CN102263544B - 一种带上电保护的igbt驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带上电保护的IGBT驱动电路，微控制器芯片在初始上电时，PWM输出引脚会出现高电平而造成IGBT的误导通，本发明将微控制器的PWM信号首先输入反相器，再通过电平幅值转换器，使微控制器在初始上电状态时输出稳定的低电平信号，从而使IGBT可靠关断。微控制器通过外部中断引脚实时检测过流信号与短路信号，防止IGBT过流甚至是短路的发生，增强驱动电路的安全性。该电路还设计有驱动信号高电平检测电路，通过延时器设计，当IGBT驱动信号一直为高电平时进行保护，防止IGBT的直通。本发明的IGBT驱动电路控制稳定，安全保护完备，适合各种电力电子领域使用。

Description

一种带上电保护的IGBT驱动电路
技术领域
本发明属于驱动电路，特别是具有上电保护功能、过流保护功能以及IGBT直通保护功能的安全性强、可靠性高的一种带上电保护的IGBT驱动电路。
背景技术
电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。采用性能良好的驱动电路，可使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。
绝缘栅晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，缩称IGBT)是一种近年来发展迅速，应用广泛的功率器件，在大功率电路中它的作用尤其显著。IGBT的安全工作区和开关特性随驱动电路的改变而变化，因此为了保证主电路正常工作，根据主电路的要求正确选择和设计IGBT的驱动电路是十分重要的。
驱动电路的基本功能可以归纳如下：1)具有较强的抗干扰能力以保证器件在高频工况下可靠工作；2)实现驱动电路和控制电路的电气隔离；3)具有可靠的保护功能，例如短路保护，过流保护时，驱动电路应迅速封锁正向栅压并将器件关断；4)具有短的信号传输延迟时间；5)具有向栅极提供足够的驱动栅电荷以保证器件的开关性能。
随着大电流高电压IGBT的模块化、集成化，专用驱动芯片因其性能比分立式电路好，对提高可靠性能、简化设计程序和减小电路体积均有益处。目前市面上出售的模块化驱动集成片也有好多种，大部分驱动芯片是应用在中小功率的电力电子电路中，由于其要输出负压保证IGBT完全可靠关断，其供电电压也必须是正负双电源供电，而且驱动集成片最高运行频率也不高。另外对微控制芯片上电初始化的瞬间状态也未加以考虑，导致初始上电时对IGBT产生一定的冲击。
目前已有的IGBT驱动电路具有以下缺陷：
(1)初始上电不稳定。一般的微控制模块其通用I/O引脚为内部上拉或者高阻状态，在上电复位、死机或者受到较强的外界高频辐射时，会导致驱动模块输出冲击电平影响IGBT的开关。
(2)微控制芯片输出的驱动信号与驱动模块之间无保护。市面上很多驱动电路，都是直接将微控制模块输出的PWM信号输入到驱动模块，首先微控制模块输出的信号供给驱动模块存在驱动能力不足的问题，其次，当不确定因素造成微控制模块输出的PWM信号一直为高则会造成IGBT一直导通直至烧毁IGBT。
(3)目前已有的驱动电路保护方案在过流保护时，检测到过流就采取保护，没有考虑到此过流是外界干扰造成的误保护信号，造成IGBT的误保护。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种带上电保护的IGBT驱动电路，采用该驱动电路在上电复位时或者MCU受到外界干扰时能有效保护IGBT，安全性强、可靠性高。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种带上电保护的IGBT驱动电路，包括微控制器MCU、反相驱动器、驱动模块、二极管D1和电阻R1、R2，驱动模块输出端与IGBT相连接，其特点是：微控制器MCU输出引脚PWM1与反相驱动器的输入引脚A1相连，反相驱动器将MCU发出的DPWM信号翻转成驱动信号NPWM并送给驱动模块；反相驱动器的使能引脚CS与MCU的I/O引脚相连，反相驱动器的使能由MCU的I/O引脚输出IGBTEN信号来控制；MCU的功率保护引脚PDPINTA连接二极管D1的阳极，同时通过电阻R1上拉到VCC电源，D1的阴极与驱动模块的SO引脚相连，同时通过电阻R2上拉到VDD2电源，IGBT发生短路故障时，驱动模块SO引脚输出低电平信号，二极管D1导通，Fault1信号被二极管D1箝位为低电平，MCU检测到该低电平信号进行故障处理。
所述反相驱动器与驱动模块之间还连接有电平幅值转换器，反相驱动器的输出引脚Y1与电平幅值转换器的输入引脚A2相连，电平幅值转换器的输出引脚Y2与驱动模块的输入引脚INA相连，电平幅值转换器将VCC标准电平的驱动信号NPWM转换成VDD1标准电平的驱动信号PWM。
所述带上电保护的IGBT驱动电路还包括电流检测电路，电流检测电路包括电流检测元件A、滤波器、比较器、第一延时器和信号隔离单元，所述电流检测电路实时检测流入IGBT集电极的电流，并将检测信号IC经过滤波器后输入到比较器的反向输入端，比较器的正向输入端输入比较电压Uref，IGBT发生过流时，比较器将输出低电平信号；比较器的输出与第一延时器的输入引脚D相连，IGBT发生过流时，低电平信号将在第一延时器中保持一段时间；第一延时器的输出引脚Q与信号隔离单元输入引脚VF相连，信号隔离单元输出引脚VO与MCU的外部中断引脚XINT1相连，通过信号隔离后得到Fault2信号，MCU检测到该电平信号进行故障处理。
所述带上电保护的IGBT驱动电路中还具有IGBT直通保护电路，IGBT直通保护电路包括第二延时器和反相器，所述反相驱动器输出引脚Y1与第二延时器的输入引脚D相连，第二延时器输出引脚Q与反相器的输入相连，反相器的输出与MCU的外部中断引脚XINT2相连；正常工作时，反相驱动器输出的是反相的脉宽调制信号NPWM，经第二延时器后输出连续低电平信号，当发生故障NPWM信号持续为高时，第二延时器将输出高电平信号，经反相器后输出的Fault3信号将由正常的高电平转换为低电平，MCU检测到该电平信号进行故障处理。
目前绝大多数MCU芯片输出都带有弱上拉，在初始上电或者MCU芯片处于死机状态时，容易造成输出高电平而使IGBT直通烧毁的现象。本发明设计的上电保护电路，可以有效上述问题。为防止IGBT模块过流甚至是短路现象的发生，本发明还集成有过流检测与短路故障检测功能，增强了驱动电路工作的安全稳定性。
本发明既涉及到了驱动电路上电复位时的保护方式，也涉及到了运行过程中PWM信号直通的保护方式，采用了驱动信号高电平检测电路，避免了微控制器在受到强辐射干扰下发生死机造成输入到驱动模块的PWM信号一直为高电平而直接驱动IGBT导通短路的现象发生。
本发明只展示出了一路PWM信号的驱动电路，在实际应用中可以根据PWM信号的需求数量，增加或减少相应的电路，只要采取本发明的电路结构，不管电路数量的多少，均应纳入在本发明的权利保护范围内。本发明中的微控制器(MCU)可以为PIC系列芯片、DSP系列芯片或者其它各种单片机控制芯片。
本发明的IGBT驱动电路控制稳定，安全保护完备，适合各种电力电子领域使用。实际运行状况可靠、稳定。
附图说明
为了进一步理解本发明，作为说明书一部分的附图指示了本发明的实施例，而所作的说明用于解释本发明的原理。
图1为本发明电路原理图。
图2为延时器电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。
本发明电路原理图如图1所示，它由带上电保护的驱动电路、短路保护电路、过流保护电路以及IGBT直通保护电路等组成。
微控制器MCU输出引脚PWM1与反相驱动器的输入引脚A1相连，MCU根据实际需要输出脉宽调制信号DPWM，经反相驱动器后将DPWM信号翻转成驱动信号NPWM，反相驱动器的使能端CS由MCU的I/O引脚输出的IGBTEN信号来控制。目前市面绝大部分的MCU产品，在初始上电或者MCU处于死机状态时，MCU输出引脚由于芯片内部带有弱上拉，因此输出皆为高电平，这个时候如将该信号输入给IGBT，将会导致IGBT误导通。本发明采用的可控反相驱动器将MCU输出的DPWM信号进行了一次反相，在初始上电或者MCU处于死机状态时，MCU输出信号经反相器后输出的为安全的低电平信号。在本实施例中，反相驱动器为74240系列芯片。
经反相驱动器反相后的NPWM信号为VCC电平的标准电信号，为能有效驱动IGBT驱动模块，提高抗干扰能力，反相驱动器的输出引脚Y1与电平幅值转换器的输入引脚A2相连，电平幅值转换器的输出引脚Y2与驱动模块的输入引脚INA相连，通过电平幅值转换器将VCC电平的NPWM信号提高至VDD1电平的PWM信号，最后输入给IGBT驱动模块的输入引脚INA。本实施例中VCC电平为3.3V，VDD1电平为5V，电平幅值转换器为74245系列芯片，驱动模块为2SC0435T。如VCC电平为5V标准电平，则可不需要电平幅值转换器。
驱动模块具有短路监测功能。MCU的功率保护引脚PDPINTA连接二极管D1的阳极，同时通过R1电阻上拉到VCC电源，D1的阴极与驱动模块的SO引脚相连，同时通过R2电阻上拉到VDD2电源。当发生短路故障时，IGBT瞬间电流会激增，驱动模块SO引脚上会输出一个低电平信号，此时二极管D1导通，Fault1信号由原来上拉到VCC电平的高电平信号被二极管D1箝位为低电平信号，MCU的功率保护引脚PDPINT检测到该信号后将自动截止PWM信号的输出，并进入中断子程序进行软件故障处理。本实施例中VDD2电平为15V。
本发明具有过流保护功能。本实施例中过流检测如图1所示，电流检测电路实时检测流入IGBT集电极的电流，并将检测信号IC经过滤波器后输入到比较器的反向输入端，比较器的正向输入端输入参考电压Uref，此电压值为IGBT过流时对应的采样电压值。比较器的输出与第一延时器的输入引脚D相连，一旦IGBT发生过流，比较器的输出将由原来的高电平信号转换成低电平信号，此低电平信号将在第一延时器中保持一段时间，即使过流情况消失，该过流产生的故障低电平信号仍将保持一段时间。第一延时器的输出引脚Q与信号隔离输入引脚VF相连，信号隔离输出引脚VO与MCU的外部中断引脚XINT1相连，通过信号隔离后得到Fault2信号，MCU的外部中断引脚XINT1实时监测该信号，当发生下降沿跳变时，将产生软件中断，由MCU的软件进行故障处理程序。
本发明设计的延时器电路包括电阻R3、电容C2和二极管D2，电阻R3和二极管D2并联，二极管D2的阴极连输入信号Vi，二极管D2的阳极为输出信号Vo，并通过电容C2与信号地相连接(图2)；当输入信号Vi由低电平变为高电平时，通过电阻R3对电容C2充电，如果Vi为高电平的时间达到RC电路的时间常数，电容C2两端电压Vo为高电平，当输入信号Vi由高电平变为低电平时，电容C2两端电压通过二极管D2快速放电，输出Vo为低电平不需要经过延时。
本发明还设计有防止IGBT直通电路。反相驱动器输出引脚Y1与第二延时器的输入引脚D相连，第二延时器输出引脚Q与反相器2的输入相连，反相器2的输出与MCU的外部中断引脚XINT2相连；正常工作时，反相驱动器输出的是反相的脉宽调制信号NPWM，经第二延时器后输出连续低电平信号，第二延时器电路原理和第一延时器相同，如图2所示，只要加大第二延时器的RC充电常数，可以使脉宽调制信号NPWM经过第二延时器后仍然输出低电平。当发生故障NPWM信号持续为高时，第二延时器将输出高电平信号，经反相器2后输出的Fault3信号将由正常的高电平转换为低电平，MCU的外部中断引脚XINT2实时监测该信号，当发生下降沿跳变时，将产生软件中断，由MCU的软件进行故障处理程序。
最后应说明，本发明的实施仅用于说明技术方案而非限制。一切不脱离本发明技术方案的精神和范围的修改和替换，均应纳入在本发明的权利要求范围当中。本发明说明书中未作详细描述的内容属于本专业领域技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种带上电保护的IGBT驱动电路，包括微控制器MCU、反相驱动器、驱动模块、二极管D1和电阻R1、R2，驱动模块输出端与IGBT相连接，其特征在于：微控制器MCU输出引脚PWM1与反相驱动器的输入引脚A1相连，反相驱动器将MCU发出的DPWM信号翻转成驱动信号NPWM与驱动模块的输入引脚INA相连；反相驱动器的使能引脚CS与MCU的I/O引脚相连，反相驱动器的使能由MCU的I/O引脚输出IGBTEN信号来控制；MCU的功率保护引脚PDPINTA连接二极管D1的阳极，同时通过电阻R1上拉到VCC电源，D1的阴极与驱动模块的SO引脚相连，同时通过电阻R2上拉到VDD2电源，IGBT发生短路故障时，驱动模块SO引脚输出低电平信号，二极管D1导通，Fault1信号被二极管D1箝位为低电平，MCU检测到该低电平信号进行故障处理。
2.如权利要求1所述的带上电保护的IGBT驱动电路，其特征在于：所述反相驱动器与驱动模块之间还连接有电平幅值转换器，反相驱动器的输出引脚Y1与电平幅值转换器的输入引脚A2相连，电平幅值转换器的输出引脚Y2与驱动模块的输入引脚INA相连，电平幅值转换器将VCC标准电平的驱动信号NPWM转换成VDD1标准电平的驱动信号PWM。
3.如权利要求1所述的带上电保护的IGBT驱动电路，其特征在于：还包括电流检测电路，电流检测电路包括电流检测元件A、滤波器、比较器、第一延时器和信号隔离单元，所述电流检测电路实时检测流入IGBT集电极的电流，并将检测信号IC经过滤波器后输入到比较器的反向输入端，比较器的正向输入端输入比较电压Uref，IGBT发生过流时，比较器将输出低电平信号；比较器的输出与第一延时器的输入引脚D相连，IGBT发生过流时，低电平信号将在第一延时器中保持一段时间；第一延时器的输出引脚Q与信号隔离单元输入引脚VF相连，信号隔离单元输出引脚VO与MCU的外部中断引脚XINT1相连，通过信号隔离后得到Fault2信号，MCU检测到该低电平信号进行故障处理。
4.如权利要求1所述的带上电保护的IGBT驱动电路，其特征在于：还具有IGBT直通保护电路，IGBT直通保护电路包括第二延时器和反相器，所述反相驱动器输出引脚Y1与第二延时器的输入引脚D相连，第二延时器输出引脚Q与反相器的输入相连，反相器的输出与MCU的外部中断引脚XINT2相连；正常工作时，反相驱动器输出的是反相的脉宽调制信号NPWM，经第二延时器后输出连续低电平信号，当发生故障NPWM信号持续为高时，第二延时器将输出高电平信号，经反相器后输出的Fault3信号将由正常的高电平转换为低电平，MCU检测到该低电平信号进行故障处理。
5.如权利要求3或4所述的带上电保护的IGBT驱动电路，其特征在于：所述延时器包括电阻R3、电容C2和二极管D2，电阻R3和二极管D2并联，二极管D2的阴极连输入信号Vi，二极管D2的阳极为输出信号Vo，并通过电容C2与信号地相连接；当输入信号Vi由低电平变为高电平时，通过电阻R3对电容C2充电，如果Vi为高电平的时间达到RC电路的时间常数，电容C2两端电压Vo为高电平，当输入信号Vi由高电平变为低电平时，电容C2两端电压通过二极管D2快速放电，输出Vo为低电平不需要经过延时。
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