａｒｍｏｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｍａｘｉｍｕｍ　Ｐｏｗ—　ｅｒ　Ｆａｃｔｏｒ．ＩＥＥＥ　ＴＦａＤＳ　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ．１９９２，　ＰＥ一７（２）：３３２～３４１　（４）基波固敬、电流畸变率及总功率因敬都　随着ｎ　ｃ的增大而变差；　（５）在相同的ｏ．，ＲＣ下，两种电路的　、ＴＨＤ　及＾这几项性能指标非常接近，在　ｃ一０附　近单相电路的指标稍好于三相电路；　（６）单相电路网侧电流谐波次数为２一＋１，　而三相电路仅含６一土１次谐波，一一１．２，…。不　论哪种电路，随着谐波次敬的升高谐波含量均　减少．而且各次谐波的含量均随着　Ｒｃ的增大　而增大。　３　日本电气学会电力半导体变澎方式调研专门　委员会．电力半导体变流电路．北京：机械工业出版杜．　１９９３．　４林渭勋，章进法．褒晓明，开关电蝠【＾端功率因　数校正技术．中国电工技术学会电力电子学会第五次　全国学术会议论文集．成都．１　９９３．ｄ１ｌ～ｄｌ１　５张明勋主编．电力电子设备设计和应用手册．　本文未计及电网侧的阻抗，网侧阻抗的影　北京　机械工业出版社，１　９９０．　收稿日期：ｌ９９５．Ｏ１．０６　响不可忽略时的谐波分析是后续工作之一。另　外，在滤波电容前串入小滤波电感来抑制冲击　作者简介　刘进军；男．１９７０年１２片生，博士研究生。专韭研览方向为电力电子装置的谐波抑制和无功朴楼。　卓放　．１　９６２年５月生．讲师，嘲士学位．研究方向为电力电子技术．　．１　９４５年生，教授，博士生导师。主要研览方向为电力电子变漉挂术，电力电子电路仿真，谐波押制震　王兆安　无功功年补偿寻．　（上接第５页）　作者简介　章进法；男，１９６４年２月生．副教授，博士学位。主要＾Ｌ事电力电子挂术的教学和研览工作。研究方向包括新型　功率半导体器件的应用基础研究；ＰＷＭ功率变换嚣震其控毒４技术；功率变换器的网侧功率因数校正挂求；不问断　供电电源桂术震高频、超音频感应加热电源挂术。　娥钒卫：男，１９７０年５月生．硕士研览生。主喜研究方向为１ＧＢＴ震其智能功率模块的应用基础挂求｝不间断供　电电潦震其网１黛ｌ功率因救校正挂求。