CN101752841A - 一种绝缘栅双极晶体管保护电路及电机控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于电机控制领域，提供了一种绝缘栅双极晶体管保护电路及电机控制系统；所述绝缘栅双极晶体管保护电路包括：采样电路、反馈电路、驱动电路以及慢关断电路。本发明提供的绝缘栅双极晶体管保护电路采用慢关断电路，使得IGBT在过流保护时，增加了IGBT的关断时间，减小电流变化率，保护了IGBT不被损坏。
Description
技术领域
本发明属于电机控制领域，尤其涉及一种绝缘栅双极晶体管(Insulated GateBipolar Transistor，IGBT)保护电路及电机控制系统。
背景技术
大功率的绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)工作时，由于电机堵转导致短路过流或是由于上下桥IGBT串通导致过流，现有技术中的过流保护电路一般采用硬关断，一旦检测到电流过大时，立即关断IGBT，当保护电路立即执行关断时会导致IGBT电流的变化率很高，从而引起很高的电压，这些尖峰脉冲可能超出IGBT的耐压范围，损坏IGBT。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种绝缘栅双极晶体管保护电路，旨在解决现有技术采用硬关断的方式导致绝缘栅双极晶体管电流变化率很高从而使得IGBT容易损坏的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种绝缘栅双极晶体管保护电路，包括：采样电路、反馈电路、驱动电路以及慢关断电路；
所述采样电路的输入端连接至所述绝缘栅双极晶体管的集电极，对所述绝缘栅双极晶体管的过流信号进行采集后输出；
所述反馈电路的第一输入端与所述采样电路的输出端连接，根据所述采样电路采集的过流信号输出一低电平信号；
所述驱动电路的输入端连接至所述反馈电路的输出端，所述驱动电路的第一输出端连接至所述绝缘栅双极晶体管的基极，根据所述低电平信号控制所述绝缘栅双极晶体管关断；所述驱动电路的第三输出端连接至所述反馈电路的第二输入端；将所述低电平信号反馈输出给所述反馈电路；
所述慢关断电路的第一输入端连接至所述反馈电路的输出端，所述慢关断电路的第二输入端连接至所述驱动电路的第二输出端；根据所述低电平信号控制所述绝缘栅双极晶体管关断时累积的尖峰脉冲信号被释放。
本发明实施例的另一目的在于提供一种采用上述绝缘栅双极晶体管保护电路的电机控制系统。
本发明实施例提供的绝缘栅双极晶体管保护电路采用慢关断电路，使得IGBT在过流保护时，增加了IGBT的关断时间，减小电流变化率，保护了IGBT不被损坏。
附图说明
图1是本发明实施例提供的IGBT保护电路的模块结构图；
图2是本发明实施例提供的IGBT保护电路中慢关断电路的电路图；
图3是本发明实施例提供的IGBT保护电路中驱动电路的电路图；
图4是本发明实施例提供的IGBT保护电路中反馈电路以及采样电路的电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供的IGBT保护电路采用慢关断电路，使得IGBT在过流保护时，增加了IGBT的关断时间，减小电流变化率，保护了IGBT不被损坏。
本发明实施例提供的IGBT保护电路主要应用于电动汽车或混合动力车的电机控制系统中，其模块结构如图1所示，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下。
绝缘栅双极晶体管保护电路包括：采样电路20、反馈电路21、驱动电路22以及慢关断电路23，其中，采样电路20的输入端连接至绝缘栅双极晶体管10的集电极，对绝缘栅双极晶体管10的过流信号进行采集后输出；反馈电路21的第一输入端与采样电路20的输出端连接，根据采样电路20采集的过流信号输出一低电平信号；驱动电路22的输入端连接至反馈电路21的输出端，驱动电路22的第一输出端连接至绝缘栅双极晶体管10的基极，根据低电平信号控制绝缘栅双极晶体管10关断；驱动电路22的第三输出端连接至反馈电路21的第二输入端，将低电平信号反馈输出给反馈电路21；慢关断电路23的第一输入端连接至反馈电路21的输出端，慢关断电路23的第二输入端连接至驱动电路22的第二输出端；根据低电平信号控制绝缘栅双极晶体管10关断时累积的尖峰脉冲信号被释放。作为本发明的一个实施例，绝缘栅双极晶体管10的发射极通过一个二极管与绝缘栅双极晶体管10的集电极连接。
慢关断电路23的电路如图2所示，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下。
慢关断电路包括：第一晶体管Q4、第一开关管Q5、感应元件CS以及第一电阻R13；其中，第一晶体管Q4的基极通过感应元件CS连接至所述反馈电路21的输出端；第一晶体管Q4的发射极接公共端，公共端的电压为-7v，第一晶体管Q4的集电极接电源VCC；第一开关管Q5的控制端连接至第一晶体管Q4的集电极，第一开关管Q5的第一端作为慢关断电路23的第二输入端232连接至驱动电路22的第二输出端223，第一开关管Q5的第二端接公共端；第一电阻R13并联连接至第一开关管Q5的第一端与第二端之间。慢关断电路23通过第一电阻R13来实现一个缓冲区，使IGBT两端电压得到释放，这样IGBT关闭速度比正常时要慢，减小了IGBT电压的变化率，减小了IGBT快速关断时产生的浪涌电压。
作为本发明的一个实施例，第一晶体管Q4为NPN型三极管；第一开关管Q5可以为三极管，也可以为MOS管，还可以为任何电子开关管。
在本发明实施例中，慢关断电路23还包括：第一分压电阻R12、第二分压电阻R17、限流电阻R15以及稳压二极管D4；第一分压电阻R12与第二分压电阻R17依次串联连接至电源VCC与公共端之间，第一分压电阻R12与第二分压电阻R17的串联连接端与第一晶体管Q4的集电极连接；限流电阻R15以及稳压二极管D4依次串联连接至反馈电路的输出端与第一晶体管Q4的发射极之间。
在本发明实施例中，慢关断电路23进一步包括：第一反相器U3A，第一反相器U3A的输入端连接至反馈电路21的输出端，输出端与限流电阻R15连接，还与感应元件CS连接。作为本发明的一个实施例，慢关断电路23还包括电阻R14、R16，其中，电阻R14的一端与第一反相器U3A的输入端连接，另一端作为慢关断电路23的第一输入端231连接至反馈电路的输出端；而电阻R16并联连接至第一晶体管Q4的基极与发射极之间。
驱动电路22的电路如图3所示，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下。
驱动电路22包括：第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、开关模块U22、上拉电阻R7、下拉电阻R8、第一门极电阻R9、第二门极电阻R10；其中，开关模块U22的第一引脚1作为驱动电路22的第二输出端223连接至慢关断电路23的第二输入端232；开关模块U22的第二引脚2通过第二门极电阻R10连接至IGBT的基极；开关模块U22的第三引脚3通过第一门极电阻R9连接至IGBT的基极；开关模块U22的第四引脚4连接电源VCC；开关模块U22的第五引脚5通过上拉电阻R7连接至电源VCC，还与第二晶体管Q2的发射极连接；开关模块U22的第六引脚6通过下拉电阻R8连接至公共端，还与第三晶体管Q3的发射极连接；第二晶体管Q2的基极连接至反馈电路的输出端，集电极接电源VCC，发射极连接第三晶体管Q3的发射极；第三晶体管Q3的基极连接至反馈电路的第二输入端，第三晶体管Q3的集电极接地。
作为本发明的一个实施例，第二晶体管Q2为NPN型三极管，第三晶体管Q3为PNP型三极管。
作为本发明的一个实施例，开关模块U22包括一个P-MOS管和一个N-MOS管，两个MOS管的栅极由相同的信号驱动；当信号为高电平时，N-MOS管开启，当信号为低电平时，P-MOS管导通，从而产生一个两个晶体管的推挽输出配置。同时，MOS管的输出级可有一路或两路输出。
在本发明实施例中，驱动电路22还包括：第一电容C6、第二电容C7以及第一二极管D2、第二二极管D3；其中，第一二极管D2的阴极连接至开关模块U22的第五引脚5，阳极连接至第二晶体管Q2与第三晶体管Q3的连接端S1；第一电容C6与第一二极管D2并联连接；第二二极管D3的阳极连接至开关模块U22的第六引脚6，阴极连接至第二晶体管Q2与第三晶体管Q3的连接端S1；第二电容C7与第二二极管D3并联连接。
在本发明实施例中，驱动电路22还包括：第二反相器U1A以及第三反相器U2A；其中，第二反相器U1A的输入端作为驱动电路22的输入端221连接至反馈电路21的输出端，第二反相器U1A的输出端连接至第二晶体管Q2的基极；第三反相器U2A的输入端连接至第三晶体管Q3的基极，第三反相器U2A的输出端作为驱动电路22的第三输出端224连接至反馈电路21的第二输入端。作为本发明的一个实施例，驱动电路22还包括：电阻R11，连接至IGBT的基极与地之间。
采样电路20以及反馈电路21的电路如图4所示，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下。
反馈电路21包括：比较器U4B、第二开关管Q1、第二电阻R1、第三电阻R2以及第四电阻R3；其中，比较器U4B的反相输入端连接至采样电路20的输出端，比较器U4B的同相输入端连接至第二开关管Q1的第二端，比较器U4B的输出端作为反馈电路21的输出端211分别连接至驱动电路22的输入端221以及慢关断电路23的第一输入端231；第二开关管Q1的控制端作为反馈电路的第二输入端连接至驱动电路22的第三输出端224，第二开关管Q1的第一端连接电源VCC；第二开关管Q1的第二端通过第二电阻R1接地；第三电阻R2的一端接电源VCC1，另一端连接至比较器U4B的同相输入端；第四电阻R3的一端接电源VCC1，另一端连接至比较器U4B的反相输入端。作为本发明的一个实施例，第二开关管Q1为MOS管。
作为本发明的一个实施例，反馈电路21还包括：电容C1、C2、C4、C5以及电阻R4、R5，其中电容C1与第二电阻R1并联连接，电阻R4的一端与电阻R2连接，电阻R4的另一端通过电容C4连接至比较器U4B的反相输入端，电阻R4的另一端还通过电容C2连接至比较器U4B的输出端；电容C5的一端接地，另一端通过第四电阻R3连接至电源VCC1；电阻R5的一端连接至比较器U4B的反相输入端，另一端作为反馈电路21的第一输入端210连接至采样电路20的输出端。
在本发明实施例中，采样电路20包括：第五电阻R6以及第三二极管D1；其中，第五电阻R6的一端作为采样电路20的输出端连接至反馈电路21的第一输入端210，第五电阻R6的另一端通过第三二极管D1连接至IGBT集电极。
现结合上述各个图详述本发明实施例提供的IGBT保护电路的工作原理：当IGBT发生过流短路时，IGBT两端的电压为高电平，采样电路20将IGBT的过流信号采样后输出给反馈电路21，反馈电路21中的比较器U4B输出一个低电平信号给慢关断电路23以及驱动电路22；驱动电路22接收到低电平信号时，通过第一输出端222输出一控制信号控制IGBT关断，并且还通过第三输出端224输出一反馈信号给反馈电路21中的第二开关管Q1，第二开关管Q1关断；慢关断电路23接收到低电平信号时，第一晶体管Q4导通，第一开关管Q5截止，使得IGBT关断时累积的尖峰脉冲通过第一电阻R13释放，通过调整第一电阻R13的大小可以使IGBT慢关断的时间被限制在μs量级，与现有技术中关断时间在ns量级相比，增加了IGBT的关断时间，减小了IGBT的电流变化率，保护了IGBT不被损坏。
本发明实施例提供的IGBT保护电路采用慢关断电路，使得IGBT在过流保护时，增加了IGBT的关断时间，减小电流变化率，保护了IGBT不被损坏。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种绝缘栅双极晶体管保护电路，其特征在于，所述保护电路包括：采样电路、反馈电路、驱动电路以及慢关断电路；
所述采样电路的输入端连接至所述绝缘栅双极晶体管的集电极，对所述绝缘栅双极晶体管的过流信号进行采集后输出；
所述反馈电路的第一输入端与所述采样电路的输出端连接，根据所述采样电路采集的过流信号输出一低电平信号；
所述驱动电路的输入端连接至所述反馈电路的输出端，所述驱动电路的第一输出端连接至所述绝缘栅双极晶体管的基极，根据所述低电平信号控制所述绝缘栅双极晶体管关断；所述驱动电路的第三输出端连接至所述反馈电路的第二输入端；将所述低电平信号反馈输出给所述反馈电路；
所述慢关断电路的第一输入端连接至所述反馈电路的输出端，所述慢关断电路的第二输入端连接至所述驱动电路的第二输出端；根据所述低电平信号控制所述绝缘栅双极晶体管关断时累积的尖峰脉冲信号被释放。
2.如权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管保护电路，其特征在于，所述慢关断电路进一步包括：
第一晶体管、第一开关管、感应元件以及第一电阻；
所述第一晶体管的基极通过感应元件连接至所述反馈电路的输出端；所述第一晶体管的发射极接公共端，所述第一晶体管的集电极接电源；
所述第一开关管的控制端连接至所述第一晶体管的集电极，所述第一开关管的第一端连接至所述驱动电路的第二输出端，所述第一开关管的第二端接公共端；
所述第一电阻并联连接至所述第一开关管的第一端与第二端之间。
3.如权利要求2所述的绝缘栅双极晶体管保护电路，其特征在于，所述慢关断电路还包括：
第一分压电阻、第二分压电阻、限流电阻以及稳压二极管；
所述第一分压电阻与所述第二分压电阻依次串联连接至电源与公共端之间，所述第一分压电阻与所述第二分压电阻的串联连接端与所述第一晶体管的集电极连接；
所述限流电阻的一端连接至所述反馈电路的输出端，另一端通过所述稳压二极管连接至所述第一晶体管的发射极。
4.如权利要求3所述的绝缘栅双极晶体管保护电路，其特征在于，所述慢关断电路还包括：
第一反相器，其输入端连接至所述反馈电路的输出端，其输出端与所述限流电阻连接，还与所述感应元件连接。
5.如权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管保护电路，其特征在于，所述驱动电路进一步包括：
第二晶体管、第三晶体管、开关模块、上拉电阻、下拉电阻、第一门极电阻以及第二门极电阻；
所述开关模块的第一引脚连接至所述慢关断电路的第二输入端；所述开关模块的第二引脚通过所述第二门极电阻连接至所述绝缘栅双极晶体管的基极；所述开关模块的第三引脚通过所述第一门极电阻连接至所述绝缘栅双极晶体管的基极；所述开关模块的第四引脚连接电源；所述开关模块的第五引脚通过所述上拉电阻连接至电源，还与所述第二晶体管的发射极连接；所述开关模块的第六引脚通过所述下拉电阻连接至公共端，还与所述第三晶体管的发射极连接；
所述第二晶体管的基极连接至所述反馈电路的输出端，所述第二晶体管的集电极接电源，所述第二晶体管的发射极连接所述第三晶体管的发射极；
所述第三晶体管的基极连接至所述反馈电路的第二输入端，所述第三晶体管的集电极接地。
6.如权利要求5所述的绝缘栅双极晶体管保护电路，其特征在于，所述驱动电路还包括：
第一电容、第二电容以及第一二极管、第二二极管；
所述第一二极管的阴极连接至所述开关模块的第五引脚，阳极连接至所述第二晶体管与所述第三晶体管的连接端；
所述第一电容与所述第一二极管并联连接；
所述第二二极管的阳极连接至所述开关模块的第六引脚，阴极连接至所述第二晶体管与所述第三晶体管的连接端；
所述第二电容与所述第二二极管并联连接。
7.如权利要求6所述的绝缘栅双极晶体管保护电路，其特征在于，所述驱动电路还包括：
第二反相器以及第三反相器；
所述第二反相器的输入端连接至所述反馈电路的输出端，输出端连接至所述第二晶体管的基极；
所述第三反相器的输入端连接至所述第三晶体管的基极，输出端连接至所述反馈电路的第二输入端。
8.如权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管保护电路，其特征在于，所述反馈电路进一步包括：
比较器、第二开关管、第二电阻、第三电阻以及第四电阻；
所述比较器的反相输入端连接至所述采样电路的输出端，所述比较器的同相输入端连接至所述第二开关管的第二端，所述比较器的输出端分别连接至所述驱动电路的输入端以及所述慢关断电路的第一输入端；
所述第二开关管的控制端连接至所述驱动电路的第三输出端，所述第二开关管的第一端连接电源；所述第二开关管的第二端通过所述第二电阻接地；
所述第三电阻的一端接电源，另一端连接至所述比较器的同相输入端；
所述第四电阻的一端接电源，另一端连接至所述比较器的反相输入端。
9.如权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管保护电路，其特征在于，所述采样电路进一步包括：
第五电阻以及第三二极管；
所述第五电阻的一端连接至所述反馈电路的第一输入端，所述第五电阻的另一端通过所述第三二极管连接至所述绝缘栅双极晶体管的集电极。
10.一种电机控制系统，其特征在于，所述电机控制系统包括权利要求1-9任一项所述的绝缘栅双极晶体管保护电路。
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