CN102315632B

CN102315632B - 抑制igbt过电流的驱动电路

Info

Publication number: CN102315632B
Application number: CN201110310792.9A
Authority: CN
Inventors: 戴宝锋
Original assignee: Guangdong East Power Co Ltd
Current assignee: Guangdong East Power Co Ltd
Priority date: 2011-10-14
Filing date: 2011-10-14
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2031-10-14
Also published as: CN102315632A

Abstract

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

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

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±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±10%，异常时可利用IGBT的特性进行适当保护。

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10us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

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。

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。

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

图1是现有技术中的一种对IGBT过电流保护的电路示意图。

图2是现有技术中的另一种IGBT过电流保护的电路示意图。

图3是本发明的抑制IGBT过电流的驱动电路的结构示意图。

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

以下结合其中的较佳实施例对本发明方案进行详细说明。

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。

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。

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C1和二极管D1组成，降栅压钳位电路由三极管Q1、三极管Q2、二极管D2、电阻R4、R5、R6、R3、R9、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DZ1等组成。

图4所示的具体实施方式中，正电源+VCC接入TLP光电耦合器U1的8脚、电容C1、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U1的7脚、6脚相接后与电阻R1、二极管D1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R1的另一端、二极管D1的正极与电阻R2、稳压二极管DZ1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DZ1的正极与电阻R3、电容C3以及三极管Q1的基极连接，三极管Q1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U1的5脚、电容C1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Q1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。

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Q1和Q3不导通，进行误动作保护，无必要时也可以省略。

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R1、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U1钳位在稳压二极管DZ1的击穿电压以下，三极管Q1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。

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DZ1的稳定击穿电压时，B点电压就会由R1给C2充电，B点电位从正常开通时的U1开始上升，当升到DZ1的额定击穿电压时，DZ1击穿，Q1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，Q1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。

当PWM信号变低时，C2上的电压通过D1迅速放电，保证DZ1不击穿，Q1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。

在一个具体的实现方式中，在正常工作过程中，令+VCC=15V，-VEE=-5V。

当U1的2、3脚有PWM高电平信号时，U1导通，U1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10V左右，DZ1不导通，Q1截止。电路正常工作。C2提供的延时时间为t=ln(15-10)/15=2.4us。

正常关断过程为：

当U1的2、3脚有PWM低电平信号时，U1截止，U1的6脚输出低电平-5V，Q3截止，IGBT 关断。C2通过D1迅速放电至-VEE+0.7V左右， DZ1不导通，Q1截止。电路正常关断。

保护关断过程为：

当U1的2、3脚有PWM高电平信号时，U1导通，U1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10V充电至DZ1击穿电压13V时的时间是：

13=15（1-e-t/T）+10e-t/T

T=R1C2

t=1.5us

Q1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=1.4us

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。

作为其中一种较佳的实施方式，上述电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9的取值可分别为2.2K、18K、1K、4.12K、10K、30、30K、100、3.3K欧姆（Ω），上述C1、C2、C3、C4、C5的取值可分别为104、102、102、102、471法拉（F），稳压二极管DZ1、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。

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。

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。

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

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；

所述隔离驱动电路包括： TLP光电耦合器U1、电阻R1、电容C1以及二极管D1，电容C1连接在TLP光电耦合器U1的8脚与5脚之间，TLP光电耦合器U1的7脚与6脚相接后与电阻R1以及二极管D1的负极连接，电阻R1的另一端与二极管D1的正极相连接；

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，稳压二极管DZ2的负极接入正电源；

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Q1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Q1的基极与过电压检测电路连接，三极管Q1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。

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，还包括：

连接于三极管Q1的基极与发射极之间的电阻R3；

和/或

连接于三极管Q1的基极与三极管Q1的发射极之间的电容C3。

3.根据权利要求1或2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。

4.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DZ1，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DZ1的负极连接，稳压二极管DZ1的正极以及电容C2的另一端与降栅压钳位电路连接。

5.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U1，光电耦合器U2，电阻R1、R2、R4、R5、R6、R8、R9，二极管D1、D2，高压二极管D3、D4，稳压二极管DZ1、DZ2，三极管Q1、Q2、Q3、Q4，电容C1、C2、C4，TLP光电耦合器U1的8脚、电容C1、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U1的7脚、6脚相接后与电阻R1、二极管D1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R1的另一端、二极管D1的正极与电阻R2、稳压二极管DZ1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DZ1的正极与三极管Q1的基极连接，三极管Q1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U1的5脚、电容C1的另一端、电容C2的另一端、三极管Q1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。

6.根据权利要求5所述的抑制IGBT过电流的驱动电路，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Q1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Q1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。