CN102315632A - 抑制igbt过电流的驱动电路 - Google Patents

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一种抑制IGBT过电流的驱动电路,包括:隔离驱动电路、降栅压钳位电路、推挽放大电路、报警输出电路、以及过电压检测电路,其中,隔离驱动电路的输出端、降栅压钳位电路的第一输出端与推挽放大电路的输入端连接,推挽放大电路的输出端与IGBT驱动回路连接,过电压检测电路的输入端与IGBT驱动回路连接、输出端与降栅压钳位电路的输入端连接,降栅压钳位电路的第二输出端与报警输出电路的输入端连接。根据本发明方案,可以实现对IGBT过电流的有效抑制,不仅可以减少IGBT过电流时的关断应力,还可延长IGBT短路承受时间,增强IGBT短路电流承受能力,且实现成本低,灵活性高,电路简单,实用性强。

Description

抑制IGBT过电流的驱动电路
技术领域
[0001] 本发明涉及电源技术领域,特别涉及一种抑制IGBT过电流的驱动电路。 背景技术
[0002] IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型功率管)作为不间断电源(UPS)或其他电器设备的功率部件,是关系到设备是否正常运行和可靠运行的关键功率器件,IGBT的器件性能直接关系到设备是否能正常运行及其使用寿命。根据IGBT的工作特性,开通时,最佳的驱动电压为15V士 10%,15V的驱动电压使IGBT处于充分饱和状态, 通态压降也比较低,高于15V的驱动电压难以实现IGBT的过流、短路等保护,IGBT承受过电流的时间大大缩短,影响IGBT的可靠工作,驱动电压低于15V时,IGBT的通态损耗有所增加,但是IGBT承受过电流或短路电流的时间有所延长,且IGBT的关断时产生的应力也较小。所以为使IGBT工作在最佳状态,正常驱动电压控制在15V士 10%,异常时可利用IGBT的特性进行适当保护。
[0003] 造成IGBT损坏的原因有多种,如过电流、过电压、过温度、栅极过电压、功率循环疲劳等多种因素,应用实践表明,过电流是IGBT电力电子线路中经常发生的故障,也是损坏IGBT的主要原因之一,所以过流保护在IGBT应用中应优先考虑。IGBT对过电流或短路的承受时间一般在IOus以内,所以要求IGBT的过电流保护响应速度必须要快。而目前常用的过电流保护一般有如下两种:对于因负载过载等因素引起的过电流通常采用电流霍尔传感器侦测,由控制电路实行保护。而对于因负载短路或IGBT上下桥臂直通引起的过电流保护,如此的保护方法响应时间是不够的,在控制电路从检测到过流到发出信号,再到信号的传输执行,这个时间可能会超出IGBT短路所能承受的时间,很显然这种短路保护采用上述方法已经存在弊端。所以类似的保护业界通常采用检测IGBT饱和压降的方法进行保护,因IGBT的特性是当IGBT过流时,其饱和压降将随着电流的增大而增大,利用IGBT这一特性可以实现通过检测饱和压降Vce来实现IGBT的过电流保护。比如目前市场上常见的 M57962AL、HC316J等集成电路都是采用这种检测饱和压降Vce实现过电流保护,如图1、图 2所示。但这些电路都是集成IC器件,需要配合外围电路方能实现作用,使用灵活性差,电路实现成本高,保护过程复杂等。
发明内容
[0004] 针对上述现有技术中存在的问题,本发明的目的在于提供一种抑制IGBT过电流的驱动电路,其可以减少IGBT的关断应力,延长IGBT短路承受时间,延长保护电路动作时间,且实现成本低,灵活性高,电路简单,实用性强。
[0005] 为达到上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种抑制IGBT过电流的驱动电路,包括:隔离驱动电路、降栅压钳位电路、推挽放大电路、报警输出电路、以及过电压检测电路,其中,隔离驱动电路的输出端、降栅压钳位电路的第一输出端与推挽放大电路的输入端连接,推挽放大电路的输出端与IGBT驱动回路连接,过电压检测电路的输入端与IGBT驱动回路连接、输出端与降栅压钳位电路的输入端连接, 降栅压钳位电路的第二输出端与报警输出电路的输入端连接。
[0006] 根据上述本发明方案,其可以实现对IGBT过电流的有效抑制,不仅可以减少IGBT 过电流时的关断应力,还可延长IGBT短路承受时间,增强IGBT短路电流承受能力,且实现成本低,灵活性高,电路简单,实用性强。
附图说明
[0007] 图1是现有技术中的一种对IGBT过电流保护的电路示意图。
[0008] 图2是现有技术中的另一种IGBT过电流保护的电路示意图。
[0009] 图3是本发明的抑制IGBT过电流的驱动电路的结构示意图。
[0010] 图4是本发明的驱动电路实施例的电路结构示意图。
具体实施方式
[0011] 以下结合其中的较佳实施例对本发明方案进行详细说明。
[0012] 参见图3所示,是本发明的抑制IGBT过电流的驱动电路的结构示意图,其包括有: 隔离驱动电路、降栅压钳位电路、推挽放大电路、报警输出电路、以及过电压检测电路,其中,隔离驱动电路的输出端、降栅压钳位电路的第一输出端与推挽放大电路的输入端连接, 推挽放大电路的输出端与IGBT驱动回路连接,过电压检测电路的输入端与IGBT驱动回路连接、输出端与降栅压钳位电路的输入端连接,降栅压钳位电路的第二输出端与报警输出电路的输入端连接。
[0013] 如图4所示,是在一个具体示例中本发明的抑制IGBT过电流的驱动电路的电路结构示意图。
[0014] 图4所示中,对本发明的隔离驱动电路、降栅压钳位电路、推挽放大电路、报警输出电路、过电压检测电路的具体示例分别进行了说明。图4所示中,隔离驱动电路主要由 TLP光电耦合器U1、电阻R1、电容Cl和二极管Dl组成,降栅压钳位电路由三极管Q1、三极管Q2、二极管02、电阻1?4、1?5、1?6、1?3、1?9、电容C3及微分电容C4组成,推挽放大电路由三极管Q3、Q4组成,图4中所示的推挽放大电路是目前市场上通用的电路,报警输出电路由稳压二极管DZ2、限流电阻R8和光电耦合器U2组成,过电压检测电路由高压二极管D3、D4、电阻 R2、电容C2以及稳压二极管DZl等组成。
[0015] 图4所示的具体实施方式中,正电源+VCC接入TLP光电耦合器Ul的8脚、电容Cl、 电阻R5、电容C4、稳压二极管DZ2的负极以及三极管Q4的集电极,TLP光电耦合器Ul的7 脚、6脚相接后与电阻R1、二极管Dl的负极连接,并通过电阻R6与三极管Q2的发射极、电阻R7、电容C5、三极管Q3的基极、三极管Q4的基极连接,电阻Rl的另一端、二极管Dl的正极与电阻R2、稳压二极管DZl的负极以及电容C2连接,电阻R2的另一端与高压二极管D3 的正极连接,高压二极管D3的负极与高压二极管D4的正极连接,高压二极管D4的负极与 IGBT的集电极连接,稳压二极管DZl的正极与电阻R3、电容C3以及三极管Ql的基极连接, 三极管Ql的集电极通过电阻R4与二极管D2的负极、电阻R5的另一端、电容C4的另一端以及以及电阻R8连接,电阻R8的另一端通过光电耦合器U2与稳压二极管DZ2的正极连接, 通过光电耦合器U2输出故障输出信号。二极管D2的正极与三极管Q2的基极连接,三极管Q2的集电极与电阻R9连接,TLP光电耦合器Ul的5脚、电容Cl的另一端、电容C2的另一端、电阻R3的另一端、电容C3的另一端、三极管Ql的发射极、电阻R9的另一端、电阻R7的另一端、电容C5的另一端以及三极管Q3的集电极接入负电源-VEE。三极管Q3的发射极与三极管Q4的发射极连接后,通过电阻Rg接入IGBT驱动回路。图4所示中,Rg、Rge、Cge 等是IGBT驱动的外围器件,不在本发明方案之内,在此不予赘述。
[0016] 其中,图4所示中,C3、C5为杂讯滤波电容,以消除噪音,在没有必要时可省略,R3、 R7为输入信号为低时的低电平(钳位到地)的下拉电阻,以保证输入信号为低时三极管Ql 和Q3不导通,进行误动作保护,无必要时也可以省略。
[0017] 正常工作时,IGBT开通,正常开通时IGBT的饱和压降较低,正驱动电压通过R1、 R2施加在过流检测二极管D3、D4的正极而使得D3、D4D导通,+VCC通过Rl、R2、D3、D4和 IGBT的Vce (即图中的C点电压)构成分压回路在R2端分得的B点电压Ul钳位在稳压二极管DZl的击穿电压以下,三极管Ql处于截止状态。PWM(Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制)信号通过Q4和驱动电阻Rg正常开通和关断IGBT。电容C2提供一个IGBT开通过程Vce下降过程中防止误动作的作用,调整C2可以调整电路的响应速度和灵敏度。C2不宜过大或过小,过大则会引起响应速度变慢,起不到保护效果,过小则会提高电路动作的灵敏度,易发生误保护的可能,所以C2需依据具体情况合理选择。
[0018] 当IGBT开通过程中发生过流和短路故障时,IGBT的饱和压降Vce迅速上升,C点电位迅速上升,设置好IGBT过电流时的Vce值,保证在过电流发生时+VCC通过R1、R2、D3、 D4和IGBT的Vce构成分压回路在R2端分得的B点电压超出DZl的稳定击穿电压时,B点电压就会由Rl给C2充电,B点电位从正常开通时的Ul开始上升,当升到DZl的额定击穿电压时,DZl击穿,Ql开通,由C4和R4组成的微分电路开始动作,A点电压由原+Vcc开始下降,当电压下降幅度超过D2和Q2的Vbe压降之和时,Q4的基极电压即被D2的负极电压钳位,并随着D2负极电压的下降而下降,因Q4采用的是共集电极接法(射极跟随器),依据晶体管的特性,Q4的射极驱动电压信号也将跟随Q4的基极电位下降,从而实现降低IGBT 驱动电压来抑制过电流的目的,微分电容C4充电是一个缓慢的过程,所以IGBT的栅极电压也是缓慢下降的,实现了过流的软关断,提高IGBT的短路电流承受能力和时间。改变R5和 R4的比值,可改变栅极电压下降“幅度”,改变R4C4的值,可以改变栅极电压下降的“速度”。 实际使用可依据需要进行适当调整。和微分电容C4并联的DZ2、U2、R8为过流故障输出信号,当A点电压降至一定值时,DZ2击穿,光耦U2导通,输出一个故障信号给主控电路进行封锁PWM信号或执行驱动保护,过电流故障输出信号的时间可设置不同的DZ2值,来实现栅极电压下降到何值时输出故障信号。当在延时保护过程中,过流信号消失了,则B点电压降低,Ql恢复截止,C4通过R5放电,A点电压持续升高至+VCC,Vge逐渐恢复,直至Q2恢复截止,IGBT的Vge恢复正常的+VCC驱动电压,电路恢复正常工作状态。
[0019] 当PWM信号变低时,C2上的电压通过Dl迅速放电,保证DZl不击穿,Ql不导通,直至下一个PWM高电平到来时,C2重复被充电,执行下一个循环。
[0020] 在一个具体的实现方式中,在正常工作过程中,令+VCC=15V,-VEE=_5V。
[0021] 当Ul的2、3脚有PWM高电平信号时,Ul导通,Ul的6脚输出高电平15V,Q4正常导通。C点电位正常在2V左右,B点电位被钳位在IOV左右,DZl不导通,Ql截止。电路正常工作。C2提供的延时时间为t=ln(15-10)/15=2. 4uSo[0022] 正常关断过程为:
当Ul的2、3脚有PWM低电平信号时,Ul截止,Ul的6脚输出低电平_5V,Q3截止,IGBT 关断。C2通过Dl迅速放电至-VEE+0. 7V左右,DZl不导通,Ql截止。电路正常关断
[0023] 保护关断过程为:
当Ul的2、3脚有PWM高电平信号时,Ul导通,Ul的6脚输出高电平15V,Q4正常导通。 期间出现短路等引起的过流时,C点电位迅速上升,D3、D4截止,C2被充电,由IOV充电至 DZl击穿电压13V时的时间是: 13=15 (1-e-t/T) +10e-t/T T=R1C2 t=l. 5us
Ql导通,C4开始充电,A点由20V下降至R4和R5的分压的5. 7V (这里设置栅极电压下降到6. 5V的门槛点,设D2、Q2的Ube、Q4的Ube均为0. 7V)时间约为 5.7=20 (1-e-t/T) T=R4C4 t=l. 4us
IGBT栅极驱动电压由+15V降至6. 5V的时间为1. 4us左右(假设D2、Q2、Q4的压降均为0. 7V),同时U2输出故障信号封锁IGBT驱动。整个保护时间小于10us,IGBT在整个过流过程中不至于损坏,实现保护效果。
[0024] 作为其中一种较佳的实施方式,上述电阻1?1、1?2、1?3、1?4、1?5、1?6、1?7、1?8、1?9的取值可分别为 2. 2K、18K、1K、4. 12Κ、10Κ、30、30Κ、100、3. 3Κ 欧姆(Ω ),上述 Cl、C2、C3、C4、C5 的取值可分别为104、102、102、102、471法拉(F),稳压二极管DZl、DZ2的额定电压可分别设定为13V、10V,高压二极管D3、D4可选用BYV26E型号的高压二极管。
[0025] 上述本发明的抑制IGBT过电流的驱动电路,是利用IGBT过流时饱和压降Vce升高的特点,利用低成本的分立器件设计出的一种新的抑制IGBT过电流的电路。当过流或短路发生时,通过快速检测IGBT的饱和压降Vce,保护电路在极短时间里采取先降栅压的方法,实现软关断过程,不但可以减少IGBT的关断应力,还可延长IGBT短路承受时间,及延长保护电路动作时间,增强IGBT短路电流承受能力,防止误动作等。实现成本低,灵活性高, 电路简单、实用等特点。
[0026] 上述本发明的抑制IGBT过电流的驱动电路,电路简单、实用、可靠,成本低廉,参数可依据需要调整,并可以直接将虚线框内的电路(除D3、D4、Rg、Rge, Cge)统一封装成电路模块,适当改变外围的参数,如D3、D4,即可实现在任何地方均可应用。
[0027] 以上所述的本发明实施方式,并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1. 一种抑制IGBT过电流的驱动电路,其特征在于,包括:隔离驱动电路、降栅压钳位电路、推挽放大电路、报警输出电路、以及过电压检测电路,其中,隔离驱动电路的输出端、降栅压钳位电路的第一输出端与推挽放大电路的输入端连接,推挽放大电路的输出端与IGBT 驱动回路连接,过电压检测电路的输入端与IGBT驱动回路连接、输出端与降栅压钳位电路的输入端连接,降栅压钳位电路的第二输出端与报警输出电路的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的抑制IGBT过电流的驱动电路,其特征在于,所述隔离驱动电路包括:TLP光电耦合器Ul、电阻Rl、电容Cl以及二极管Dl,电容Cl连接在TLP光电耦合器Ul的8脚与5脚之间,TLP光电耦合器Ul的7脚与6脚相接后与电阻Rl以及二极管 Dl的负极连接,电阻Rl的另一端与二极管Dl的正极相连接。
3.根据权利要求1所述的抑制IGBT过电流的驱动电路,其特征在于,所述降栅压钳位电路包括三极管Q1、三极管Q2、二极管D2、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R9及微分电容C4, 三极管Ql的集电极接电阻R4后与二极管D2的负极、电阻R5以及电容C4连接,电阻R5、电容C4的另一端接入正电源,三极管Ql的基极与过电压检测电路连接,三极管Ql的发射极接负电源,三极管Q2的集电极接电阻R9后接入负电源,三极管Q2的基极与二极管D2的正极连接,三极管Q2的发射极与电阻R6及推挽放大电路连接。
4.根据权利要求3所述的抑制IGBT过电流的驱动电路,其特征在于,还包括:连接于三极管Ql的基极与发射极之间的电阻R3 ;和/或连接于三极管Ql的基极与三极管Ql的发射极之间的电容C3。
5.根据权利要求3或4所述的抑制IGBT过电流的驱动电路,其特征在于,还包括电阻 R7、电容C5,电阻R7与电容C5并联后,一端与三极管Q2的基极连接,一端接入负电源。
6.根据权利要求1所述的抑制IGBT过电流的驱动电路,其特征在于,所述报警输出电路包括依次串联的电阻R8、光电耦合器U2、稳压二极管DZ2,稳压二极管DZ2的正极与光电耦合器U2连接,光电耦合器U2的负极接入正电源。
7.根据权利要求1所述的抑制IGBT过电流的驱动电路,其特征在于,所述过电压检测电路包括高压二极管D3、高压二极管D4、电阻R2、电容C2、稳压二极管DZl,高压二极管D4 的负极与IGBT连接、正极与高压二极管D3的负极连接,高压二极管D3的正极通过电阻R2 与电容C2、稳压二极管DZl的负极连接,稳压二极管DZl的正极以及电容C2的另一端与降栅压钳位电路连接。
8.根据权利要求1所述的抑制IGBT过电流的驱动电路,其特征在于,该抑制IGBT过电流的驱动电路包括TLP光电耦合器Ul,光电耦合器U2,电阻Rl、R2、R4、R5、R6、R8、R9,二极管 Dl、D2,高压二极管 D3、D4,稳压二极管 DZ1、DZ2,三极管 Ql、Q2、Q3、Q4,电容 Cl、C2、C4, TLP光电耦合器Ul的8脚、电容Cl、电阻R5、电容C4、稳压二极管DZ2的负极以及三极管Q4 的集电极接入正电源,TLP光电耦合器Ul的7脚、6脚相接后与电阻R1、二极管Dl的负极连接,并通过电阻R6与三极管Q2的发射极、三极管Q3的基极、三极管Q4的基极连接,电阻Rl 的另一端、二极管Dl的正极与电阻R2、稳压二极管DZl的负极以及电容C2连接,电阻R2的另一端与高压二极管D3的正极连接,高压二极管D3的负极与高压二极管D4的正极连接, 高压二极管D4的负极与IGBT的集电极连接,稳压二极管DZl的正极与三极管Ql的基极连接,三极管Ql的集电极通过电阻R4与二极管D2的负极、电阻R5的另一端、电容C4的另一2端以及电阻R8连接,电阻R8的另一端通过光电耦合器U2与稳压二极管DZ2的正极连接, 二极管D2的正极与三极管Q2的基极连接,三极管Q2的集电极与电阻R9连接,TLP光电耦合器Ul的5脚、电容Cl的另一端、电容C2的另一端、三极管Ql的发射极、电阻R9的另一端、三极管Q3的集电极接入负电源,三极管Q3的发射极与三极管Q4的发射极连接。
9.根据权利要求8所述的的抑制IGBT的驱动电路,其特征在于:还包括电阻R3、电阻 R7、电容C3、电容C5中的任意一个或者任意组合,电阻R3连接于三极管Ql的基极与发射极之间,电阻R7连接于三极管Q3的基极与集电极之间,电容C3连接于三极管Ql的基极与发射极之间,电容C5连接于三极管Q3的基极与集电极之间。
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