CN101882860A - 一种新型igbt驱动保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型IGBT驱动保护电路，其主要包括：提供工作电压的电源；电压基准单元；绝缘栅双极晶体管IGBT；一个控制脉冲输入电路；光耦P1；初级放大电路；Vce监测保护电路；故障软关断电路；其主要特点在于还包括一个欠压保护单元，用于在电源电压降低到设定值时封锁驱动保护电路的输出；本发明还包括一个上升下降时间可调电路，用来调节绝缘栅双极晶体管IGBT导通的上升时间T_r和关断的下降时间T_f。本发明电路功能完善、性能可靠，易于推广应用。

Description

一种新型IGBT驱动保护电路

技术领域

本发明电路属于电力电子领域，具体涉及一种绝缘栅双极晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)的驱动保护电路。

背景技术

绝缘栅双极晶体管IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。它既具有功率MOSFET输入阻抗高、工作速度快、易驱动的优点，又具有双极达林顿功率管GTO饱和电压低、电流容量大、耐压高等优点，能正常工作于几十KHz频率范围内，故在较高频率的大、中功率设备(如变频器、UPS电源、高频焊机等)应用中占据了主导地位。IGBT的驱动保护电路是其应用方案设计的难点和关键，性能优良的驱动保护电路是确保IGBT高效、可靠运行的必要条件。如图1所示为现有技术方案中一种典型的驱动保护电路，特点是结构简单，具有驱动电源保护功能，但是对IGBT导通的上升时间T_r和关断的下降时间T_f不可调，这就导致了这一电路应用的局限性。一个性能优良的驱动保护电路应该具备以下特征：首先具有良好的隔离功能而且对信号的延时很小；其次应该能够提供一定幅值的正反向栅极电压并且具有足够的驱动能力；必须串联合适的栅极电阻，然而不同规格的IGBT和不同的应用场合具体对IGBT的导通的上升时间T_r和关断的下降时间T_f要求不同，因此性能好的驱动保护电路应该具备分别调节T_r和T_f的功能。另外，驱动保护电路应该具有欠压保护功能。

然而全面分析目前的各种驱动保护电路方案，分别具有不同的侧重点，但没有一种电路方案具备上述所有的特征，因此造成驱动保护电路的可靠性不高，给使用带来了不便。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种具有欠压保护功能、对IGBT导通的上升时间T_r和关断的下降时间T_f可调的功能完善、性能可靠的新型IGBT驱动保护电路。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种新型IGBT驱动保护电路，主要包括：

一个用于提供工作电压的电源VCCA；

一个电压基准单元VCCB，通过VCCA的电源电压、电阻R10、电容C5、稳压管Z2产生，其用于绝缘栅双极晶体管IGBT提供关断所需的负的栅极电压；

一个用于控制负载通断的绝缘栅双极晶体管IGBT；

一个控制脉冲输入电路，用于提供脉冲信号给光耦P1；

光耦P1，主要用来实现控制电路和主电路的电气隔离，其输入端连接来自控制系统的控制脉冲输入电路的脉冲信号，输出端相当于一个OC门，输出的电压用于控制晶体管Q1和晶体管Q2的通断；

初级放大电路，主要包括晶体管Q2，用于对控制绝缘栅双极晶体管IGBT开通和关断所需要的栅极脉冲进行初级功率放大，其输入端与光耦P1的输出端连接，其输出端与上升下降时间可调电路的同相输入端相连；

Vce监测保护电路，主要由电阻R5、二极管D1、D4、D5、稳压管Z1组成，用于对绝缘栅双极晶体管IGBT进行过流保护。其中，二极管D1为快恢复、反向击穿电压高的二极管，二极管D1的阴极接绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极，阳极经电阻R5、R4与晶体管Q1的集电极连接，稳压管Z1的阴极接电阻R4，阳极接二极管D4的阳极，二极管D4的阴极接二极管D5的阴极，二极管D5的阳极接晶体管Q7的发射极；

故障软关断电路，主要由电阻R8、R7、二极管D2、电容C4组成，用于在绝缘栅双极晶体管IGBT发生过流或电源电压欠压时对绝缘栅双极晶体管IGBT进行缓慢关断防止过快关断而在绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极产生大的噪声，其中，二极管D2的阳极经电阻R9连接电源VCCA，阴极经电阻R7连接晶体管Q3的集电极，电容C4一端经电阻R7连接晶体管Q3的集电极，另一端接地；主要结构特点是，还包括一个欠压保护单元，用于在电源电压降低到设定值时封锁驱动保护电路的输出，该部分主要由电阻R18、R19、R20、R21、稳压管Z5、晶体管Q7组成，其中稳压管Z5的阳极接电阻R19，阴极接地，电阻R18一端接电源VCCA，另一端接晶体管Q7的发射极，电阻R19一端接电源VCCA，另一端接晶体管Q7的基极，稳压管Z5的阳极接地，阴极经电阻R20接晶体管Q7的基极，电阻R19和稳压管Z5上的压降控制晶体管Q7的开通和关断；所述的驱动保护电路还包括一个上升下降时间可调电路，用来调节绝缘栅双极晶体管IGBT的导通的上升时间T_r和关断的下降时间T_f，其中一输入端连接来自初级放大电路的输出，另一输入端连接晶体管Q3的集电极，输出端连接绝缘栅双极晶体管IGBT的栅极。

本发明中所述的上升下降时间可调电路主要包括一个驱动芯片P2，驱动芯片P2反相输入端接晶体管Q2的OC输出端，反相输出端与MOSFET器件Q4的栅极、电容C6的一端和稳压管Z3的阴极相连接，MOSFET器件Q4的源极连接到电源VCCA，MOSFET器件Q4的漏极与二极管D3的阳极和电阻R13的一端相连接；电阻R13的另一端与二极管D3的阴极和电阻R14的一端相连接，输出信号OUT加在绝缘栅双极晶体管IGBT的栅极，稳压管Z3的阳极与电容C6的另一端、电阻R15的一端和MOSFET器件Q5的栅极相连接；MOSFET器件Q5的漏极与电阻R14的另一端连接，MOSFET器件Q5的源极与电阻R17的一端和MOSFET器件Q6的漏极相连接；晶体管Q3的输出ERR与电阻R12相连，电阻R12的另一端连接到驱动芯片P2的同相输入端，驱动芯片P2的同相输出端与稳压管Z4的阴极和电容C7的一端相连，稳压管Z4的阳极与电容C7的另一端、电阻R16的一端和MOSFET器件Q6的栅极相连接，电阻R15的另一端、电阻R16的另一端、电阻R17的另一端和MOSFET器件Q5的源极相连接，共同连接到零电压。

本发明所述的控制脉冲输入电路包括晶体管Q8和电阻R22，电阻R22的一端接光耦P1的CATHODE输入端，另一端接晶体管Q8的集电极，输入控制脉冲PWMS接晶体管Q8的基极，用来控制晶体管Q8的导通和关断。

下面结合附图详细说明本发明的基本结构组成和工作原理。

附图说明

图1是一种现有技术方案的电路原理图；

图2、图3是本发明的电路功能结构框图；

图4是图2、图3结构框图中上升下降时间可调电路的电路原理示意图。

具体实施方式

如图2、图3、图4所示，本发明主要包括：

一个用于提供工作电压的电源VCCA，本实施例中VCCA选取20V；

一个电压基准单元VCCB，通过VCCA的电源电压、电阻R10、电容C5、稳压管Z2产生，其用于绝缘栅双极晶体管IGBT提供关断所需的负的栅极电压，本实施例中稳压管Z2的稳压数值可取5-8V；

一个用于控制负载通断的绝缘栅双极晶体管IGBT；

一个控制脉冲输入电路，用于提供脉冲信号给光耦P1，从图3可看出，本实施例的控制脉冲输入电路包括晶体管Q8和电阻R22，电阻R22的一端接光耦P1的CATHODE输入端，另一端接晶体管Q8的集电极，输入控制脉冲PWMS接晶体管Q8的基极，用来控制晶体管Q8的导通和关断；

光耦P1，主要用来实现控制电路和主电路的电气隔离，其输入端连接来自控制系统的控制脉冲输入电路的脉冲信号，输出端相当于一个OC门，输出的电压用于控制晶体管Q1和晶体管Q2的通断，从图3可看出，P1的输入端ANODE接电压VCCC，在本实施例VCCC的数值可取5-20V，输入端CATHODE接电阻R22的一端，光耦P1所需的电源电压来自电源VCCA；

初级放大电路，主要包括晶体管Q2，用于对控制绝缘栅双极晶体管IGBT开通和关断所需要的栅极脉冲进行初级功率放大，其输入端与光耦P1的输出端连接，其输出端与上升下降时间可调电路的同相输入端相连；

Vce监测保护电路，主要由电阻R5、二极管D1、D4、D5、稳压管Z1组成，用于对绝缘栅双极晶体管IGBT进行过流保护。其中，二极管D1为快恢复、反向击穿电压高的二极管，二极管D1的阴极接绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极，阳极经电阻R5、R4与晶体管Q1的集电极连接。本实施例中稳压管Z1为13V稳压管，稳压管Z1的阴极接电阻R4，阳极接二极管D4的阳极，二极管D4的阴极接二极管D5的阴极，二极管D5的阳极接晶体管Q7的发射极；

故障软关断电路，主要由电阻R8、R7、二极管D2、电容C4组成，用于在绝缘栅双极晶体管IGBT发生过流或电源电压欠压时对绝缘栅双极晶体管IGBT进行缓慢关断防止过快关断而在绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极产生大的噪声，其中，二极管D2的阳极经电阻R9连接电源VCCA，阴极经电阻R7连接晶体管Q3的集电极，电容C4一端经电阻R7连接晶体管Q3的集电极，另一端接地；

其主要特点在于还包括一个欠压保护单元，用于在电源电压降低到设定值时封锁驱动保护电路的输出，该部分主要由电阻R18、R19、R20、R21、稳压管Z5、晶体管Q7组成，本实施例中稳压管Z5为17V稳压管，电阻R19和R20为等阻值电阻，其中稳压管Z5的阳极接电阻R19，阴极接地，电阻R18一端接电源VCCA，另一端接晶体管Q7的发射极，电阻R19一端接电源VCCA，另一端接晶体管Q7的基极，稳压管Z5阳极接地，阴极经电阻R20接晶体管Q7的基极，电阻R19和稳压管Z5上的压降控制晶体管Q7的开通和关断，ERRU为欠压故障信号输出；本发明的驱动保护电路还包括一个上升下降时间可调电路，用来调节绝缘栅双极晶体管IGBT的导通的上升时间T_r和关断的下降时间T_f，所述上升下降时间可调电路的一输入端连接来自初级放大电路的输出，另一输入端连接晶体管Q3的集电极，输出端连接绝缘栅双极晶体管IGBT的栅极。结合图4可看出，本发明的上升下降时间可调电路主要包括一个驱动芯片P2，驱动芯片P2反相输入端接晶体管Q2的OC输出端，反相输出端与MOSFET器件Q4的栅极、电容C6的一端以及稳压管Z3的阴极相连接，MOSFET器件Q4的源极连接到电源VCCA，MOSFET器件Q4的漏极与二极管D3的阳极以及电阻R13的一端相连接；电阻R13的另一端与二极管D3的阴极以及电阻R14的一端相连接，输出信号OUT加在绝缘栅双极晶体管IGBT的栅极，稳压管Z3的阳极与电容C6的另一端、电阻R15的一端以及MOSFET器件Q5的栅极相连接；MOSFET器件Q5的漏极与电阻R14的另一端连接，MOSFET器件Q5的源极与电阻R17的一端以及MOSFET器件Q6的漏极相连接；晶体管Q3的输出ERR与电阻R12相连，电阻R12的另一端连接到驱动芯片P2的同相输入端，驱动芯片P2的同相输出端与稳压管Z4的阴极和电容C7的一端相连，稳压管Z4的阳极与电容C7的另一端、电阻R16的一端以及MOSFET器件Q6的栅极相连接，电阻R15的另一端、电阻R16的另一端、电阻R17的另一端以及MOSFET器件Q5的源极相连接，共同连接到零电压。

本发明的基本工作原理是：首先来自控制系统的脉冲信号PWMS经过光耦P1后被初级放大电路进行功率放大，然后经过上升下降时间可调电路，在这个电路结构里可以调节绝缘栅双极晶体管IGBT导通的上升时间T_r和关断的下降时间T_f。在这个过程中，如果驱动电源发生欠压的情况，本实施例中指电源VCCA降到18V以下，欠压保护电路就会被触发，它首先对绝缘栅双极晶体管IGBT进行缓慢关断，然后封锁驱动保护电路的输出直到驱动电源恢复到正常状态；如果绝缘栅双极晶体管IGBT因短路而发生过流，Vce监测保护电路就会被触发，它也是首先对绝缘栅双极晶体管IGBT进行软关断，然后封锁驱动保护电路的控制脉冲输出直到过流情况被解除。另外，根据不同应用情况可以调整加在绝缘栅双极晶体管IGBT栅极上的负的栅极电压，这里可以通过调节稳压管Z2的稳压数值实现，因此这样就扩展了本驱动保护电路的应用范围。

下面结合图3和图4描述本发明上升下降时间可调电路的具体工作过程及原理：

当光耦P1加上驱动信号PWMS后，光耦P1导通，A点电位迅速下降至0V，使晶体管Q1、Q2截止。晶体管Q2的截止使D点电位上升至高电平，D点经过驱动芯片P2的反相输入端之后输出低电平，MOSFET器件Q4导通，电源VCCA通过MOSFET器件Q4及栅极电阻R13向绝缘栅双极晶体管IGBT提供电流，使之迅速导通，此时可以通过调节电阻R13的阻值来调整绝缘栅双极晶体管IGBT导通回路的阻抗，表现出来的是驱动脉冲上升的陡度，即绝缘栅双极晶体管IGBT导通的上升时间，因此可以通过调节电阻R13的阻值来调节绝缘栅双极晶体管IGBT导通的上升时间T_r。与此同时，晶体管Q1的截止使电源VCCA通过电阻R3向电容C2充电，时间常数τ₁为

τ₁＝R3×C2＝2.42μs    (1)

这时B点电位上升，它由0V上升到稳压管Z1的击穿电压13V的时间可用下式求得：

$t_{13}=20{(1-e)}^{-t/{\mathrm{\τ}}_1}---\left(2\right)$

式(2)中，t＝2.54μs。绝缘栅双极晶体管IGBT延迟约1μs后导通，导通后的绝缘栅双极晶体管IGBT的栅极与发射极之间电压为3V左右，由于二极管D1的钳位作用使得B点和C点的电位不会上升到13V，而是上升到8V左右。因为稳压管Z1的稳压值为13V，绝缘栅双极晶体管IGBT正常开通时不会被击穿，晶体管Q3不导通，E点电位为高电平20V，二极管D2截止，ERR输出高电平20V。

当光耦P1上没有加驱动脉冲时，光耦P1不导通，A点电位上升，使晶体管Q1、Q2导通。晶体管Q1导通，电容C2通过晶体管Q1迅速放电，将B点和C点电位钳位在0V，稳压管Z1不导通，晶体管Q3截止，ERR输出高电平，经过驱动芯片P2正相输入端之后输出高电平使MOSFET器件Q6导通，E点仍为高电平，二极管D2截止。与此同时，晶体管Q2的导通使D点电位下降至低电平0V，D点电位经过驱动芯片P2的反相输入端之后输出高电平20V，使MOSFET器件Q4截止，电阻R14上的压降使MOSFET器件Q5导通。由于在绝缘栅双极晶体管IGBT正常导通和正常关断时，ERR都为高电平20V，因此经过驱动芯片P2后在电阻R16上的压降使得MOSFET器件Q6一直导通。在负的栅极电压下，绝缘栅双极晶体管IGBT栅极电荷通过电阻R14和MOSFET器件Q5、Q6迅速放电，绝缘栅双极晶体管IGBT的栅极和发射极之间加上-5V的电压，使绝缘栅双极晶体管IGBT可靠关断，此时可以调节电阻R14的阻值来调整绝缘栅双极晶体管IGBT关断回路的阻抗，表现出来的是关断绝缘栅双极晶体管IGBT的脉冲下降的陡度，即绝缘栅双极晶体管IGBT关断的下降时间，因此可以通过调节电阻R14的阻值来调整绝缘栅双极晶体管IGBT的关断的下降时间T_f。与此同时，Uce迅速上升，使二极管D1截止。

驱动保护电路在正常工作时，电源电压突然降低到一定幅值，这时会造成电路中部分元件不能正常工作并可能带来严重的后果，因此本发明加入了欠压保护单元，具体工作过程及原理是：驱动保护电路的电源电压处于正常范围内时，在本实施例中为18-20V，因为电阻R19和电阻R20是等阻值电阻，稳压管Z5是17V稳压管，因此在电阻R20和稳压管Z5上的压降使得晶体管Q7导通，故障信号ERRU为低电平，晶体管Q3不导通，驱动保护电路正常工作；当电源VCCA电压降低到18V时，电阻R20和稳压管Z5上的压降不足以使晶体管Q7导通，故障信号ERRU为高电平20V，此时晶体管Q3导通，驱动保护电路首先对绝缘栅双极晶体管IGBT进行软关断，然后封锁驱动保护电路的输出，直到电源VCCA电压恢复正常。

Claims (3)

1.一种新型IGBT驱动保护电路，主要包括：

一个用于提供工作电压的电源(VCCA)；

一个电压基准单元(VCCB)，通过电源(VCCA)的电压、电阻(R10)、电容(C5)、稳压管(Z2)产生，其用于绝缘栅双极晶体管(IGBT)提供关断所需的负的栅极电压；

一个用于控制负载通断的绝缘栅双极晶体管(IGBT)；

一个控制脉冲输入电路，用于提供脉冲信号给光耦(P1)；

光耦(P1)，主要用来实现控制电路和主电路的电气隔离，其输入端连接来自控制系统的控制脉冲输入电路的脉冲信号，输出端相当于一个OC门，输出的电压用于控制晶体管(Q1)和晶体管(Q2)的通断；

初级放大电路，主要包括晶体管(Q2)，用于对控制绝缘栅双极晶体管(IGBT)开通和关断所需要的栅极脉冲进行初级功率放大，其输入端与光耦(P1)的输出端连接，其输出端与上升下降时间可调电路的同相输入端相连；

Vce监测保护电路，主要由电阻(R5)、二极管(D1、D4、D5)、稳压管(Z1)组成，用于对IGBT进行过流保护；其中，二极管(D1)为快恢复、反向击穿电压高的二极管，二极管(D1)的阴极接绝缘栅双极晶体管(IGBT)的集电极，阳极经电阻(R5、R4)与晶体管(Q1)的集电极连接，稳压管(Z1)的阴极接电阻(R4)，阳极接二极管(D4)的阳极，二极管(D4)的阴极接二极管(D5)的阴极，二极管(D5)的阳极接晶体管(Q7)的发射极；

故障软关断电路，主要由电阻(R8、R7)、二极管(D2)、电容(C4)组成，用于在绝缘栅双极晶体管(IGBT)发生过流或电源电压欠压时对绝缘栅双极晶体管(IGBT)进行缓慢关断防止过快关断而在绝缘栅双极晶体管(IGBT)的集电极产生大的噪声；其中，二极管(D2)的阳极经电阻(R9)连接电源(VCCA)，阴极经电阻(R7)连接晶体管(Q3)的集电极，电容(C4)一端经电阻(R7)连接晶体管(Q3)的集电极，另一端接地；其特征在于还包括一个欠压保护单元，用于在电源电压降低到设定值时封锁驱动保护电路的输出，该部分主要由电阻(R18、R19、R20、R21)、二极管(Z5)、晶体管(Q7)组成，其中二极管(Z5)的阳极接电阻(R19)，阴极接地，电阻(R18)一端接电源(VCCA)，另一端接晶体管(Q7)的发射极，电阻(R19)一端接电源(VCCA)，另一端接晶体管(Q7)的基极，二极管(Z5)阳极接地，阴极经电阻(R20)接晶体管(Q7)的基极，电阻(R19)和稳压管(Z5)上的压降控制晶体管(Q7)的开通和关断；所述的驱动保护电路还包括一个上升下降时间可调电路，用来调节绝缘栅双极晶体管(IGBT)的导通的上升时间T_r和关断的下降时间T_f，其中一输入端连接来自初级放大电路的输出，另一输入端连接晶体管(Q3)的集电极，输出端连接绝缘栅双极晶体管(IGBT)的栅极。

2.根据权利要求1所述的新型IGBT驱动保护电路，其特征在于所述的上升下降时间可调电路主要包括一个驱动芯片(P2)，驱动芯片(P2)反相输入端接晶体管(Q2)的OC输出端，反相输出端与MOSFET器件(Q4)的栅极、电容(C6)的一端和稳压管(Z3)的阴极相连接，MOSFET器件(Q4)的源极连接到电源(VCCA)，MOSFET器件(Q4)的漏极与二极管(D3)的阳极和电阻(R13)的一端相连接；电阻(R13)的另一端与二极管(D3)的阴极和电阻(R14)的一端相连接，输出信号OUT加在绝缘栅双极晶体管(IGBT)的栅极，稳压管(Z3)的阳极与电容(C6)的另一端、电阻(R15)的一端和MOSFET器件(Q5)的栅极相连接；MOSFET器件(Q5)的漏极与电阻(R14)的另一端连接，MOSFET器件(Q5)的源极与电阻(R17)的一端和MOSFET器件(Q6)的漏极相连接；晶体管(Q3)的输出ERR与电阻(R12)相连，电阻(R12)的另一端连接到驱动片(P2)的同相输入端，驱动芯片(P2)的同相输出端与稳压管(Z4)的阴极和电容(C7)的一端相连，稳压管(Z4)的阳极与电容(C7)的另一端、电阻(R16)的一端和MOSFET器件(Q6)的栅极相连接，电阻(R15)的另一端、电阻(R16)的另一端、电阻(R17)的另一端和MOSFET器件(Q5)的源极相连接，共同连接到零电压。

3.根据权利要求1或2所述的新型IGBT驱动保护电路，其特征在于所述的控制脉冲输入电路包括晶体管(Q8)和电阻(R22)，电阻(R22)的一端接光耦(P1)的CATHODE输入端，另一端接晶体管(Q8)的集电极，输入控制脉冲(PWMS)接晶体管(Q8)的基极，用来控制晶体管(Q8)的导通和关断。

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