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）

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）

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。

IGBT驱动电路；脉冲变压器隔离；短路保护

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[1]。

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，由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。

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VT+、VT-和对应的输入电流IT+、IT-，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R1、R2，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V2=+5V。当微分脉冲大于IC1的VT+后，IC2输出高电平VOH。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，Va必须满足

即满足

为了准确重构PWM波：VOH取为最小值2.7V；VT-取为最大值1.0V。如果取R1=1kΩ，解得R2≤2.1kΩ。

2）确定R2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-5V。而实际情况是：下跳脉冲是充电的微分电容C1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，V2峰值可达-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-2.5～-3.5V。因此为了确保最小占空比时，都能重构PWM波，取V2=-2.5V。即在V2=-2.5V的条件下，IC2的输出都能够可靠翻转，则Va应该满足：

即满足

VOH取为典型值3.4V；VT-取为最小值0.5V。仍取R1=1kΩ，解得R2≥1.3kΩ。因此，综合的结果：R1=1kΩ时，R2取值在1.3～2.1kΩ之间，故取R2=1.5kΩ。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-5～-10V，本文设计取为-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。

图2 电平变换及功率放大电路

图2 中，IC3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-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3～6μs允许短路时间，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Uce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：VZ1、R14、R11、R12以及β10，应使T10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IC7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，Uce变高，T10管截止，延时电容Cx通过R11放电，在延时3～6μs的时间后，IC5输出端上跳，RS锁存器的IC7输出端被置为1，则IC8输出低电平，d点的电位会被IC8的输出端通过R15、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R15、R4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：R1=1kΩ，R2=1.5kΩ，f=100kHz，重构的PWM占空比调节范围达1%～49%。图4（a）所示为PWM波、边沿微分脉冲耦合输出、PWM重构以及电平变换的波形；图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。

图4 主要波形分析

4 结论

提出的新型驱动电路，功能全面，分别为以下几个方面：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，不仅响应速度快，能够有效解决传输延迟问题，而且还能够解决驱动器输出波形的一致性问题；③能够输出+15V和-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确保在驱动脉冲占空比很小或为零时，输出-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，保护动作的延迟时间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失效问题，提高IGBT工作的安全性。

[1] 张黎, 尹向阳. 高压大功率IGBT驱动模块的技术特点[J]. 系统应用, 2007(6): 86-89.

[2] 丁浩华, 陈明辉. 带过流和短路保护的IGBT驱动电路研究[J]. 电力电子技术, 1997(1): 30-32.

[3] 王华彪, 陈亚宁. IGBT和MOSFET器件的隔离驱动技术[J]. 电源技术应用, 2006(5): 43-45.

Research and Design of an IGBT Drive Circuit for Pulse Transformer Isolation

Liu Hongling Liu Mingyu
(Chongqing University, Chongqing 400044)

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.

IGBT drive circuit; pulse transformer isolation; short circuit protection