CN102790609B - 一种绝缘栅功率管的驱动器 - Google Patents

Abstract

提供一种IGBT隔离驱动器，由隔离输入单元(A)、接口单元(B)、正负电源分配单元(C)、驱动输出单元(D)、过流检测单元(E)、降栅压单元(F)、延迟判断单元(G)、软关断单元(H)和短路报警单元(I)共9个单元组成；其特征是单电源供电，正常工作时正电压开通负电压关断，保护时具备软关断、信号封锁、降栅压并延迟判断功能，因此对IGBT具有较完善的保护。

Description

一种绝缘栅功率管的驱动器

技术领域

本发明属于开关电源中的功率管驱动技术领域，特别涉及绝缘栅功率器件(MOSFET、IGBT或其它栅隔离器件，以下均简称为IGBT)的隔离驱动和保护。

背景技术

开关电源中大功率器件驱动电路(驱动器)的设计一向是电源领域的关键技术之一。当前在电力电子学领域，在开关电源的功率等级上，正朝着微小功率和超大功率两个方向前进。较大功率开关电源中的IGBT能否可靠工作，与它的驱动保护电路的设计是否完善有着直接的关系。比较理想的驱动器，首先，开通IGBT时能够提供约15V的正电压，使得IGBT充分饱和，降低其导通损耗；关断时提供一个负电压(一般为5-12V)，使其可靠关断，并具有相当的抗干扰性。其次，当IGBT发生过流短路时，能够将IGBT软关断，就是将IGBT中的电流沿一条斜线降到零。如果立即关断、即硬关断，IGBT中的巨大的电流变化率(di/dt)将在IGBT回路中的寄生电感上产生很高的电压，有可能击穿IGBT。第三，应具备信号封锁功能，就是在软关断过程中如果恰逢脉冲宽度调制器PWM或脉冲频率调制器PFM(以下均简称为PWM)发出关断指令，驱动器不响应，也即封锁PWM信号。因为如果响应了这个指令去关断IGBT，也就中止了软关断过程而成为硬关断。第四，IGBT工作过程中，各种随机的干扰信号有可能造成IGBT短时间过流，而这种过流并不需要关断IGBT。因此驱动器在检测到过流信号时最好先将驱动栅压降低一点(一般是5V)。在较低的驱动栅压情况下，IGBT具有较长时间的短路过流耐受能力。降栅压后，设立一个延迟判断的时间Tdelay(一般1-5μS)，如果在这个时间内过流信号消失，驱动器恢复原来的驱动栅压，IGBT继续工作；如果过流信号仍然存在，驱动器再软关断IGBT。

目前市场上的成品IGBT驱动器，如VLA517、M57962、KA962等，一般都有软关断功能，但没有降栅压功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种单电源供电的，具有正电压开通负电压关断，并在保护时具备软关断、信号封锁、降栅压并延迟判断特性的IGBT隔离驱动器。

本发明的技术方案是：

驱动器由隔离输入单元(A)、接口单元(B)、正负电源分配单元(C)、驱动输出单元(D)、过流检测单元(E)、降栅压单元(F)、延迟判断单元(G)、软关断单元(H)和短路报警单元(I)9个单元组成。其中，

隔离输入单元(A)由光电耦合器或者脉冲变压器组成，其作用是接收输入的PWM调制信号、并提供输入和输出间的电气隔离，将信号送入接口单元(B)；

接口单元(B)由分立或集成比较器等组成，其作用是接收隔离输入单元(A)中光电耦合器或脉冲变压器次级的信号，并将电平调整到适合驱动输出单元(D)的输入要求。本单元也接收短路报警单元(I)的信号，在软关断保护开始后封锁输入的PWM信号，以便在任何时候都能将软关断保护进行到底。

正负电源分配单元(C)由分立或集成稳压器件等组成，其作用是将驱动器的单一电压输入电源Vp转变为正负电源，负电压用来在关断IGBT时提供给栅极一个低于发射极的负电压，以可靠关断IGBT，并具备较强的抗干扰性。

驱动输出单元(D)由推拉式的功放电路组成，接收接口单元(B)的PWM指令，并输出适合IGBT需要的驱动脉冲。本单元也接收降栅压单元(F)和软关断单元(H)的指令，对处于过流状态的IGBT实行降栅压和软关断保护。

过流检测单元(E)由分立或集成比较器等组成，检测IGBT的集电极的电压，如果超过设定值，即认为发生了过流，并输出信号到降栅压单元(F)。本单元也接收复位单元(J)的复位信号，暂时取消对IGBT的过电流检测，于是当再有PWM信号输入到驱动器输入端时，将恢复驱动器的正常输出。

降栅压单元(F)由分立或集成比较器等组成，当接收到过流检测单元(E)的过流信号后，本单元立即输出一个比正电源电压Vcc略低一些(约5V)的电平送到驱动输出单元(D)，降低驱动脉冲的幅度，以提高IGBT的过流耐受能力。同时本单元还输出一个信号到延迟判断单元(G)。

延迟判断单元(G)由分立或集成比较器等组成，当接收到降栅压单元(F)的信号后开始延迟判断，如果在设定的延迟时间Tdelay内过流信号消失，本单元判断是干扰造成的虚假信号，无需向后传送，并停止延迟工作；如果过流信号继续存在，则当延迟时间Tdelay到时，本单元判断确实存在短路过流，于是输出信号到软关断单元(H)和短路报警单元(I)。

软关断单元(H)，由分立或集成比较器等组成，当接收到延迟判断单元(G)的信号后，启动软关断功能，输出一个逐渐降低到零以至零以下的电平到驱动输出单元(D)，将IGBT中的电流缓降到零。本单元的输出也同时送到短路报警单元(I)。

短路报警单元(I)，由分立或集成比较器等组成，当接收到延迟判断单元(G)的信号后，输出一个报警信号，通过外接的光耦，将信号传送到电源的控制电路，由控制电路采取相应的保护措施(如关断PWM脉冲、或者降低PWM的频率，等等)。本单元的输出同时送到接口单元(B)和自动复位单元(J)，前者用以封锁PWM信号、保证软关断进行到底，后者启动自动复位功能。各单元的组成结构：

隔离耦合单元(A)可有多种形式，如(A1)和(A2)。

隔离耦合单元(A1)由光电耦合器IC1和电阻R1组成。IC1中发光管的正极是本单元的输入端Via，负极是输入信号的公共端Com；IC1中光电三极管的发射极接负电源Vee，R1的上端与正电源Vcc相连，R1的下端与IC1中三极管的集电极相连，作为本单元的输出端Voa。

隔离耦合单元(A2)由脉冲变压器B1组成。B1初级上端是本单元的输入端Via，下端是输入信号的公共端Com；次级的下端接负电源Vee，次级上端是输出端Voa。

接口单元(B)可有多种形式，如(B1)和(B2)。

接口单元(B1)由比较器IC2和电阻R2、R3和R4组成。R2的左端是本单元的输入端Vib，右端与IC2的同相输入端相连，R3的上端接到正电源Vcc，其下端与电阻R4的上端以及IC2的反相输入端相连，R4的下端接负电源Vee，IC2的输出端是本单元的输出端Vob。

接口单元(B2)由电阻R6和NPN三极管T1组成。T1的基极是本单元的输入端Vib，T1的发射极与负电源Vee相连，R6的上端和正电源Vcc相连，T1的集电极与R6的下端相连、并作为本单元的输出端Vob。

正负电源分配单元(C)可有多种形式，如(C1)和(C2)。

正负电源分配单元(C1)由电阻R7、稳压管D2和电容C2组成。R7的上端接输入电源Vp的正端、也就是驱动器的正电源Vcc，D2的正极和C2的下端接输入电源Vp的负端、也就是驱动器的负电源Vee，R7的下端、D2的负极和C2的上端连在一起、作为本单元的输出、也就是驱动器内部的公共端地、与其它单元的相应地相连。

正负电源分配单元(C2)由三端集成稳压电路IC3和电容C3组成。IC3的输入端接输入电源Vp的正端、也就是驱动器的正电源Vcc，IC3的内部公共端和C3的下端接输入电源Vp的负端、也就是驱动器的负电源Vee，IC3的输出端和C3的上端连在一起、作为本单元的输出、也就是驱动器内部的公共端地、与其它单元的相应地相连。

驱动输出单元(D)可有多种形式，如(D1)和(D2)。

驱动输出单元(D1)由NPN三极管T2和PNP三极管T3组成。T2和T3的基极相连、并作为本单元的输入端Vid，T2的集电极与正电源Vcc相连，T3的集电极与负电源Vee相连，T2和T3的发射极相连、并作为本单元的输出端Vod。

驱动输出单元(D2)由PNP三极管T4和NPN三极管T5、T6组成。T4和T5的基极连在一起作为本单元的输入端Vid，T4的集电极和T6的基极相连，T5的集电极与正电源Vcc相连，T6的发射极和负电源Vee相连，T4、T5的发射极和T6的集电极相连作为本单元的输出端Vod。Vod也是驱动器的输出端Vo。

过流检测单元(E)可有多种形式，如(E1)和(E2)。

过流检测单元(E1)由电阻R8、R9、R10、R19、电容C8、二极管D11和比较器IC4组成。R8的左端是本单元的第一输入端Vie1，R8的右端、R19的下端、D11的正极、C8的上端与IC4的同相输入端相连，C8和R10的下端接负电源Vee，R9和R19的上端与正电源Vcc相连，R9的下端、R10的上端以及IC4的反相输入端相连，IC4的输出端是本单元的输出端Voe，D11的负极是本单元的第二输入端Vie2。

过流检测单元(E2)由电阻R11、R12、电容C9、二极管D12、稳压管D3和NPN三极管T7组成。D12的负极是本单元的第二输入端Vie2，R11的下端、D12的正极和D3的负极连在一起作为本单元的第一输入端Vie1，R11和R12的上端接正电源Vcc，D3的正极、C9的上端和T7的基极相连，C9的下端和T7的发射极都接负电源Vee，R12的下端和T7的集电极相连后作为本单元的输出端Voe。

降栅压单元(F)可有多种形式，如(F1)和(F2)。

降栅压单元(F1)由电阻R13、R14、二极管D5、稳压管D4和NPN三极管T8、T14组成。T14的基极是本单元的输入端Vif，R13和R14的上端都与正电源Vcc相连，T14的发射极和D4的正极接负电源Vee，T14的集电极、R13的下端与T8的基极相连，D4的负极与T8的发射极相连，R14的下端、T8的集电极与D5的负极相连，是本单元的一个输出端Vof2，D5的正极是本单元的另一个输出端Vof1。

降栅压单元(F2)由比较器IC9、稳压管D13和二极管D6组成，IC9的同相输入端接地，反相输入端是本单元的输入端Vif，D6和D13的负极相连，IC9的输出端和D13的正极相连是本单元的第二输出端Vof2，D6的正极是本单元的第一输出端Vof1。

延迟判断单元(G)可有多种形式，如(G1)和(G2)。

延迟判断单元(G1)由电阻R18、电容C4组成(C4也可以是与本级输出Vog相连的后级输入端的寄生电容)。电阻R18的左端是本单元的输入端Vig，C4的下端与地相连。R18的右端和电容C4的上端在一起构成本单元的输出端Vog。

延迟判断单元(G2)由电阻R20、R21、R22和电容C5、稳压管D11以及比较器IC5组成。R20的左端是本单元的输入端Vig，R21的上端与正电源Vcc相连，R22的下端与负电源Vee相连，R21的下端及R22的上端与IC5的同相输入端连在一起，R20的右端和C5的左端与IC5的反相输入端连接，C5的右端和IC5的输出端和D11的负极相连，D11的正极是本单元的输出端Vog。

软关断单元(H)可有多种形式，如(H1)和(H2)。

软关断单元(H1)由集成比较器IC10、电容CX1、电阻R23、R24和二极管D7组成。IC10的同相输入端接地，反相输入端是本单元的输入端Vih，IC10的输出端和电阻R23的左端相连，R23的右端、R24的下端、CX1的上端和D7的负极连在一起，R24的上端接正电源Vcc，CX1的下端接负电源Vee，D7的正极是本单元的输出端Voh。

软关断单元(H2)由NPN三极管T12、稳压管D14、电阻R5、R25、R26、电容CX2和二极管D8组成。R5的上端是本单元的输入端Vih，R5的下端与D15的负极相连，D14的正极与T12的基极相连，T12的发射极和CX2的下端接到负电源Vee，T12的集电极和电阻R25的左端相连，R26的上端接到正电源Vcc，R26的下端、R25的右端、CX2的上端和D8的负极连在一起，D8的正极是本单元的输出端Voh。

短路报警单元(I)可有多种形式，如(I1)和(I2)。

短路报警单元(I1)由电阻R27、R28、R29、36和比较器IC6、11组成。R27的左端是本单元的输入端Vii，R27的右端与IC6的同相端和IC11的同相端相连，R28、R36的上端接到正电源Vcc，R29的下端接到地，R28的下端和R29的上端与IC6的反相端和IC11的反相端连在一起，IC6的输出端和R36的下端相连是本单元的第一输出端Voi1，IC11的输出端是本单元的第二输出端Voi2。

短路报警单元(I2)由电阻R30、R31、稳压管D15和NPN三极管T9、T13组成。R30的上端是本单元的输入端Vii，R30的下端与D15的负极相连，D15的正极与T9的基极和T13的基极相连，T9和T13的发射极接负电源Vee，R31的上端接正电源Vcc，R31的下端与T13的集电极连在一起作为本单元的第一输出端Voi1，T9的集电极是本单元的第二输出端Voi2。

本发明的驱动器由上述(A)到(I)的9个单元组成，其内部具体的连接方式如下：隔离输入单元(A)的输出端Voa与接口单元(B)的输入端Vib、短路报警单元(I)的第二输出端Voi2三者连在一起；接口单元(B)的输出端Vob、过流检测单元(E)的第二输入端Vie2、降栅压单元(F)的第一输出端Vof1、软关断单元(H)的输出端Voh和输出单元(D)的输入端Vid五者连接在一起；过流检测单元(E)的输出端Voe与降栅压单元(F)的输入端Vif相连；降栅压单元(F)的第二输出端Vof2与延迟判断单元(G)的输入端Vig相连；延迟判断单元(G)的输出端Vog与软关断单元(H)的输入端Vih和短路报警单元(I)的输入端Vii相连。

所有9个单元各自的正电源端Vcc、负电源端Vee、公共地端GND都相应连在一起。

本发明驱动器共有8个端口与外部相连。隔离输入单元(A)的输入端Via、输入信号Com端分别是本发明驱动器的输入端Vi和输入信号Com端；输出单元(D)的输出端Vod作为本发明驱动器的输出端Vo接被驱动的IGBT的栅极；过流检测单元(E)的第一输入端Vie1作为本发明驱动器的过流检测端Detect，通过外部二极管DD接IGBT的集电极；短路报警单元(I)的第一输出端Voi1作为本发明驱动器的短路报警端Fault，将信号反馈回控制板。正负电源分配单元(C)的Vcc和Vee端分别是本发明驱动器的Vcc和Vee端，接外部电源Vp；公共地GND端也是本发明驱动器的输出公共端、接被驱动的IGBT的发射极。

本发明的工作过程分三种情况详述如下(可对照附图22)：

1、正常工作情况

由开关电源的控制板送来的PWM信号到达驱动器的输入端Vi，由隔离输入单元(A)输出一个与初始输入信号电气隔离的信号到接口单元(B)进行电压放大，再送至输出单元(D)进行功率放大后由输出端Vo接到被驱动的IGBT的栅极，使得IGBT能够进行正常的开关工作。

正常情况下，IGBT的导通电压较低，不能触发过流检测单元(E)动作，其输出为高电平；降栅压单元(F)输出高电平；延迟判断单元(G)输出低电平；软关断单元(H)输出高电平；短路报警单元(I)输出高电平。这些保护电路对驱动器的正常驱动输出没有影响。

2、发生短路故障的保护过程

被驱动的IGBT的集电极与发射极间的饱和电压Vces的大小能够反映流过IGBT中的电流大小，从集电极通过一个外部二极管DD与本发明驱动器的过流检测端口Detect、即过流检测单元(E)的输入端Vie1相连，用以检测IGBT中的电流。当IGBT回路中发生过流甚至短路时，集射极间的电压Vces就会超过单元(E)中设定的比较电平，使比较器翻转，于是单元(E)的输出端Voe送出一个低电平的降栅压指令到降栅压单元(F)的输入端Vif。单元(F)接收到这个信号后，立即产生一个只比正常输出的高电平低Vf(一般约5V)的信号，由输出端Vof1送到驱动输出单元(D)的输入端Vid。单元(D)立即执行，在输出端Vod把驱动脉冲降低约Vf(5V)。IGBT因为栅压降低，短路的时间耐受能力因而延长。降栅压单元(F)的另一个输出端Vof2将降栅压指令转送到延迟判断单元(G)的输入端Vig。单元(G)是个时间延迟控制器，在设定的时间Tdelay内，如果输入信号消失，时间控制器停止工作，不输出信号；如果信号仍然存在，则输出相应的关断信号，由输出端Vog送到软关断单元(H)的输入端Vih和短路报警单元(I)的输入端Vii。软关断单元(H)是一个积分器，在没有信号输入时输出电平基本为正电源Vcc，有信号输入时，其输出端的电位逐渐降低。单元(H)在接收到关断指令后，输出端Voh的电位在2-8μS的过程中逐渐降低到零、甚至更低，送到驱动输出单元(D)的输入端Vid。单元(D)同时将这个逐渐降低的电平由输出端Vod送到被驱动的IGBT的栅极，将IGBT软关断，实施完全的保护。短路报警单元(I)是一个比较器，IGBT正常工作时输出高电平信号，当它接收到延时判断单元(G)的软关断信号后，比较器翻转输出低电平；单元(I)有2个功能，一是通过输出端Voi1送到外接光耦IC0的二极管输入端，IC0的输出端的信号送到外部控制器，由控制器采取相应的进一步保护措施，比如关断PWM脉冲、或者降低PWM的频率，等等；二是通过Voi 2将这个低电平信号同时送至接口单元(B)的输入端Vib，这样，在过流保护期间，当输入的PWM信号由高电平变到低电平时，本来隔离耦合单元(A)应该输出的高电平仍被单元(I)的低电平给拉下来，也就是封锁了输入的PWM脉冲，使得软关断过程可以进行到底。

3、短暂的故障干扰情况

如果是某种干扰致使IGBT的导通电压Vces超过过流检测单元(E)中设定的比较电平，驱动器内相应单元也要动作：单元(E)输出低电平信号到降栅压单元(F)，单元(F)将电压降低Vf(5V)的指令信号送到输出单元(D)，单元(D)立即执行，在输出端Vod把驱动脉冲降低约Vf(5V)。降栅压单元(F)同时将降栅压指令转送到延迟判断单元(G)的输入端Vig。单元(G)是个时间延迟控制器，在设定的时间Tdelay内，如果输入信号消失，时间控制器停止工作，不输出信号。因为是短暂的干扰，在Tdelay内，干扰消失，单元(G)停止工作；同时由于过流检测单元(E)的输入信号也随之消失，单元(E)输出恢复高电平，致使降栅压单元(F)的输出也恢复原来的高电平；输出单元(D)恢复正常的高电平驱动，不影响IGBT继续正常工作。

与现有驱动技术相比，本发明的优点是：由于设计了多种保护措施，因而能够很完善地保护IGBT，同时减少了保护误动作，提高了电源的可靠性。

附图说明

图1是本发明的原理图。

图2是采用光电耦合器的隔离输入单元(A1)。

图3是采用脉冲变压器的隔离输入单元(A2)。

图4是采用集成比较器的接口单元(B1)。

图5是采用三极管组成的的接口单元(B2)。

图6是采用稳压二极管组成的正负电源分配单元(C1)。

图7是采用集成三端稳压器构成的正负电源分配单元(C2)。

图8是采用互补射极跟随器组成的驱动输出单元(D1)。

图9是采用图腾柱方式的驱动输出单元(D2)。

图10是采用集成比较器组成的过流检测单元(E1)。

图11是采用三极管比较器组成的过流检测单元(E1)。

图12是由采用三极管等元器件组成降栅压单元(F1)。

图13是采用集成比较器组成的降栅压单元(F2)。

图14是采用三极管等元器件组成的延迟判断单元(G1)。

图15是采用比较器等组成的延迟判断单元(G2)。

图16是采用集成比较器组成的软关断单元(H1)。

图17是采用三极管等组成的软关断单元(H2)。

图18是采用集成比较器组成的短路故障报警单元(I1)。

图19是采用三极管组成的短路故障报警单元(I2)。

图20是采用集成比较器组成的自动复位单元(J1)。

图21是采用三极管等组成的自动复位单元(J2)

图22是本发明的一个实施例。

图23是增加了软关断时间调整端Vxh的软关断单元(H1X)。

图24是增加了软关断时间调整端Vxh的软关断单元(H2X)。

具体实施方式

以下结合附图22的非限定实施例对本发明作进一步的详述，有助于对本发明的理解。

整个驱动器由单元(A-I)组成。各单元所采用的具体电路如下：隔离输入单元(A1)、接口单元(B2)、正负电源分配单元(C1)、驱动输出单元(D1)、过流检测单元(E2)、降栅压单元(F1)、延迟判断单元(G2)、软关断单元(H2)和短路报警单元(I2)。驱动器共有8个端子，端子1(Vcc)和2(Vee)是单一电压电源输入端，接外部电源Vp；端子3(Vi)是PWM信号输入端，端子4(Com)是输入信号的公共端，外部控制板的信号由此输入；端子5(Detect)是检测信号输入端，通过一个外部二极管DD接被驱动的IGBT的集电极；端子6(Fault)是故障报警输出端，接外部控制电路，送出故障信号。端子(Vo)是驱动输出端，接被驱动的IGBT的栅极，端子8(GND)是驱动器内部参考地也是输出的公共端，接IGBT的发射极。

正负电源分配单元(C1)的上下两个输入端分别接输入直流电源Vp的正负端，即驱动器的端子1(Vcc)和2(Vee)，将输入的单一电压直流电源Vp变换成以GND、即输出端子8为参考点的正电源Vcc和负电源Vee。

隔离输入单元(A1)中，IC1的输入端就是驱动器的输入端口3(Vi)和4(Com)，IC1中光电三极管的发射极接地，R1的上端接电源Vcc，电阻R1的下端与IC1中三极管的集电极相连后作为本单元的输出端Voa，该输出端再与接口单元(B2)的输入端Vib相连。

接口单元(B2)由电阻R6和NPN三极管T1组成。T1的基极是本单元的输入端Vib，T1的发射极与地相连，R6的上端和正电源Vcc相连，T1的集电极与R6的下端相连作为本单元的输出端Vob，该输出端再与过流检测单元(E2)的第二输入端Vie2和驱动输出单元(D1)的输入端Vid连接。

驱动输出单元(D1)由三极管T2和T3组成。T2和T3的基极相连、并作为本单元的输入端Vid，T2的集电极与正电源Vcc相连，T3的集电极与负电源Vee相连，T2和T3的发射极相连、并作为本单元的输出端Vod、也是本驱动器的输出端子7(Vo)。

过流检测单元(E2)由电阻R11、R12、电容C9、二极管D12、稳压管D3和NPN三极管T7组成。D12的负极是本单元的第二输入端Vie2；R11的下端、D12的正极和D3的负极连在一起作为本单元的第一输入端Vie1；R11和R12的上端接正电源Vcc，D3的正极、C9的上端和T7的基极相连，C9的下端和T7的发射极都接负电源Vee，R12的下端和T7的集电极相连后作为本单元的输出端Voe、再与降栅压单元(F1)的输入端Vif连接。

当忽略三极管T7的基极发射极压降时，本发明驱动器的过流保护阈值Vth＝Vd3，Vd3是实施例中的稳压管D3的稳压值。当被驱动的IGBT正常工作时，其集电极发射极间的电压Vces＜Vth，过流检测单元(E)不动作，当发生短路故障时，IGBT中的电流很大，Vces＞Vth，单元(E)的输出状态要发生翻转。

降栅压单元(F1)由电阻R13、R14、二极管D5、稳压管D4和NPN三极管T8、T14组成。T14的基极是本单元的输入端Vif，R13和R14的上端都与正电源Vcc相连，T14的发射极和D4的正极接负电源Vee，T14的集电极、R13的下端与T8的基极相连，D4的负极与T8的发射极相连，R14的下端、T8的集电极与D5的负极相连，是本单元的一个输出端Vof2、并与延迟判断单元(G2)的输入端Vig相连，D5的正极是本单元的另一个输出端Vof1、并与输出单元(D1)的输入端Vid相连。

延迟判断单元(G2)由电阻R20、R21、R22和电容C5、稳压管D11以及比较器IC5组成。R20的左端是本单元的输入端Vig，R21的上端与正电源Vcc相连，R22的下端与负电源Vee相连，R21的下端及R22的上端与IC5的同相输入端连在一起，R20的右端和C5的左端与IC5的反相输入端连接，C5的右端和IC5的输出端和D11的负极相连。D11的正极是本单元的输出端Vog，与软关断单元(H2)的输入端Vih和短路报警单元(I2)的输入端Vii相连。

软关断单元(H2)由NPN三极管T12、稳压管D14、电阻R5、R25、R26、电容CX2和二极管D8组成。R5的上端是本单元的输入端Vih，R5的下端与D15的负极相连，D14的正极与T12的基极相连，T12的发射极和CX2的下端接到负电源Vee，T12的集电极和电阻R25的左端相连，R26的上端接到正电源Vcc，R26的下端、R25的右端、CX2的上端和D8的负极连在一起，D8的正极是本单元的输出端Voh。

短路报警单元(I2)由电阻R30、R31、稳压管D15和NPN三极管T9、T13组成。R30的上端是本单元的输入端Vii，R30的下端与D15的负极相连，D15的正极与T9的基极和T13的基极相连，T9和T13的发射极接负电源Vee，R31的上端接正电源Vcc，R31的下端与T13的集电极连在一起作为本单元的第一输出端Voi1、并且作为本发明驱动器的信号报警端Fault，T9的集电极是本单元的第二输出端Voi2、与接口单元(B2)的输入端Vib相连。

在开关电源正常工作时，PWM信号送到驱动器的PWM输入端口1(Vi)和2(Com)，经光耦IC1隔离，从IC1输出一个与原来PWM反相的信号到T1的基极。经T1反相放大，由集电极输出与原来PWM同相的推动信号，其正脉冲幅值为Vcc、负脉冲幅值为Vee，送到互补的射极跟随器T2和T3的基极。输出端口7(Vo)、即T2和T3的发射极驱动外部IGBT的栅极。因为IGBT的发射极接驱动器的公共地端子8(GND)，所以开通IGBT时栅极的电平是正Vcc，关断时栅极是负电平Vee。

正常工作时，IGBT集电极的电位Vces＜Vth，通过外部二极管DD将端口5(Detect)电平拉低，稳压管D3截至，三极管T7截至，T14饱和导通，T8截至，T8的集电极电位为Vcc，D5始终不通，对驱动输出管T2、T3的通断没有影响。T8集电极的高电平加在延时判断单元(G2)的积分器IC5上，IC5输出接近Vee的负电平，T12截至，电容CX2通过电阻R26充电到Vcc，D8始终不通，对驱动输出的T2、T3也没有影响。IC5的负电平输出同时送到T13的基极，T13截至，没有报警信号，连到驱动器短路报警端子6(Fault)的外接光耦IC0不通。

发生过流短路时，IGBT集电极的电位Vces＞Vth，稳压管D3导通，三极管T7饱和导通，T14截至，T8导通，T8的集电极电位降低到稳压管D4的稳压值Vd4(约等于Vp-5V)，这里忽略了T8的的饱和压降，于是D5导通，通过驱动输出管T2和T3立即将外部IGBT的栅极电位相应降低5V，以使IGBT的短路耐受能力提高。T8的集电极电位降低后，由于延时判断单元(G2)中比较器IC5同相输入端的电平设置高于Vd4，积分器IC5输出端的电平由接近于Vee逐渐上升。设定在延迟时间Tdelay时IC5的输出上升到D14的稳压值使T12导通。积分器时间Tdelay的设置是业内的简单工作。如果在Tdelay时间内过流短路信号始终存在，延迟时间Tdelay到达时，T12导通，通过电阻R25给电容CX2放电，CX2上端的电位逐渐下降，并通过二极管D8传送到驱动输出管T2、T3的基极，将外部IGBT的栅极电位逐渐拉低，当栅极电位降到IGBT的开通阈值电压时，IGBT关断，栅极电位最终降到接近于Vee。因为IC5的输出也送到T9和13的基极，所以当延迟时间Tdelay到时，T9、13饱和导通。T9的低电平送达接口单元(B2)中T1的基极，封锁外部输入的PWM信号，于是即便输入PWM信号变成低电平，也无法立即关断IGBT，保证了软关断过程进行到底。T13的信号通过故障报警端子6(Fault)，传送到外部光耦IC0。

上述短路故障的描述中，如果是短暂的过流短路，也就是在延时判断单元(G2)的Tdelay时间内，过流故障结束，于是驱动器反馈端子5(Detect)的电位下降，导致T7截至、T14导通、T8截至，D5不导通，停止对输出级三极管T2、T3的下拉作用，输出恢复正常电压。T8截至导致其集电极电位升高，中断了延迟判断单元(G2)的工作，IC5输出恢复低电平，则后级软关断单元(H2)、故障报警单元(I2)都不起作用，既不对IGBT实施软关断，也没有报警信号输出。

本驱动器可以增加扩展功能，详述如下：

IGBT被驱动器保护关断后，即使故障消除，驱动器也不能继续输出PWM脉冲来驱动IGBT工作，只能靠外部控制电路给过流检测单元(E)的第一输入端Vie1提供一个低电平信号来复位，应用不太方便。因此驱动器可以增加自动复位单元(J)来自动复位，也就是在开始软关断保护的时刻触发单元(J)，由该单元延时Treset(一般1-1000mS)时间后，输出一个信号自动恢复驱动器的正常驱动工作。

复位单元(J)，由分立或集成比较器等组成，当接收到短路报警单元(I)的信号后，等待一段时间Treset后，输出状态翻转，并将该信号送到过流检测单元(E)的第二个输入端，暂时取消对IGBT的过电流检测，于是当再有PWM信号输入到驱动器输入端时，将恢复驱动器的正常输出。

自动复位单元(J)可由多种型式，如(J1)、(J2)。

自动复位单元(J1)由比较器IC7、IC8、电阻R32、电容C10和二极管D9组成。IC7的反相输入端是本单元的输入端Vij，IC7、8的同相输入端都接到地，R32和C10的上端都接到Vcc，R32和C10的下端与IC7的输出端和IC8的反相输入端连在一起，IC8的输出端和D9的负极相连，D9的正极是本单元的输出端Voj。

自动复位单元(J2)由电阻R33、R34、R35、电容C11、二极管D10、PNP三极管T14和NPN三极管T15组成。R33的左端是本单元的输入端Vij，R33的右端、C11的下端和T14的基极相连，C11的上端和T14的发射极接正电源Vcc，T14的集电极、R34的上端和R35的左端相连，R34的下端和T15的发射极接负电源Vee，R35的右端和T15的基极相连，T15的集电极和D10的负极相连，D10的正极是本单元的输出端Voj。

复位单元(J)的输入端Vij与短路报警单元(I)的输出端Voi相连，单元(J)的输出端与过流检测单元(E)的第一输入端Vie1相连。

在实际应用中，还可以根据需要增加一些参数调整端，如盲区时间调整端、延迟判断时间Tdelay调整端、复位时间Treset调整端和软关断时间调整端等端口。例如软关断时间调整端，就可以在(H1)中的电容CX1的上端引出调整端Vxh，或者在(H2)中的电容CX2的上端引出调整端Vxh，如图23和24所示。这样，驱动器的用户就可以在驱动器的Vxh端和负电源Vee这两端之间外接电容，调整软关断的时间。

Claims (3)

1.一种隔离式的绝缘栅功率器件驱动器，它由隔离输入单元(A)、接口单元(B)、正负电源分配单元(C)、驱动输出单元(D)、过流检测单元(E)、降栅压单元(F)、延迟判断单元(G)、软关断单元(H)和短路报警单元(I)共9个单元组成，其特征是：隔离输入单元(A)的输出端Voa与接口单元(B)的输入端Vib、短路报警单元(I)的第二输出端Voi2三者连在一起；接口单元(B)的输出端Vob、过流检测单元(E)的第二输入端Vie2、降栅压单元(F)的第一输出端Vof1、软关断单元(H)的输出端Voh和输出单元(D)的输入端Vid五者连接在一起；过流检测单元(E)的输出端Voe与降栅压单元(F)的输入端Vif相连；降栅压单元(F)的第二输出端Vof2与延迟判断单元(G)的输入端Vig相连；延迟判断单元(G)的输出端Vog与软关断单元(H)的输入端Vih和短路报警单元(I)的输入端Vii相连；

所有9个单元各自的正电源端Vcc、负电源端Vee、公共地端GND都相应连在一起；

所述绝缘栅功率器件驱动器共有8个端口与外部相连，隔离输入单元(A)的输入端Via、输入信号Com端分别是所述绝缘栅功率器件驱动器的输入端Vi和输入信号Com端；输出单元(D)的输出端Vod是所述绝缘栅功率器件驱动器的输出端Vo；过流检测单元(E)的第一输入端Vie1是所述绝缘栅功率器件驱动器的过流检测端Detect；短路报警单元(I)的第一输出端Voi1是所述绝缘栅功率器件驱动器的短路报警端Fault；正负电源分配单元(C)的Vcc和Vee端分别是所述绝缘栅功率器件驱动器的正电源端Vcc和负电源端Vee端；公共地GND端是所述绝缘栅功率器件驱动器的输出公共端。

2.根据权利要求1所述的隔离式的绝缘栅功率器件驱动器，其特征在于：

可以插入复位单元(J)，复位单元(J)的输入端Vij与短路报警单元(I)的输出端Voi相连，复位单元(J)的输出端与过流检测单元(E)的第一输入端Vie1相连。

3.根据权利要求1所述的隔离式的绝缘栅功率器件驱动器，其特征在于：

从前述驱动器中的软关断单元(H)中的电容Cx1或者Cx2的上端引出一个软关断时间调整端Vxh。