CN102185286A - 大功率igbt冗余驱动保护电路 - Google Patents

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徐华中
桂林
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Abstract

本发明是一种大功率IGBT冗余驱动保护电路,其包括一个受控IGBT、基本隔离驱动单元U1、冗余隔离驱动单元U2和开关管单元U3,其中:U1的输入端与驱动信号Vin相连,U1的输出端经栅极电阻R1与IGBT栅极相连;U2的输入端连接驱动信号Vin,U2的输出端与U3的输入端相连;U3的两个输出端分别与IGBT栅极和U1的内部负偏置电压端相连。本发明提供的大功率IGBT冗余驱动保护电路,具有以下优点:能够降低IGBT关断时的驱动电路内阻抗,快速释放浪涌电流,降低栅极电压,防止IGBT误导通,确保IGBT可靠关断;当驱动信号开关频率为25000Hz时,IGBT门级电压下降时间小于500ns。

Description

大功率IGBT冗余驱动保护电路
技术领域
[0001] 本发明涉及一种大功率IGBT (绝缘栅双极晶体管,hsulated Gate Bipolar Transistor)冗余驱动保护电路。
背景技术
[0002] IGBT集双极型功率晶体管和功率MOSFET的优点于一体,具有电压控制、输入阻抗大、驱动功率小、开关速度高、开关损耗小、饱和压降低、耐高电压、大电流等一系列应用上的优点,而成为大功率开关电源等电力电子装置的首选功率器件。
[0003] IGBT是通过栅极电容的充放电来控制开通和关断,栅极电容的充放电通过栅极驱动电阻来控制。栅极电阻影响IGBT的开关时间、开关损耗、反向偏置安全运行区域、短路电流安全运行区域、EMI、dv/dt、di/dt和续流二极管的反向恢复电流。栅极驱动电阻的选择是驱动电路设计的重要部分。栅极驱动电压的上升、下降速率对IGBT的开通和关断过程有着较大的影响。在高频应用场合,驱动电压的上升、下降速率应尽量快一些,以提高IGBT的开关速度,降低损耗。减小栅极串联电阻,可以提高IGBT的开关速度,降低开关损耗,但在开通过程中如有续流二极管的反向恢复电流和吸收电容的放电电流,则开通的越快,IGBT 承受的峰值电流越大,越容易导致IGBT损坏。因此应该降低栅极驱动电压的上升速率,即增加栅极串联电阻的阻值,抑制该电流的峰值。其代价是较大的开通损耗。利用此技术,开通过程的电流峰值可以控制在任意值。
[0004] 由以上分析可知,栅极串联电阻和驱动电路内阻抗对IGBT开通过程影响较大,而对关断过程影响小一些,在关断过程中栅极电阻小有利于加快关断速度,减小关断损耗。
[0005] 目前的IGBT驱动电路在高电压,大电流的工作状态下关断时,由于IGBT栅极集电
极间电容 〜的密勒效应,会产生很
大的浪涌电流。这个浪涌电流流过栅极电阻和功率扩展电路,受IGBT驱动电路部分分布电容的影响,可能产生很高的电压,影响^^的下降引起IGBT误导通。在某些环境下,各种干扰也会对IGBT驱动电路产生影响,引起IGBT误导通,损坏电力器件。
发明内容
[0006] 本发明所要解决的技术问题是:为解决现有技术对于IGBT关断动作稳定性的不足,提供一种大功率IGBT冗余驱动保护电路。
[0007] 本发明解决其技术问题采用以下的技术方案:
本发明提供的大功率IGBT冗余驱动保护电路,其包括一个受控IGBT、基本隔离驱动单元U1、冗余隔离驱动单元U2和开关管单元U3,其中:U1的输入端与驱动信号Vin相连,Ul 的输出端经栅极电阻Rl与IGBT栅极相连;U2的输入端连接驱动信号Vin,U2的输出端与 U3的输入端相连;U3的两个输出端分别与IGBT栅极和Ul的内部负偏置电压端相连。
[0008] 所述基本隔离驱动单元U1,可以采用由IGBT驱动芯片HCPL-316J为核心搭建的隔离驱动电路。
[0009] 所述冗余隔离驱动单元U2,可以采用光耦TLP250进行隔离,或者采用继电器进行隔1¾°
[0010] 所述冗余隔离驱动单元U2,可以由二极管D1、稳压管Z1、快速光耦Ox和四个电阻组成,其中:电阻R2的一端接正5伏工作电压,另一端接光耦Ox的正信号输入端;电阻R3 的一端接光耦Ox的正信号输入端,另一端接光耦Ox的负信号输入端以及输入信号Vin ;所述快速光耦0x,其电源端连接到正15伏工作电压,其信号输出端连接到电阻R4的一端以及二极管Dl的阴极,其地端连接到稳压管Zl的阳极以及电阻R5的一端,还连接到基本隔离驱动单元Ul的负驱动电压端;电阻R4、R5的另一端以及二极管Dl的阳极、稳压管Zl的阴极连接到开关管单元U3。
[0011] 所述快速光耦0x,可以采用型号为TLP250或TLP251的光耦。
[0012] 所述二极管D1,可以采用型号为1N5819或SR160的二极管。
[0013] 所述稳压管Z1,可以采用型号为1N4744A或1N4745A的稳压管。
[0014] 所述开关管单元U3,可以采用型号为IRM807或NCE7580的场效应管。该场效应管中,其栅极连接到冗余隔离驱动单元U2,其漏极连接到IGBT的门极,其源极连接到基本隔离驱动单元Ul的负驱动电压端。
[0015] 本发明提供的上述大功率IGBT冗余驱动保护电路,其用作IGBT关断动作的保护, 以确保IGBT关断动作的稳定性。
[0016] 本发明具有以下主要的优点:
其一.能够降低IGBT关断时的驱动电路内阻抗,快速释放浪涌电流,降低栅极电压,防止IGBT误导通,确保IGBT可靠关断。
[0017] 其二 .实验测得,当驱动信号开关频率为25000Hz时,IGBT门级电压下降时间小于 500ns。
附图说明
[0018] 图1是本发明的电路结构原理框图。
[0019] 图2是图1所示电路的一种具体实施例电路原理图。
具体实施方式
[0020] 本发明提供的大功率IGBT冗余驱动保护电路,其结构如图1所示,包括一个受控 IGBT,一个基本隔离驱动单元U1,一个冗余隔离驱动单元U2,一个开关管单元U3,其中:U1 的输入端与驱动信号Vin相连,Ul的输出端经栅极电阻Rl与IGBT栅极相连。U2的输入端连接驱动信号Vin,U2的输出端与U3的输入端相连。U3的两个输出端分别与IGBT栅极和 Ul的内部负偏置电压端相连。
[0021] 所述基本隔离驱动单元Ul可以采用由IGBT驱动芯片HCPL-316J为核心搭建的隔离驱动电路。
[0022] 所述冗余隔离驱动单元U2,其隔离方式可以为光隔离,例如采用光耦TLP250 ;也可以为电磁隔离,例如采用继电器。
[0023] 所述冗余隔离驱动单元U2,其具体电路组成如图2所示,由电阻R2、R3、R4、R5,二极管D1,稳压管Zl和快速光耦Ox组成。其中:电阻R2—端接正5伏工作电压,另一端接光耦Ox的正信号输入端。电阻R3 —端接光耦Ox的正信号输入端,另一端接光耦Ox的负信号输入端以及输入信号Vin。快速光耦Ox的电源端连接到正15伏工作电压,快速光耦Ox 的信号输出端连接到电阻R4的一端以及二极管Dl的阴极,快速光耦Ox的地端连接到稳压管Zl的阳极以及电阻R5的一端,还连接到基本隔离驱动单元Ul的负驱动电压端,电阻R4、 R5的另一端以及二极管Dl的阳极、稳压管Zl的阴极连接到开关管单元U3。
[0024] 上述快速光耦Ox可以采用型号为TLP250的光耦,也可以采用其它型号的例如 TLP251的光耦。
[0025] 上述二极管Dl可以采用型号为1N5819或其它型号的例如SR160的二极管。
[0026] 上述稳压管Zl可以采用型号为1N4744A的稳压管,也可以采用其它型号的例如 1N4745A的稳压管。
[0027] 所述冗余隔离驱动单元U2这样工作,当驱动信号Vin为低电平时,基本隔离驱动单元Ul控制IGBT关断,同时冗余隔离驱动单元U2控制开关管单元U3导通,IGBT栅极直接被箝位到驱动电路的负偏置电压,降低驱动电路的内阻抗,同时快速释放浪涌电流,确保 IGBT可靠的关断。当驱动信号Vin为高电平时,冗余隔离驱动单元U2控制开关管单元U3关断,IGBT栅极通过栅极电阻Rl连接到基本隔离驱动单元U1,正常开通,这样既保持了 IGBT 的正常开通,又降低了 IGBT关断时的驱动电路内阻抗,快速释放浪涌电流,降低栅极电压, 确保IGBT的可靠关断。
[0028] 所述开关管单元U3可以采用型号为IRM807的场效应管VI,如图2所示:该场效应管Vl的栅极连接到冗余隔离驱动单元U2,场效应管Vl的漏极连接到IGBT的门极,场效应管Vl的源极连接到基本隔离驱动单元Ul的负驱动电压端。
[0029] 所述开关管单元U3也可以采用其它型号的例如NCE7580场效应管。
[0030] 上述驱动信号Vin的幅度值是5V。基本隔离驱动单元Ul和冗余隔离驱动单元U2 的正驱动电压是15伏,负驱动电压是负5伏。
[0031] 本发明提供的大功率IGBT冗余驱动保护电路,其作为IGBT关断动作的保护的应用,具体是:当驱动信号Vin为低电平时,基本隔离驱动单元Ul控制IGBT关断,同时冗余隔离驱动单元U2控制开关管单元U3导通,IGBT栅极直接被箝位到驱动电路的负偏置电压,降低驱动电路的内阻抗,同时快速释放浪涌电流,确保IGBT可靠的关断。当驱动信号Vin为高电平时,冗余隔离驱动单元U2控制开关管单元U3关断,IGBT栅极通过栅极电阻Rl连接到基本隔离驱动单元U1,正常开通。这样既保持了 IGBT的正常开通,又降低了 IGBT关断时的驱动电路内阻抗,快速释放浪涌电流,降低栅极电压,确保IGBT的可靠关断。
[0032] 下面结合图2描述冗余隔离驱动单元U2和开关管单元U3的工作过程:
当驱动信号Vin为低电平时,快速光耦Ox的正输入端为高电平5伏,该光耦的负输入端为低电平0伏,此时快速光耦Ox导通,其输出端Vo为15伏。二极管Dl和电阻R4与场效应管Vl的栅源极电容组成延时电路,延时时间约为500ns,这个延迟时间用于延迟导通场效应管VI,防止IGBT关断时栅极电压下降率过大而造成损坏。而当延迟时间过去之后, 场效应管Vl导通,将IGBT栅极电压钳位到基本隔离驱动单元Ul的负偏置电压即负5伏, 确保IGBT可靠关断。
[0033] 当驱动信号Vin为高电平时,快速光耦Ox关断,其输出端Vo为负5伏。电阻R5将场效应管Vl栅极电压钳位在负5伏,场效应管Vl关断,IGBT栅极通过栅极电阻Rl连接到基本隔离驱动单元Ul,正常开通。
[0034] 以上所述仅为本发明的较佳实施例,凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰,皆应属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (10)

1.大功率IGBT冗余驱动保护电路,其特征是该保护电路包括一个受控IGBT、基本隔离驱动单元U1、冗余隔离驱动单元U2和开关管单元U3,其中:U1的输入端与驱动信号Vin相连,Ul的输出端经栅极电阻Rl与IGBT栅极相连;U2的输入端连接驱动信号Vin,U2的输出端与U3的输入端相连;U3的两个输出端分别与IGBT栅极和Ul的内部负偏置电压端相连。
2.根据权利要求1所述的大功率IGBT冗余驱动保护电路,其特征在于:所述基本隔离驱动单元Ul采用由IGBT驱动芯片HCPL-316J为核心搭建的隔离驱动电路。
3.根据权利要求1所述的大功率IGBT冗余驱动保护电路,其特征在于:所述冗余隔离驱动单元U2,其采用光耦TLP250进行隔离。
4.根据权利要求1所述的大功率IGBT冗余驱动保护电路,其特征在于:所述冗余隔离驱动单元U2,其采用继电器进行隔离。
5.根据权利要求1所述的大功率IGBT冗余驱动保护电路,其特征在于所述冗余隔离驱动单元U2,其由二极管D1、稳压管Z1、快速光耦Ox和四个电阻组成,其中:电阻R2的一端接正5伏工作电压,另一端接光耦Ox的正信号输入端;电阻R3的一端接光耦Ox的正信号输入端,另一端接光耦Ox的负信号输入端以及输入信号Vin ;所述快速光耦0x,其电源端连接到正15伏工作电压,其信号输出端连接到电阻R4的一端以及二极管Dl的阴极,其地端连接到稳压管Zl的阳极以及电阻R5的一端,还连接到基本隔离驱动单元Ul的负驱动电压端;电阻R4、R5的另一端以及二极管Dl的阳极、稳压管Zl的阴极连接到开关管单元U3。
6.根据权利要求5所述的大功率IGBT冗余驱动保护电路,其特征在于:所述快速光耦 Ox采用型号为TLP250或TLP251的光耦。
7.根据权利要求5所述的大功率IGBT冗余驱动保护电路,其特征在于:所述二极管Dl 采用型号为1N5819或SR160的二极管。
8.根据权利要求5所述的大功率IGBT冗余驱动保护电路,其特征在于:所述稳压管Zl 采用型号为1N4744A或1N4745A的稳压管。
9.根据权利要求5所述的大功率IGBT冗余驱动保护电路,其特征在于:所述开关管单元U3采用型号为IRM807或NCE7580的场效应管,该场效应管中,其栅极连接到冗余隔离驱动单元U2,其漏极连接到IGBT的门极,其源极连接到基本隔离驱动单元Ul的负驱动电压端。
10.权利要求1至9中任一权利要求所述大功率IGBT冗余驱动保护电路的用途,其特征在于该保护电路作为IGBT关断动作的保护的应用,具体是:当驱动信号Vin为低电平时, 基本隔离驱动单元Ul控制IGBT关断,同时冗余隔离驱动单元U2控制开关管单元U3导通, IGBT栅极直接被箝位到驱动电路的负偏置电压,降低驱动电路的内阻抗,同时快速释放浪涌电流,确保IGBT可靠的关断;当驱动信号Vin为高电平时,冗余隔离驱动单元U2控制开关管单元U3关断,IGBT栅极通过栅极电阻Rl连接到基本隔离驱动单元U1,正常开通。
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