CN102751970B - 一种igbt驱动保护电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种IGBT驱动保护电路，包括驱动信号封锁控制电路、第一保护电路、欠电压保护电路，第一保护电路包括驱动功率放大电路、栅极保护电路、IGBT过温保护电路、IGBT饱和压降保护电路、降栅压软关断控制电路，第一光电耦合隔离电路的输出端依次经驱动功率放大电路、栅极保护电路后与IGBT的栅极相连，IGBT的集电极依次经IGBT过温保护电路、降栅压软关断控制电路后与驱动功率放大电路的相应输入端相连，IGBT的集电极还依次经IGBT饱和压降保护电路、降栅压软关断控制电路后与驱动功率放大电路的相应输入端相连。本发明电路结构简单，工作可靠且成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种IGBT驱动保护电路。
背景技术
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)即绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。IGBT广泛应用于功率开关器件。
根据IGBT的工作特性，其驱动电压应在±20V内，当IGBT的驱动电压低于8V时工作在放大区，导通压降很大，随着驱动电压升高，饱和导通压降减小；并且过低的驱动电压则饱和导通压降很大，效率低，当驱动电压低于12V时，会造成IGBT严重过热。而过高的驱动电压IGBT承受短路和过流的时间很短，难实现保护也容易损坏。IGBT理想驱动电压为15±1V。所以IGBT的驱动保护电路对整个工作系统的可靠性来说至关重要。
目前，针对IGBT驱动保护电路很多，但是现有的电路过于复杂，或者成本高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是提供一种IGBT驱动保护电路，其电路结构简单，其能可靠地保护IGBT。
为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案如下：一种IGBT驱动保护电路，包括：用于封锁IGBT驱动信号的驱动信号封锁控制电路、用于保护IGBT的第一保护电路、用于对IGBT的驱动电源进行欠电压保护的欠电压保护电路，所述驱动信号封锁控制电路的输出端经第一光电耦合隔离电路与第一保护电路的输入端相连，第一保护电路的输出端经第二光电耦合隔离电路接入驱动信号封锁控制电路的输入端，所述欠电压保护电路的输出端与第二光电耦合隔离电路的输入端相连，其特征在于：所述第一保护电路包括用于将IGBT驱动信号放大的驱动功率放大电路、用于防止IGBT栅极过压击穿的栅极保护电路、用于IGBT过温保护的IGBT过温保护电路、用于控制IGBT饱和压降的IGBT饱和压降保护电路、用于控制IGBT降栅压软关断时间的降栅压软关断控制电路，所述第一光电耦合隔离电路的输出端依次经驱动功率放大电路、栅极保护电路后与IGBT的栅极相连，IGBT的集电极依次经IGBT过温保护电路、降栅压软关断控制电路后与驱动功率放大电路的相应输入端相连，IGBT的集电极还依次经IGBT饱和压降保护电路、降栅压软关断控制电路后与驱动功率放大电路的相应输入端相连；所述IGBT过温保护电路的输出端、IGBT饱和压降保护电路的输出端还均接入第二光电耦合隔离电路的输入端。
本发明所述驱动信号封锁控制电路主要由单稳态触发器、第三开关管、第五开关管和稳压管组成，所述单稳态触发器具有输入触发端和输出端，单稳态触发器的输入触发端与第二光电耦合隔离电路的输出端相连，单稳态触发器的输出端与第五开关管的基极相连，第五开关管的集电极分别接入IGBT驱动信号和稳压管的阴极，稳压管的阳极与第三开关管的基极相连，第三开关管的集电极与第一光电耦合隔离电路的输入端相连，第三、第五开关管的发射极均接地。
本发明所述驱动功率放大电路主要由第一开关管、第四开关管互补组成，第一、第四开关管的基极均连接至第一光电耦合隔离电路的输出端，第一、第四开关管的发射极均与IGBT的栅极相连。
本发明所述栅极保护电路主要由第五电阻和TVS管组成，第五电阻和TVS管并联后一端与IGBT的栅极相连，另一端与IGBT的发射极相连。
本发明所述IGBT过温保护电路主要由第七二极管、基准源、第一比较器和用于检测IGBT温度的温度传感器组成，所述温度传感器的输出端经第七二极管的阳极、阴极后接入第一比较器的反向输入端，所述基准源的输出端接入第一比较器的同相输入端，所述第一比较器的输出端与第二光电耦合隔离电路的输入端相连。
所述欠电压保护电路主要由第二比较器组成，所述基准源的输出端与第二比较器的反相输入端相连，外部IGBT驱动电源的正端接入第二比较器的同相输入端，所述第二比较器的输出端与第二光电耦合隔离电路的输入端相连。
本发明所述IGBT饱和压降保护电路主要由第一电阻、第一二极管、第二二极管、第八电阻、第二电容和第一比较器组成，所述IGBT的集电极依次经第一二极管的阴极、第一二极管的阳极、第二二极管的阴极、第二二极管的阳极、第八电阻后接入第一比较器的反相输入端，所述第一比较器的反相输入端还经第二电容后接地，所述第一电阻连接于第一光电耦合隔离电路的输出端与第二二极管的阳极之间。
本发明所述降栅压软关断控制电路主要由第一电容、第四电容、第七电阻和第四二极管组成；第一、第四开关管的基极均与第四二极管的阳极相连，第四二极管的阴极与第一电容连接后接地；第二光电耦合隔离电路的发光二极管一端经第七电阻接入第四二极管的阴极，第二光电耦合隔离电路的发光二极管的另一端与第一比较器的输出端相连；第四电容一端与单稳态触发器的输入触发端相连，另一端接地。
本发明相比于现有技术的有益效果：
本发明可通过第一保护电路的IGBT过温保护电路、IGBT饱和压降保护电路、降栅压软关断控制电路、欠电压保护电路实现对IGBT的过温保护、饱和压降保护和降栅压软关断时间的保护控制，可靠地保护了IGBT的工作，并且本发明电路结构简单，成本低廉。
附图说明
图1是本发明的连接示意框图；
图2是本发明第一保护电路的电路原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示的一种IGBT驱动保护电路，它包括：用于封锁IGBT驱动信号的驱动信号封锁控制电路、用于保护IGBT的第一保护电路、用于对IGBT的驱动电源进行欠电压保护的欠电压保护电路，驱动信号封锁控制电路的输出端经第一光电耦合隔离电路与第一保护电路的输入端相连，第一保护电路的输出端经第二光电耦合隔离电路接入驱动信号封锁控制电路的输入端，欠电压保护电路的输出端与第二光电耦合隔离电路的输入端相连。
驱动保护电路包括用于将IGBT驱动信号放大的驱动功率放大电路、用于防止IGBT栅极过压击穿的栅极保护电路、用于IGBT过温保护的IGBT过温保护电路、用于控制IGBT饱和压降的IGBT饱和压降保护电路、用于控制IGBT降栅压软关断时间的降栅压软关断控制电路，第一光电耦合隔离电路的输出端依次经驱动功率放大电路、栅极保护电路后与IGBT的栅极相连，IGBT的集电极依次经IGBT过温保护电路、降栅压软关断控制电路后与驱动功率放大电路的相应输入端相连，IGBT的集电极还依次经IGBT饱和压降保护电路、降栅压软关断控制电路后与驱动功率放大电路的相应输入端相连；所述IGBT过温保护电路的输出端、IGBT饱和压降保护电路的输出端还均接入第二光电耦合隔离电路的输入端。
IGBT驱动信号首先依次通过驱动信号封锁电路、第一光电耦合隔离电路，然后经驱动功率放大电路后，再经栅极保护电路以驱动IGBT。通过IGBT过温保护电路和饱和导通压降保护电路，再将保护信号送给降栅压软关断控制电路和第二光电耦合隔离电路，通过第二光电耦合隔离电路控制驱动信号封锁控制电路，实现IGBT的栅极保护、降栅压软关断时间的保护控制和过温保护。欠电压保护电路则是对驱动IGBT的辅助电源的电压监测和保护。
如图2所示，驱动信号封锁控制电路主要由单稳态触发器U2、第三开关管Q3、第五开关管Q5和稳压管D3组成，单稳态触发器U2具有输入触发端(脚2)和输出端(脚3)，单稳态触发器U2的输入触发端与第二光电耦合隔离电路U4的输出端相连，单稳态触发器U2的输出端与第五开关管Q5的基极相连，第五开关管Q5的集电极分别接入IGBT驱动信号和稳压管D3的阴极，稳压管D3的阳极与第三开关管Q3的基极相连，第三开关管Q3的集电极与第一光电耦合隔离电路U1的输入端相连，第三、第五开关管Q3、Q5的发射极均接地。
驱动功率放大电路主要由第一开关管Q1、第四开关管Q4互补组成，第一、第四开关管Q1、Q4的基极均连接至第一光电耦合隔离电路的输出端，第一、第四开关管Q1、Q4的发射极均与IGBT的栅极相连。
栅极保护电路主要由第五电阻R5和TVS管Z1组成，第五电阻R5和TVS管Z1并联后一端与IGBT的栅极相连，另一端与IGBT的发射极相连。
IGBT过温保护电路主要由第七二极管D7、基准源Q6、第一比较器U3A和用于检测IGBT温度的温度传感器NTC1组成，温度传感器NTC1的输出端经第七二极管D7的阳极、阴极后接入第一比较器U3A的反向输入端，基准源Q6的输出端接入第一比较器U3A的同相输入端，第一比较器U3A的输出端与第二光电耦合隔离电路U4的输入端相连。
欠电压保护电路主要由第二比较器U3B组成，基准源Q6的输出端与第二比较器U3B的反相输入端相连，外部IGBT驱动电源的正端接入第二比较器U3B的同相输入端，第二比较器U3B的输出端与第二光电耦合隔离U4电路的输入端相连。
IGBT饱和压降保护电路主要由第一电阻R1、第一二极管D1、第二二极管D2、第八电阻R8、第二电容C2和第一比较器U3A组成，IGBT的集电极依次经第一二极管D1的阴极、第一二极管D1的阳极、第二二极管D2的阴极、第二二极管D2的阳极、第八电阻R8后接入第一比较器U3A的反相输入端，第一比较器U3A的反相输入端还经第二电容C2后接地，第一电阻R1连接于第一光电耦合隔离电路U1的输出端与第二二极管D2的阳极之间。
降栅压软关断控制电路主要由第一电容C1、第四电容C4、第七电阻R7和第四二极管D4组成；第一、第四开关管Q1、Q4的基极均与第四二极管D4的阳极相连，第四二极管D4的阴极与第一电容C1连接后接地；第二光电耦合隔离电路U4的发光二极管一端经第七电阻R7接入第四二极管D4的阴极，第二光电耦合隔离电路U4的发光二极管的另一端与第一比较器U3A的输出端相连；第四电容C4一端与单稳态触发器U2的输入触发端(脚2)相连，另一端接地。当IGBT的保护条件满足时，第一比较器U3A输出为低电平，第二光电耦合隔离电路U4的发光二极管通过第七电阻R7、第四二极管D4和第三电阻R3串联分压，此时第一电容C1放电，驱动信号放大电路的两驱动开关管Q1、Q4的基极电压从+15V按第一电容C1的放电曲线下降到分压电压5V，同时由于第二光电耦合隔离电路U4的发光二极管有电流流过，光耦导通，第二光电耦合隔离电路U4的输出为低电平，使第四电容C4放电，单稳态触发器U2的输入触发端(脚2)电压低于内部的阀值时，单稳态触发器U2翻转输出端(脚3)输出高电平，经第十电阻R10驱动第五开关管Q5导通，封锁IGBT的驱动信号，实现降栅压软关断保护控制。
IGBT的驱动信号经第六电阻R6、稳压管D3驱动稳压管Q3控制第一光电耦合电路U1内部的发光二极管，其中，第二R2为限流电阻。当输入信号为高电平时第三开关管Q3导通，第一光电耦合电路U1内部的发光二极管发光，耦合输出高电平，经第三电阻R3驱动第一开关管Q1和第四开光Q4组成的互补放大器，将驱动信号放大，再经第四电阻R4驱动IGBT，第五电阻R5为IGBT1A的栅极放电电阻，TVS管Z1为15V的TVS管，双向保护IGBT栅极驱动信号，防止过电压击穿栅极。
本实施例中，两比较器U3均采用LM293双电压比较器，实现饱和压降保护比较和过温保护比较；第一、第二光电耦合隔离电路U1、U4是型号为HCPL4504的高速光耦隔离电路，用于传输保护信号；单稳态触发器U2是型号为NE555的时基集成电路，结合整个降栅压软开关控制电路控制软关断时间和恢复时间；基准源Q6为型号为TL431的精密基准。第十二电阻R12为限流电阻，第十四电阻R14和第十六电阻R16为分压采样电阻，控制基准电压为7V，第三电容C3为基准电压的滤波电容。基准源Q6的阳极经第十三电阻R13连接到第一比较器U3A的同相输入端(脚3)给IGBT饱和压降保护电路提供比较基准，饱和压降检测信号则是通过第一电阻R1、第一二极管D1、第二二极管D2与IGBT的集电极连接，进行逻辑与电平合成，再通过第八电阻R8和第二电容C2滤波后连接到第一比较器U3A的反相输入端(脚2)。第一电阻R1、第八电阻R8和第二电容C2的时间常数决定IGBT的保护时间，本实施例的保护时间控制在5μs左右。
当IGBT导通时，IGBT集电极电压为IGBT的导通压降(UCE)，同时第一二极管D1、第二二极管D2正向导通，将第一电阻R1的输出电压钳位(UCE+UD1+UD2)；IGBT的导通压降(UCE)会随集电极电流线性增长，当IGBT过电流时导通压降(UCE)会随之升高，钳位电压(UCE+UDI+UD2)也升高，再经第八电阻R8、第二电容C2滤波，再第一比较器U3A的3脚基准电压进行比较，当高于3脚基准电压时，第一比较器U3A下拉输出，第五二极管D5和第十五电阻R15为回差控制，第二光电耦合隔离电路U4的发光管导通，此时第一电容C1通过第七电阻R7放电，第一电容C1和第七电阻R7的时间常数决定保护的关断下降斜率。
当第一电容C1两端电压下降后，第四二极管D4导通与第三电阻R3进行分压，将驱动电压的幅度降转7.5V，实现软关断；第二光电耦合隔离电路U4导通输出，第四电容C4放电，控制单稳态触发器U2的触发脚，当触发电压低于内部的触发电压时，单稳态触发器U2翻转3脚输出高电平，经第十电阻R10驱动第五三极管Q5导通，将输入的驱动信号关闭，此时第五开关管Q5导通压降，小于稳压管D3的压降，开关管Q3截止，实现驱动信号的封锁控制。
第一保护电路中，第二光电耦合隔离电路U4的导通延迟时间和第四电容C4的放电时间决定IGBT降栅压软关断时间，则可通过对第二光电耦合隔离电路U4河第四电容C4的调整设置，实现控制IGBT降栅压软关断时间。当IGBT保护信号解除后，单稳态触发器U2的输出端(脚3)不立即翻转，而是延长一段时间，该时间是由第七电阻R7和第六电容C6的时间常数决定，本实施例为150μs左右，防止IGBT连续过流运行发热损坏。
IGBT的驱动电源输出+15V和-10V的电压，第二比较器U3B为驱动电源的欠电压保护比较器，第二比较器U3B的反相输入端(脚6)经第八电阻R18连接到基准电压Q6，第二比较器U3B的同相输入端(脚5)连接电压检测分压电阻R19和R20，并通过分压电阻R19连接至IGBT驱动电源的正输出端，第七电容C7为退耦电容。当分压电压低于第二比较器U3B的同相输入端(脚5)时，第二比较器U3B翻转控制第二光电耦合隔离电路U4、驱动信号封锁控制电路实现欠电压保护。
过温保护是通过IGBT的温度传感器NTC1检测获得IGBT的温度，由第二十一电阻R21分压，再经第七二极管D7连接到第一比较器U3A的反相输入端(脚2)，当温度升高时，温度传感器NTC1的阻值变小，第二十一电阻R21的分压电压上升，该分压电压超过第一比较器U3A的同相输入端(脚3)基准时，第一比较器U3A翻转控制第二光电耦合隔离电路U4实现过温保护，其中，第六二极管D6和第十七电阻R17为回差控制。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的变化与变型，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。
Claims (2)
1.一种IGBT驱动保护电路，包括用于封锁IGBT驱动信号的驱动信号封锁控制电路、用于保护IGBT的第一保护电路、用于对IGBT的驱动电源进行欠电压保护的欠电压保护电路，所述驱动信号封锁控制电路的输出端经第一光电耦合隔离电路与第一保护电路的输入端相连，第一保护电路的输出端经第二光电耦合隔离电路接入驱动信号封锁控制电路的输入端，所述欠电压保护电路的输出端与第二光电耦合隔离电路的输入端相连，其特征在于：所述第一保护电路包括用于将IGBT驱动信号放大的驱动功率放大电路、用于防止IGBT栅极过压击穿的栅极保护电路、用于IGBT过温保护的IGBT过温保护电路、用于控制IGBT饱和压降的IGBT饱和压降保护电路、用于控制IGBT降栅压软关断时间的降栅压软关断控制电路，所述第一光电耦合隔离电路的输出端依次经驱动功率放大电路、栅极保护电路后与IGBT的栅极相连，IGBT的集电极依次经IGBT过温保护电路、降栅压软关断控制电路后与驱动功率放大电路的相应输入端相连，IGBT的集电极还依次经IGBT饱和压降保护电路、降栅压软关断控制电路后与驱动功率放大电路的相应输入端相连；所述IGBT过温保护电路的输出端、IGBT饱和压降保护电路的输出端还均接入第二光电耦合隔离电路的输入端；
所述驱动信号封锁控制电路主要由单稳态触发器、第三开关管、第五开关管和稳压管组成，所述单稳态触发器具有输入触发端和输出端，单稳态触发器的输入触发端与第二光电耦合隔离电路的输出端相连，单稳态触发器的输出端与第五开关管的基极相连，第五开关管的集电极分别接入IGBT驱动信号和稳压管的阴极，稳压管的阳极与第三开关管的基极相连，第三开关管的集电极与第一光电耦合隔离电路的输入端相连，第三、第五开关管的发射极均接地；
所述栅极保护电路主要由第五电阻和TVS管组成，第五电阻和TVS管并联后一端与IGBT的栅极相连，另一端与IGBT的发射极相连；
所述IGBT过温保护电路主要由第七二极管、基准源、第一比较器和用于检测IGBT温度的温度传感器组成，所述温度传感器的输出端经第七二极管的阳极、阴极后接入第一比较器的反向输入端，所述基准源的输出端接入第一比较器的同相输入端，所述第一比较器的输出端与第二光电耦合隔离电路的输入端相连；
所述欠电压保护电路主要由第二比较器组成，所述基准源的输出端与第二比较器的反相输入端相连，外部IGBT驱动电源的正端接入第二比较器的同相输入端，所述第二比较器的输出端与第二光电耦合隔离电路的输入端相连；
所述IGBT饱和压降保护电路主要由第一电阻、第一二极管、第二二极管、第八电阻、第二电容和第一比较器组成，所述IGBT的集电极依次经第一二极管的阴极、第一二极管的阳极、第二二极管的阴极、第二二极管的阳极、第八电阻后接入第一比较器的反相输入端，所述第一比较器的反相输入端还经第二电容后接地，所述第一电阻连接于第一光电耦合隔离电路的输出端与第二二极管的阳极之间；
所述降栅压软关断控制电路主要由第一电容、第四电容、第七电阻和第四二极管组成；第一、第四开关管的基极均与第四二极管的阳极相连，第四二极管的阴极与第一电容连接后接地；第二光电耦合隔离电路的发光二极管一端经第七电阻接入第四二极管的阴极，第二光电耦合隔离电路的发光二极管的另一端与第一比较器的输出端相连；第四电容一端与单稳态触发器的输入触发端相连，另一端接地。
2.根据权利要求1所述的IGBT驱动保护电路，其特征在于：所述驱动功率放大电路主要由第一开关管、第四开关管互补组成，第一、第四开关管的基极均连接至第一光电耦合隔离电路的输出端，第一、第四开关管的发射极均与IGBT的栅极相连。
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Non-Patent Citations (1)
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