CN102347603A - 绝缘栅双极型晶体管驱动保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种绝缘栅双极型晶体管驱动保护电路，包括：驱动信号输出控制电路、功放电路、末极驱动电路和故障检测保护电路；末极驱动电路包含绝缘栅双极型晶体管IGBT；驱动信号输出控制电路，用于输出驱动信号；功放电路用于将驱动信号输出控制电路输出的驱动信号进行放大并输出放大的驱动信号；末极驱动电路用于利用功放电路输出的放大的驱动信号驱动IGBT工作；故障检测保护电路，用于当检测到IGBT的集电极和发射极之间存在过流故障时输出故障指示信号；驱动信号输出控制电路还用于在检测到故障检测保护电路输出故障指示信号时，封锁驱动信号的输出以关断IGBT。本发明实施例电路有利于降低产品成本并促进产品小型化。

Description

绝缘栅双极型晶体管驱动保护电路

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种绝缘栅双极型晶体管驱动保护电路。

背景技术

在电力电子装置如变频器、UPS(Uninterruptable Power System，不间断电源)等，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)作为其主要的功率开关器件，其工作(包括驱动和保护)的可靠性将直接影响到整个电力电子装置的可靠性。

目前，在例如1140V中压系统等电力系统中，通常使用IGD515驱动芯片来实现IGBT的驱动和保护。IGD515驱动芯片电路虽然在IGBT驱动和保护方面有较高的能力，但是IGD515驱动芯片价格非常高，且占用体积较大，不利于产品小型化和降低成本。

发明内容

本发明实施例提供一种绝缘栅双极型晶体管驱动保护电路，以期降低产品成本并促进产品小型化。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：

一种绝缘栅双极型晶体管IGBT驱动保护电路，包括：

驱动信号输出控制电路、功放电路、末极驱动电路和故障检测保护电路；

其中，所述末极驱动电路包含绝缘栅双极型晶体管IGBT；

其中，所述驱动信号输出控制电路，用于输出驱动信号；

所述功放电路，用于将所述驱动信号输出控制电路输出的驱动信号进行放大并输出放大的驱动信号；

所述末极驱动电路，用于利用所述功放电路输出的放大的驱动信号驱动所述IGBT工作；

所述故障检测保护电路，用于当检测到所述IGBT的集电极和发射极之间存在过流故障时，输出故障指示信号；

所述驱动信号输出控制电路还用于，在检测到所述故障检测保护电路输出故障指示信号时，封锁驱动信号的输出以关断所述IGBT。

由上可见，本发明实施例IGBT驱动保护电路采用模块化设计，且无需使用IGD515驱动芯片，不仅可提升电路应用的通用性，促进产品小型化、且可提高产品开发效率和减小产品维护成本，有利于在成本和可靠性之间获得最大收益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种绝缘栅双极型晶体管IGBT驱动保护电路的示意图；

图2-a是本发明实施例提供的另一种绝缘栅双极型晶体管IGBT驱动保护电路的示意图；

图2-b是本发明实施例提供的另一种绝缘栅双极型晶体管IGBT驱动保护电路的示意图；

图2-c是本发明实施例提供的另一种绝缘栅双极型晶体管IGBT驱动保护电路的示意图；

图3-a是本发明实施例提供的一种绝缘栅双极型晶体管IGBT驱动保护电路的一部分电路模块的元器件连接示意图；

图3-b是本发明实施例提供的一种绝缘栅双极型晶体管IGBT驱动保护电路的另一部分电路模块的元器件连接示意图；

图4-a是本发明实施例提供的另一种绝缘栅双极型晶体管IGBT驱动保护电路的一部分电路模块的元器件连接示意图；

图4-b是本发明实施例提供的另一种绝缘栅双极型晶体管IGBT驱动保护电路的另一部分电路模块的元器件连接示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种绝缘栅双极型晶体管IGBT驱动保护电路，以期降低产品成本并促进产品小型化。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下通过实施例分别进行详细说明。

首先参见图1，本发明实施例提供的一种绝缘栅双极型晶体管IGBT驱动保护电路，包括：驱动信号输出控制电路10、功放电路20、末极驱动电路30和故障检测保护电路40。

其中，末极驱动电路30包含绝缘栅双极型晶体管IGBT 50。

其中，驱动信号输出控制电路10，用于输出驱动信号(其中，该驱动信号例如可为脉冲宽度调制(PWM，Pulse Width Modulation)驱动信号或其它类型的驱动信号)；

功放电路20，用于将驱动信号输出控制电路10输出的驱动信号进行放大并输出放大的驱动信号；

末极驱动电路30，用于利用功放电路20输出的放大的驱动信号驱动绝缘栅双极型晶体管IGBT 50工作；

故障检测保护电路40，用于当检测到IGBT 50的集电极和发射极之间存在过流故障时，输出故障指示信号；

驱动信号输出控制电路10还用于，在检测到故障检测保护电路40输出故障指示信号时，封锁驱动信号的输出以关断IGBT 50。

参见图2-a、驱动信号输出控制电路10例如可包括：

控制板11和驱动信号输出电路12。

其中，控制板11，用于输出光驱动信号(或电驱动信号)；并在检测到故障检测保护电路40输出故障指示信号时，封锁光驱动信号(或电驱动信号)的输出。其中，控制板11例如可以包括一个DSP芯片。

驱动信号输出电路12，用于在感应到控制板11输出光驱动信号(或电驱动信号)时输出驱动信号(如PGW驱动信号或其它类型的驱动信号)。

参见图2-b，故障检测保护电路40例如可包括：故障检测电路41和故障保护电路42。

其中，故障检测电路41，用于检测IGBT 50的集电极和发射极之间的过流故障(其中，若IGBT 50的集电极和发射极之间的电流超过设定阈值表示存在过流故障)；

故障保护电路42，用于当故障检测电路41检测到IGBT 50的集电极和发射极之间存在过流故障时输出故障指示光信号(或故障指示电信号)。

参见图2-c、IGBT驱动保护电路例如还可包括：

供电欠压保护电路60，用于当IGBT驱动保护电路的电源供电电压低于设定阈值时，无效驱动信号输出控制电路10输出的驱动信号(例如，可拉低驱动信号输出控制电路10输出的驱动信号，以使得驱动信号变为无效)以关断IGBT50。

为便于更好的理解和实施本发明实施例的方案，下面举例提供IGBT驱动保护电路的各电路模块的一种具体实现。

参见图3-a和3-b，IGBT驱动保护电路可包括驱动电路和保护电路两部分。

其中，保护电路可包括IGBT的Vce保护(即IGBT的集电极和发射极之间的过流保护)和电源供电欠压保护电路。

如图3-a举例所示，驱动信号输出电路12可包括：

光纤接收座PC1、第二电阻R2、第二稳压管Z2、第五电阻R5、第一二极管D1和第四二极管D4等；

其中，光纤接收座PC1的接地端接地(VEE)，其电源端通过第二电阻R2与电源供电端VCC连接，其输出端通过第五电阻R5分别与第一二极管D1和第四二极管D4的阴极连接。

第二稳压管Z2的阴极与光纤接收座PC1的电源端连接，第二稳压管Z2的阳极接地。

如图3-a举例所示，故障检测电路41例如可包括：

第二二极管D2、第一电容C1、第七电阻R7、第四稳压管Z4和第四三极管Q4(NPN三极管)。

如图3-b举例所示，功放电路20例如可包括：

第十六电阻R16、第十七电阻R17、第三二极管D3、第五三极管Q5(NPN三极管)、第六三极管Q6(PNP三极管)。

其中，第五三极管Q5和第六三极管Q6的基极互联、第五三极管Q5和第六三极管Q6的发射极互联、第六三极管Q6的集电极接地、第五三极管Q5的集电极与电源供电端VCC连接。

第五三极管Q5的基极通过第十六电阻R16与第四二极管D4的阳极连接(图3-a中的GT_2和图3-b中的GT_2连接)。

第三二极管D3的阳极与第五三极管Q5的基极连接、第三二极管D3的阴极通过第十七电阻R17与第四三极管Q4的集电极连接、第四三极管Q4的发射极接地。

第四稳压管Z4的阳极与第四三极管Q4的基极连接、第四稳压管Z4的阴极与第二二极管D2的阳极连接、第四稳压管Z4的阴极还通过第七电阻R7与第四二极管D4的阳极连接。

第二二极管D2的阳极还通过第一电容C1接地。

如图3-b举例所示，末极驱动电路30例如可包括：

第一电阻R1、第一稳压管Z1、第十八电阻R18、第二电容C2和IGBT 50。

其中，第一稳压管Z1的阳极通过第一电阻R1接地、第一稳压管Z1的阴极与电源供电端VCC连接。

IGBT 50的基极通过第十八电阻R18与第五三极管Q5的发射极连接、IGBT50的基极还通过第二电容C2与第一稳压管Z1的阳极连接、IGBT 50的发射极与第一稳压管Z1的阳极连接、IGBT 50的集电极与第二二极管D2的阴极连接。

其中，图中第一稳压管Z1的阳极的电位点E_0作为IGBT 50的参考0点。

如图3-a举例所示，故障保护电路42例如可包括：

比较器U1-A、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第七三极管Q7(NPN三极管)、光纤发射座PC2。

其中，比较器U1-A的参考端(+)通过第十二电阻R12与电源供电端VCC连接、比较器U1-A的参考端还通过第十三电阻R13接地、比较器U1-A的输入端(-)与第四三极管Q4的集电极连接，比较器U1-A的输入端还通过第十一电阻R11和电源供电端VCC连接、比较器U1-A的输出端与第七三极管Q7的基极连接。第九电阻R9和第十电阻R10串联于电源供电端VCC和比较器U1-A的输入端之间。

第七三极管Q7的基极通过第十四电阻R14与电源供电端VCC连接、第七三极管Q7的发射极接地、第七三极管Q7的集电极通过第十五电阻R15与电源供电端VCC连接。

光纤发射座PC2的阳极与第七三极管Q7的集电极连接、光纤发射座PC2的阴极与第七三极管Q7的发射极连接。

如图3-a举例所示，供电欠压保护电路60例如可包括：第三电阻R3、第四电阻R4、第六电阻R6、第三稳压管Z3、第一三极管Q1(PNP三极管)、第二三极管Q2(PNP三极管)和第三三极管Q3(PNP三极管)。

其中，第一三极管Q1的基极通过第三电阻R3与电源供电端VCC连接、第一三极管Q1的发射极与电源供电端VCC连接、第一三极管Q1的集电极通过第四电阻R4接地。

第二三极管Q2的基极与第一三极管Q1的集电极连接、第二三极管Q2的发射极与电源供电端VCC连接、第二三极管Q2的集电极与第一二极管D1的阳极连接、第二三极管Q2的集电极还通过第十电阻R10与比较器U1-A的输入端连接。

第三三极管Q3的基极与第二二极管Q2的集电极连接、第三三极管Q3的发射极与电源供电端VCC连接、第三三极管Q3的集电极与第四二极管D4的阳极连接，第三三极管Q3的集电极还通过第六电阻R6接地。

第三稳压管Z3的阳极接地、第三稳压管Z3的阴极与第一三极管Q1的基极连接。

进一步的，如图4-a所示，故障检测电路41还可包括：

第八电阻R8；

其中，第四稳压管Z4的阴极通过第八电阻R8接地。

进一步的，如图4-b所示，末极驱动电路30还可包括：

第十九电阻R19；

其中，IGBT 50的基极通过第十九电阻R19与第一稳压管Z1的阳极连接。

其中，第十九电阻R19作为泄放电阻，可防止IGBT 50误导通。

下面介绍图3-a、图3-b、图4-a、图4-b所示电路的工作原理。

其中，首先说明驱动电路部分：

当电路正常工作时，控制板11(图3-a和图4-a中未示出)中的发射器件发射光驱动信号，而驱动信号输出电路12中的光纤接收座PC1接收控制板11输入光驱动信号(其中，光纤接收座PC1以光耦方式接收控制板11中的发射器件发射的光驱动信号、这种状态称为驱动有效，驱动信号输出电路12从点GT-2输出例如PWM驱动信号)，此时第三三极管Q3饱和导通，若该PWM驱动信号为高电平(参考E-0点)，通过功放电路20和末极驱动电路30驱动IGBT 50工作。当光纤接收座PC1没有接收到PWM驱动信号时(这种状态称为驱动无效)，此时使得第三三极管Q3截止，由于驱动信号输出电路12输出的PWM驱动信号为低电平，功放电路20和末极驱动电路30不驱动IGBT 50工作，进而实现IGBT 50负电压关断。

当电路正常工作时，由于驱动信号输出电路12输出的PWM驱动信号始终为高电平，因此比较器U1-A的输出端将输出低电平，第七三极管Q7截止，进而使得光纤发射座PC2发出正常信号到控制板11，控制板11若正常接收到光纤发射座PC2发出正常信号，则也正常发射光驱动信号。

欠压保护电路部分：

当电源供电电压VCC过低时，稳压二极管Z1将不能被击穿，因此第一三极管Q1截止、进而使得第二三极管Q2的基极电压被拉低，第二三极管Q2的3脚始终为高电平，所以第三三极管Q3截止，GT-2被拉低为低电平(驱动信号变为低电平)，此时则驱动无效，进而实现供电欠压时IGBT 50关断。

IGBT 50的Vce保护电路部分：

当IGBT 50发生故障时，此时若PWM驱动信号为高电平有效，同时故障检测电路41检测到IGBT 50的集电极和发射极之间的电压Vce变为高电平，使得截止的第四稳压管Z4被击穿，进而使得第四三极管Q4由截止变为饱和导通状态，进而使得比较器U1-A的输入端电压(即GT-1点电压)被拉低，使比较器U1-A发生翻转，比较器的输出端电压由原来的低电平变为高电平，第七三极管Q7进而由截止变为饱和导通状态，光纤发射座PC2则由导通变为截止，停止发射光信号(可看成是发射低电平光信号，低电平光信号则表示为故障指示光信号)，故障指示信号通过光纤传输到控制板11，控制板11进而封锁光驱动信号的输出。

可以理解，第四稳压管Z4用于设置Vce的保护阀值，通过设置合理的阀值可使的IGBT 50的驱动保护电路安全可靠的工作。

其中，第十九电阻R19作为泄放电阻，可防止IGBT 50误导通。

需要说明的是，图3-a、图3-b、图4-a、图4-b所示电路仅作为IGBT驱动保护电路的一种举例实现，本领域技术人员基于图1、图2-a、图2-b、图2-c所示IGBT驱动保护电路的模块架构，还可能想到其它多种具体实现，并不限于图3-a和图3-b、以及图4-a和图4-b所示举例。

由上可见、本发明实施例IGBT驱动保护电路采用模块化设计，且无需使用IGD515驱动芯片，不仅可提升电路应用的通用性，促进产品小型化、且可提高产品开发效率和减小产品维护成本，有利于在成本和可靠性之间获得最大收益。

此外，第一稳压管Z1和第一电阻R1的连接点命名为参考零点E-0，为IGBT驱动提供参考0点，这样就把电源输出分为正电压VCC和负电压VEE的分成两部分，第一稳压管Z1上的压降得到IGBT驱动的正电压，而R1上的压降则得到IGBT驱动的负电压，IGBT驱动由单电源供电，简单实用，且可方便其电源的设计及PCB走线。

并且，IGBT驱动保护电路基于光纤隔离进行设计，故抗干扰能力强，且价格相对较便宜。

并且，在故障检测电路中增加第四稳压管Z4，进而可通过调整第四稳压管Z4的大小来改变Vce的保护阀值，通过设置合适的Z4，可使IGBT得到最佳的保护而又不致于误报警。

并且，在功放电路中设计对管Q5和Q6用于放大驱动信号，有利于整个电路能驱动更大容量的IGBT。

实践证明，本发明实施例提供的IGBT驱动保护电路能有效的驱动1700V和3300V的IGBT工作，并具有较好的Vce保护功能。

以上对本发明实施例所提供的绝缘栅双极型晶体管驱动保护电路进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种绝缘栅双极型晶体管IGBT驱动保护电路，其特征在于，包括：

驱动信号输出控制电路、功放电路、末极驱动电路和故障检测保护电路；

其中，所述末极驱动电路包含绝缘栅双极型晶体管IGBT；

其中，所述驱动信号输出控制电路，用于输出驱动信号；

所述功放电路，用于将所述驱动信号输出控制电路输出的驱动信号进行放大并输出放大的驱动信号；

所述末极驱动电路，用于利用所述功放电路输出的放大的驱动信号驱动所述IGBT工作；

所述故障检测保护电路，用于当检测到所述IGBT的集电极和发射极之间存在过流故障时，输出故障指示信号；

所述驱动信号输出控制电路还用于，在检测到所述故障检测保护电路输出故障指示信号时，封锁驱动信号的输出以关断所述IGBT。

2.根据权利要求1所述的IGBT驱动保护电路，其特征在于，

所述驱动信号输出控制电路包括：

控制板，用于输出光驱动信号；并在检测到所述故障检测保护电路输出故障指示信号时封锁光驱动信号的输出；

驱动信号输出电路，用于在感应到所述控制板输出的光驱动信号时，输出驱动信号。

3.根据权利要求2所述的IGBT驱动保护电路，其特征在于，

所述驱动信号输出电路包括：

光纤接收座、第二电阻、第二稳压管、第五电阻、第一二极管和第四二极管；

其中，所述光纤接收座的接地端接地，所述光纤接收座的电源端通过所述第二电阻与电源供电端连接，所述光纤接收座的输出端通过所述第五电阻分别与所述第一二极管和第四二极管的阴极连接；

所述第二稳压管的阴极与所述光纤接收座的电源端连接，所述第二稳压管的阳极接地。

4.根据权利要求1至3任一项所述的IGBT驱动保护电路，其特征在于，

所述故障检测保护电路包括：

故障检测电路，用于检测所述IGBT的集电极和发射极之间的过流故障；

故障保护电路，用于当所述故障检测电路检测到所述IGBT的集电极和发射极之间存在过流故障时，输出故障指示光信号。

5.根据权利要求4所述的IGBT驱动保护电路，其特征在于，

所述IGBT驱动保护电路还包括：

供电欠压保护电路，用于当所述IGBT驱动保护电路的电源供电电压低于设定阈值时，无效驱动信号输出控制电路输出的驱动信号以关断所述IGBT。

6.根据权利要求4或5所述的IGBT驱动保护电路，其特征在于，

所述故障检测电路包括：

第二二极管、第一电容、第七电阻、第四稳压管和第四三极管；

所述功放电路包括：

第十六电阻、第十七电阻、第三二极管、第五三极管、第六三极管Q6；

其中，第五三极管和第六三极管的基极互联、第五三极管和第六三极管的发射极互联、第六三极管的集电极接地、第五三极管的集电极与电源供电端连接；

第五三极管的基极通过第十六电阻与第四二极管的阳极连接；

第三二极管的阳极与第五三极管的基极连接、第三二极管的阴极通过第十七电阻与第四三极管的集电极连接、第四三极管的发射极接地；

第四稳压管的阳极与第四三极管基极连接、第四稳压管的阴极与第二二极管的阳极连接、第四稳压管的阴极还通过第七电阻与第四二极管的阳极连接；

第二二极管的阳极还通过第一电容接地。

7.根据权利要求6所述的IGBT驱动保护电路，其特征在于，

所述末极驱动电路包括：

第一电阻、第一稳压管、第十八电阻、第二电容和IGBT。

其中，第一稳压管的阳极通过第一电阻接地、第一稳压管的阴极与电源供电端连接。

所述IGBT的基极通过第十八电阻与第五三极管的发射极连接、所述IGBT的基极还通过第二电容与第一稳压管的阳极连接、所述IGBT的发射极与第一稳压管的阳极连接、所述IGBT的集电极与第二二极管的阴极连接。

8.根据权利要求7所述的IGBT驱动保护电路，其特征在于，

所述末极驱动电路30还包括：第十九电阻R19；

其中，所述IGBT的基极通过第十九电阻与第一稳压管的阳极连接。

9.根据权利要求6所述的IGBT驱动保护电路，其特征在于，

所述故障保护电路包括：

比较器、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第七三极管、光纤发射座；

其中，所述比较器的参考端通过第十二电阻与电源供电端连接、所述比较器的参考端还通过第十三电阻接地、所述比较器的输入端与第四三极管的集电极连接，所述比较器的输入端还通过第十一电阻和电源供电端连接、所述比较器的输出端与第七三极管的基极连接；

所述第九电阻和第十电阻串联于电源供电端和所述比较器的输入端之间；

所述第七三极管的基极通过第十四电阻与电源供电端、第七三极管的发射极接地、第七三极管的集电极通过第十五电阻与电源供电端；

所述光纤发射座的阳极与第七三极管的集电极连接、该光纤发射座的阴极与第七三极管的发射极连接。

10.根据权利要求5至9任一项所述的IGBT驱动保护电路，其特征在于，

所述供电欠压保护电路包括：

第三电阻、第四电阻、第六电阻、第三稳压管、第一三极管、第二三极管和第三三极管；

其中，第一三极管的基极通过第三电阻与电源供电端连接、第一三极管的发射极与电源供电端连接、第一三极管的集电极通过第四电阻接地；

第二三极管的基极与第一三极管的集电极连接、第二三极管的发射极与电源供电端连接、第二三极管的集电极与第一二极管的阳极连接、第二三极管的集电极还通过第十电阻与所述比较器的输入端连接；

第三三极管的基极与第二二极管的集电极连接、第三三极管的发射极与电源供电端、第三三极管的集电极与第四二极管的阳极连接，第三三极管的集电极还通过第六电阻接地；

第三稳压管的阳极接地、第三稳压管的阴极与第一三极管的基极连接。

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