四种典型驱动电路实例分析

变频器的驱动电路功能是相同的，都是将CPU送来的驱动脉冲放大后送给逆变电路，因此驱动电路的组成结构基本相似，区别主要在于采用了不同的驱动芯片。变频器采用的驱动芯片型号并不是很多,下面介绍几种采用不同驱动芯片的驱动电路。

1.典型的驱动电路实例一分析

(1)TLP250和TLP750芯片介绍

TLP250是一种光耦合驱动器芯片,内部有光耦合器和双管放大电路,其内部结构如图9-12所示,当2、3脚之间加高电平时,输出端的晶体管VT₁导通,8脚与6、7脚相通,当2、3脚之间为低电平时,输出端的晶体管VT₂导通,5脚与6、7脚相通。TLP250最大允许输入电流为5mA,最大输出电流可达±2.0A,输入与输出光电隔离可达2500V,电源允许范围为10~35V。

TLP750为光耦合器,其内部结构如图9-13所示,当2、3脚为正电压时,6、5脚内部的晶体管导通,相当于6、5脚内部接通。

图9-12 TLP250芯片内部结构

图9-13 TLP750芯片内部结构

(2)由TLP250和TLP750构成的驱动电路分析

图9-14所示是由TLP250和TLP750构成的U相驱动电路,用来驱动U相上、下臂IGBT,另外该电路还采用IGBT保护电路。

图9-14 由TLP250和TLP750构成的U相驱动电路

1)驱动电路工作原理。开关变压器T₁二次绕组L₁₁上的感应电动势经整流二极管VD₅₄对C₇₇、C₇₈充得24.5V电压,该电压由R₁₀₈、VS₄₉分成15V和9.5V,以R₁₀₈、VS₄₉的连接点为0V,则R₁₀₈上端电压为+15V,VS₄₉下端电压为-9.5V,+15V送到U14(TLP250)的8脚(V_CC),-9.5V电压送到U14的5脚(GND)。在变频器正常工作时,CPU会送U+相脉冲到U14的2、3脚,当脉冲高电平来时,U14的8、7脚内部的晶体管导通,+15V电压→U14的8脚→U14内部晶体管→U14的7脚→R₁₁₉、R₁₀₆降压→VT₂₆、VT₂₇的基极,VT₂₆导通,+15V电压经VT₂₆、R₁₆₆送到上桥臂IGBT的G极,而IGBT的E极接VS₄₉的负端,E极电压为0V,故上桥臂的IGBT因U_GE电压为正电压而导通。

当CPU送到U14的2、3脚的U+脉冲为高电平时,送到U19的2、3脚的U-脉冲则为低电平,U19的7、5脚内部的晶体管导通,-9.5V电压→U19的5脚→U19内部晶体管→U19的7脚→R₁₇₁、R₁₆₃降压→VT₃₁、VT₃₂的基极,VT₃₂导通,下桥臂IGBT的G极通过R₁₆₈、VT32接-9.5V,而IGBT的E极接VS₆₅的负端,E极电压为0V,故下桥臂的IGBT因U_GE电压为负电压而截止。

2)保护电路。U13(TLP750)、VT₂₄、VS₄₆、VD₄₅、VD₄₇等元器件构成上桥臂IGBT保护电路。

当上桥臂IGBT正常导通时,其C、E极之间压降很低(约2V左右),VD₄₅正极电压也较低,不足于击穿稳压二极管VS₄₆,保护电路不工作。如果上桥臂IGBT出现过电流情况,IGBT的C、E极之间的压降增大,VD₄₅正极电压升高,如果电压大于9V,稳压二极管VS₄₆会被击穿,有电流流过VT₂₄的发射结,VT₂₄导通,一方面二极管VD₄₈导通,VD₄₈正极电压接近0V,VT₂₆因基极电压接近0V而由导通转为截止,上桥臂IGBT失去G极电压而截止,从而避免IGBT因电流过大而烧坏,另一方面VT₂₄导通使U13内部光耦合器导通,U13的6、5脚内部接通,6脚输出低电平,该电平作为GF/OC(接地/过电流)信号去CPU。在上桥臂IGBT截止期间,IGBT的压降也很大,但VD₄₅正极电压不会因此上升,这是因为此期间U14的7脚输出电压为-9.5V,VD₄₇导通,将VD₄₅正极电压拉低,稳压二极管VS₄₆无法被击穿,即保护电路在IGBT截止期间不工作。

2.典型的驱动电路实例二分析

(1)PC923和PC929芯片介绍

PC923是一种光耦合驱动器,其内部结构如图9-15所示,当2、3脚之间加高电平时,输出端的晶体管VT₁导通,5脚与6脚相通,当2、3脚之间为低电平时,输出端的晶体管VT₂导通,6脚与7脚相通。PC923允许输入电流范围为5~20mA,最大输出电流为±0.4A,输入与输出光电隔离最大为5000V,电源允许范围为15~30V。

PC929也是一种光耦合驱动器,内部不但有光耦合器和输出放大器,还带有IGBT保护电路。PC929内部结构如图9-16所示,其输入、输出关系见表9-2,例如当IF端输入为ON(即3、2脚之间为高电平,光耦合器导通)时,如果C端输入为高电平,则输出端的晶体管VT₁导通,11脚与12脚相通,Vo2端输出高电平,FS端输出为高电平。

图9-15 PC923芯片内部结构

图9-16 PC929芯片内部结构

表9-2 PC929输入、输出关系

(2)由PC923和PC929构成的驱动电路分析

图9-17所示是由PC923和PC929构成的U相驱动电路,用来驱动U相上、下臂IG-BT,另外该电路还采用IGBT保护电路。

图9-17 由PC923和PC929构成的U相驱动电路

1)驱动电路工作原理。开关变压器TC2二次绕组上的感应电动势经整流二极管VD₁₅对C₁₃、C₁₄充得28V电压,该电压由R₂₂、ZD₁分成18V和10V,以R₂₂、ZD₁连接点为0V,则R₂₂上端电压为+18V,ZD₁下端电压为-10V,+18V送到PC2(PC923)的8脚(V_cc),-10V电压送到PC2的7脚(GND)。在变频器正常工作时,CPU会送U+相脉冲到PC2的2脚,当脉冲低电平来时,PC2输入为ON(光耦合器导通),5、6脚内部的晶体管导通,+18V电压→PC2的5脚→PC2内部晶体管VT₁→PC2的6脚→R₂₁降压→VT₃、VT₄的基极,VT₃导通,+18V电压经VT₃、R₂₇送到上桥臂IGBT的G极,IGBT的E极接ZD₁的负极,E极电压为0V,故上桥臂的IGBT因U_GE电压为正电压而导通。

在CPU送到低电平U+脉冲到PC2时,会送高电平U-脉冲到PC3的2脚,PC3输入为OFF,PC3的11、10脚内部的晶体管VT₆导通,-10V电压→PC3的10脚→VT₆→PC3的11脚→R₉₅降压→VT₈、VT₉的基极,VT₉导通,下桥臂IGBT的G极通过R₁₀₁、VT₉接-10V,IGBT的E极接ZD₂的负极,E极电压为0V,故下桥臂的IGBT因U_GE电压为负电压而截止。

2)保护电路。R₉₉、VD₂₅、VD₂₆及PC929内部的IGBT保护电路等构成IGBT过电流保护电路。

在下桥臂IGBT正常导通时,C、E极之间的压降小,VD₂₅正极电压被拉低,VD₂₆负极电压低,VD₂₆导通,将PC929的9脚电压拉低,内部的IGBT保护电路不工作。如果流过IGBT的C、E极电流过大,IGBT的C、E极压降增大,VD₂₅正极电压被抬高,VD₂₆负极电压升高,其正极也升高,该上升的电压进入9脚使PC929内部的IGBT保护电路工作,将晶体管VT₅基极电压降低,VT₅导通变浅,11脚输出电压降低,VT₈导通也变浅,IGBT的G极正电压降低而导通变浅,使流过的电流减小,防止IGBT被过大电流损坏,与此同时,IGBT保护电路会送出一个高电平到VT₇基极,VT₇导通,PC929的8脚输出低电平,外部的光耦合器PC12导通,给CPU送一个低电平信号,告之IGBT出现过电流情况,如果IGBT过电流时间很短,CPU不作保护控制,如果IGBT过电流时间较长,CPU则执行保护动作,停止输出驱动脉冲到驱动电路,让逆变电路的IGBT均截止。

3.典型的驱动电路实例三分析(www.xing528.com)

(1)HCPL-316J芯片介绍

HCPL-316J是一种光耦合驱动器,它与A316J功能完全相同,可以互换。HCPL-316J内部结构及引脚功能如图9-18所示。

HCPL-316J的输出电流可达2A,可直接驱动IGBT,它内部电路由光耦合器分成输入电路和输出电路两部分,它采用输入阻抗很高的数字电路作信号输入端,无需较大的输入信号电流;HCPL-316J内部具有欠电压封锁和IGBT保护电路,当芯片输出电路的供电电压低于12V时,欠电压保护电路动作,12、11脚之间的内部晶体管截止,11脚停止输出幅度不足的驱动信号,另外,当IGBT出现过电流时,芯片外围的过电流检测电路使14脚电压升高,内部保护电路动作,一方面让MOS FET导通,停止从11脚输出驱动信号外,另一方面输出一路信号经放大和光耦合器后送到故障检测电路(FAULT),该电路除了封锁输入电路外,还会从6脚输出一个低电平去CPU或相关电路,告之IGBT出现过电流故障,要解除输入封锁,需给5脚输入一个低电平复位信号。

HCPL-316J关键引脚的输入、输出关系见表9-3。

图9-18 HCPL-316J内部结构及引脚功能

表9-3 HCPL-316J关键引脚的输入、输出关系

注:X:高电平或低电平;H:高电平;L:低电平;I:输入;O:输出。

(2)由HCPL-316J构成的驱动电路分析

图9-19所示是由HCPL-316J构成的U相驱动电路,用来驱动U相上、下臂IGBT,该电路还具有IGBT过电流检测保护功能。

1)驱动电路工作原理。开关变压器TC1二次绕组上的感应电动势经整流二极管VD₅₂对电容充得22.2V电压,该电压由R₇₃、VS₃₁分成15V和7.2V,以R₇₃、VS₃₁连接点为0V,则R₇₃上端电压为+15V,VS₃₁下端电压为-7.2V,+15V送到U31(A316J)的13、12脚作为输出电路的电源和正电压,-7.2V电压送到U31的9、10脚作为输出电路的负压。在变频器正常工作时,CPU会送U+相脉冲到U31的1脚,当脉冲高电平送入时,U31的12、11脚内部的达林顿晶体管(复合晶体管)导通,+15V电压→U31的12脚→U31内部晶体管→U31的11脚→R₇₅→上桥臂IGBT的G极,IGBT的E极接VS₃₁的负极,E极电压为0V,故上桥臂IGBT因U_GE电压为正电压而导通;当U+脉冲低电平送入U31的1脚时,U31的11、9脚内部的MOS FET导通,-7.2V电压→U31的9脚→内部MOS FET→U31的11脚→R₇₅→上桥臂IGBT的G极,IGBT的E极接VS₃₁的负极,E极电压为0V,故上桥臂的IGBT因U_GE电压为负电压而截止。

图9-19 由HCPL-316J构成的U相驱动电路

下桥臂驱动电路工作原理与上桥臂相同,这里不再叙述。

2)保护电路。R₇₂、C₄₆、VD₆₁及U31(A316J)内部的IGBT过电流检测及保护电路等构成上桥臂IGBT过电流保护电路。

在上桥臂IGBT正常导通时,C、E极之间的导通压降一般在3V以下,VD61负极电压低,U31的14脚电压被拉低,U31内部的IGBT检测保护电路不工作。如果IGBT的C、E极之间出现过电流,C、E极之间导通压降会升高,VD₆₁负极电压升高,U31的14脚电压被抬高,若过电流使IGBT导通压降达到7V以上,U31的14脚电压被抬高很多,U31内部IGBT检测保护电路动作,它一方面控制U31停止从11脚输出驱动信号,另一方面让U31从6脚输出低电平去CPU,告之IGBT出现过电流,同时切断U31内部输入电路。过电流现象排除后,给U31的5脚输入一个低电平信号,对内部电路进行复位,U31重新开始工作。

R₇₇用于释放IGBT栅电容上的电荷,提高IGBT通断转换速度,VS₃₄、VS₃₅用于抑制窜入IGBT栅极的大幅度干扰信号。

4.驱动电路典型实例四分析

(1)A4504和MC33153芯片介绍

A4504是一种光耦合器芯片,其内部结构如图9-20所示,前面介绍的几种光耦合器都采用双管推挽放大输出电路,而A4504采用单管集电极开路输出电路。MC33153P是一种驱动放大器,内部不带光耦合器,但带有较完善的检测电路。

MC33153P的内部结构及引脚功能如图9-21所示。MC33153P的4脚输入脉冲信号,在内部先由两个二极管抑制正负大幅度干扰信号,再经整形电路进行整形倒相处理,然后由与门电路分成一对相反的脉冲,送到输出电路两个晶体管的基极,当4脚输入脉冲高电平时,送到上晶体管基极的为低电平,送到下晶体管基极的为高电平,下晶体管导通,5脚通过二极管和下晶体管与3脚(电源负)接通,当4脚输入脉冲低电平时,上晶体管导通,5脚通过上晶体管与6脚(电源正)接通。MC33153P的4、5脚之间有一个三输入与门,脉冲信号能否通过受另两个输入端控制,任意一个输入端为低电平则与门不能通过4脚输入的信号,与门下输入端接欠电压检测电路,当6脚(V_CC)电压偏低时,欠电压检测电路会给与门送一个低电平,不允许脉冲信号通过,禁止电源电压不足时放大电路输出幅度小的驱动脉冲,因为IGBT激励不足时功耗增大容易烧坏;与门上输入端接欠电流检测(1脚内部电路)和过电流检测(8脚内部电路),当1脚输入电流偏小和8脚电压偏高时,检测电路都会送一个低电平到与门,禁止输入脉冲通过与门,与门上输出端输出低电平、下输出端(反相输出端)输出高电平,下晶体管导通,5、3脚接通。当MC33153P检测到1脚欠电流或8脚过电流时,会从7脚输出故障信号(高电平)去CPU。

图9-20 A4504芯片内部结构

图9-21 MC33153P芯片内部结构

(2)由A4504和MC33153P构成的驱动电路分析

图9-22所示是由A4504和MC33153P构成的U相驱动电路,用来驱动U相上、下臂IGBT,该电路还具有IGBT过电流检测保护功能。

图9-22 由A4504和MC33153P构成的U相驱动电路

1)驱动电路工作原理。开关变压器T₂二次绕组上的感应电动势经整流二极管VD₇对电容C₇充得上正下负的正电压,该电压送到U8、U17的8脚和U7、U16的6脚作为电源。

来自CPU的U+脉冲送到U8(A4504)的3脚,在内部经光耦合器隔离传递并放大后从6脚输出,送到U7(MC33153P)的4脚,在内部先整形倒相,再通过控制门分成一对相反脉冲(见图9-21所示的MC33153P内部结构图),分别送到输出端两个晶体管的基极,当U7的4脚输入脉冲低电平,上晶体管导通,6、5脚内部接通,5脚输出高电平,它经30Ω的电阻送到IGBT的G极,IGBT的U_GE为正电压而导通,当U7的4脚输入脉冲高电平,下晶体管导通,3、5脚内部接通,5脚输出低电平,IGBT的栅—射电容在导通时存储的电荷迅速放电,放电途径:IGBT的G极→30Ω、20Ω的电阻及二极管→U7的5脚→U7内部经二极管和导通的下晶体管→U7的3脚→IGBT的E极,IGBT的U_GE为零电压而截止。

本电路未采用为IGBT的G、E极提供负压的方式来使IGBT截止,而是采用迅速释放IGBT栅—射电容上的电荷(在G、E极加正压时充得的),使U_GE为零电压而截止。

2)保护电路。R₁₆、C₆、VD₂₇及U7(MC33153P)内部的过电流检测电路等构成上桥臂IGBT过电流保护电路。

在上桥臂IGBT正常导通时,C、E极之间的导通压降一般在3V以下,VD₂₇负极电压低,U7的8脚电压被拉低,U7内部的过电流检测电路不工作。如果IGBT的C、E极之间出现过电流,C、E极之间导通压降会升高,VD₂₇负极电压升高,U7的8脚电压被抬高,U7内部过电流检测电路动作,它一方面禁止5脚输出脉冲,另一方面从7脚输出高电平,通过光耦合器U25送给CPU。