CN103199832A

CN103199832A - Igbt驱动保护电路及系统

Info

Publication number: CN103199832A
Application number: CN2012100036907A
Authority: CN
Inventors: 隋德磊; 韩红彬; 陈铁年; 刘金晶; 尚冰
Original assignee: CNR Dalian Electric Traction R& D Center Co Ltd
Current assignee: CRRC Yangtze Co Ltd
Priority date: 2012-01-06
Filing date: 2012-01-06
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2032-01-06
Also published as: CN103199832B

Abstract

本发明提供一种IGBT驱动保护电路及系统。该电路包括控制芯片、驱动电压监测模块和短路及过流保护模块，其中：驱动电压监测模块与控制芯片连接，用于当监测获知IGBT的驱动电压低于预设电压时，向控制芯片提供低电平的电压监测信号；控制芯片用于若接收到低电平的电压监测信号，则发送第一故障信号，以对所述IGBT进行欠压保护处理；控制芯片还与所述短路及过流保护模块连接，还用于接收所述IGBT的集电极电压和预设参考电压，若比较获知集电极电压大于等于预设参考电压，则从短路及过流保护模块获取故障信号时长指示信号，并根据故障信号时长指示信号发送第二故障信号，以对所述IGBT进行短路及过流保护处理。

Description

IGBT驱动保护电路及系统

技术领域

本发明涉及电子器件保护技术，尤其涉及一种接IGBT驱动保护电路及系统，属于电子技术领域。

背景技术

绝缘栅双极型三极管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)具有易驱动、高耐压、电流容量大、高速和低饱和压降等良好特性，故得到了极为广泛的应用，例如广泛应用于变频电源、电机调整和逆变焊机等设备中。

IGBT和其他电子器件一样，除自身所能够提供的器件性能外，实用性还依赖于电路条件和开关环境，因此如何对IGBT进行驱动和保护以确保IGBT的可靠、安全工作，是IGBT电路设计的难点和关键。

发明内容

本发明提供一种IGBT驱动保护电路及系统，用以实现对IGBT进行有效、可靠的驱动电压监测及短路、过流保护。

根据本发明的一方面，提供一种IGBT驱动保护电路，包括控制芯片、驱动电压监测模块和短路及过流保护模块，其中：

所述驱动电压监测模块与所述控制芯片连接，用于当监测获知IGBT的驱动电压低于预设电压时，向所述控制芯片提供低电平的电压监测信号；

所述控制芯片用于若接收到所述低电平的电压监测信号，则发送第一故障信号，以使脉冲处理模块根据所述第一故障信号对所述IGBT进行欠压保护处理；

所述控制芯片还与所述短路及过流保护模块连接，还用于接收所述IGBT的集电极电压和预设参考电压，若比较获知所述集电极电压大于等于所述预设参考电压，则从所述短路及过流保护模块获取故障信号时长指示信号，并根据所述故障信号时长指示信号发送第二故障信号，以使脉冲处理模块根据所述第二故障信号对所述IGBT进行短路及过流保护处理。

根据本发明的另一方面，还提供一种IGBT驱动保护系统，其特征在于，包括本发明提供的IGBT驱动保护电路、用于向所述IGBT驱动保护电路提供IGBT的驱动电压和预设参考电压的电源模块、用于向所述IGBT驱动保护电路提供IGBT的集电极电压的门极驱动模块，以及与所述IGBT驱动保护电路连接的脉冲处理模块，所述脉冲处理模块用于接收所述IGBT驱动保护电路生成的第一故障信号和/或第二故障信号，并且根据所述第一故障信号和/或第二故障信号封锁脉冲并关断所述IGBT。

根据本发明提供的IGBT驱动保护电路及系统，通过利用一个控制芯片、与控制芯片连接的驱动电压监测模块，以及与控制芯片连接的短路及过流保护模块，同时实现了对IGBT的欠压保护和短路、过流保护。由于控制芯片本身具有较高的集成度，其能够提供可靠、准确度高、逻辑较为复杂的多项处理，因此在搭建IGBT驱动保护电路时，仅需基于控制芯片搭建包括少量电子器件的外围电路，即可实现对IGBT的高效、且可靠性高的监测及保护。

附图说明

图1为本发明实施例IGBT驱动保护电路的结构示意图。

图2为本发明实施例IGBT驱动保护电路的具体电路图。

图3为本发明实施例IGBT驱动保护系统的结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明实施例IGBT驱动保护电路的结构示意图。如图1所示，该IGBT驱动保护电路包括控制芯片11、驱动电压监测模块12和短路及过流保护模块13，其中：

驱动电压监测模块12与所述控制芯片11连接，用于当监测获知IGBT的驱动电压低于预设电压时，向所述控制芯片11提供低电平的电压监测信号；

所述控制芯片11用于若接收到所述低电平的电压监测信号，则发送第一故障信号，以使脉冲处理模块根据所述第一故障信号对所述IGBT进行欠压保护处理；

所述控制芯片11还与所述短路及过流保护模块13连接，还用于接收所述IGBT的集电极电压和预设参考电压，若比较获知所述集电极电压大于等于所述预设参考电压，则从所述短路及过流保护模块13获取故障信号时长指示信号，并根据所述故障信号时长指示信号发送第二故障信号，以使脉冲处理模块根据所述第二故障信号对所述IGBT进行短路及过流保护处理。

上述第一故障信号与第二故障信号可以相同或不同，此处不做限定。

根据上述实施例的IGBT驱动保护电路，通过利用一个控制芯片、与控制芯片连接的驱动电压监测模块，以及与控制芯片连接的短路及过流保护模块，同时实现了对IGBT的欠压保护和短路、过流保护。由于控制芯片本身具有较高的集成度，其能够提供可靠、准确度高、逻辑较为复杂的多项处理，因此在搭建IGBT驱动保护电路时，仅需基于控制芯片搭建包括少量电子器件的外围电路，即可实现对IGBT的高效、且可靠性高的监测及保护。

进一步地，在上述实施例的IGBT驱动保护电路中，控制芯片优选为NE555芯片。

其中，NE555芯片是一种数字电路与模拟电路相结合的中规模集成电路。该电路使用灵活、方便只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳态触发器和多谐振荡器等，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。其工作方式一般可以归纳为三类，即：单稳态、双稳态和无稳态。其中，单稳态主要用于定时器，消除抖动，分、倍频和脉冲输出等；双稳态主要用于比较器、锁存器、反相器、方波输出及整形等；无稳态主要用于方波输出、电源变换和定时等。上述实施例的IGBT驱动保护电路中，NE555芯片主要工作在单稳态和双稳态，用于定时器和比较器。

图2为本发明实施例IGBT驱动保护电路的具体电路图。如图2所示，NE555芯片的8个引脚用于实现以下连接：NE555芯片通过第一引脚、第四引脚和第八引脚，与驱动电压监测模块连接；通过第五引脚接收预设参考电压(Vref)；通过第六引脚接收IGBT的集电极电压(Vce)；通过第一引脚、第二引脚、第三引脚和第八引脚，与短路及过流保护模块连接；通过第七引脚输出第一故障信号和第二故障信号，其中第一引脚接地(GND)，第八引脚接与驱动电压(VDD)连接。

更为具体地，驱动电压监测模块包括PNP型三极管、连接在所述驱动电压与PNP型三极管(VT1)的基极之间的第一电阻(R1，例如为1.5K欧)、连接在驱动电压VDD与PNP型三极管VT1的发射极之间的第二电阻(R2，例如为6.8K欧)、连接在接地GND与PNP型三极管VT1的基极之间的稳压管(Z1，例如使用集成有两个稳压管的Z4型稳压管设备，可选取其中任意一个接入电路，另一个空置)，以及连接在接地GND与PNP型三极管VT1的集电极之间的第三电阻(R3，例如为100K欧)。其中，PNP型三极管VT1的集电极与NE555芯片的第四引脚连接，用于根据该PNP型三极管VT1的导通或截止，向NE555芯片的第四引脚输入相应的高电平或低电平。第三电阻R3用作限流电阻，第一电阻R1、第二电阻R2以及稳压管Z1均用于控制PNP型三极管VT1的导通或截止。

驱动电压监测模块与NE555芯片相配合，实现驱动电压监测的原理如下：驱动电压VDD为待监测的电压，同时驱动电压VDD也为NE555芯片供电，当驱动电压VDD正常时，PNP型三极管VT1导通，NE555芯片正常工作；当驱动电压VDD过低时，PNP型三极管VT1截止，NE555芯片处于复位状态，此时NE555芯片的第七引脚输出低电平故障信号，封锁脉冲并关断IGBT。通过这种方式，实现了在驱动电压处于欠压状态时，对IGBT的保护。

进一步地，短路及过流保护模块包括绝缘栅场效应管(VT2，例如为SS型号的N沟道增强型MOS管)和第二电容(C2，例如为330nF)，其中：

绝缘栅场效应管VT2在IGBT无故障时开通，此时对第二电容C2进行充电；以及在IGBT有故障时截止，此时对第二电容C2进行放电。

第二电容C2用于在放电状态下，向控制芯片提供故障信号时长指示信号。

更为具体地，短路及过流保护模块还可包括第四电阻(R4，例如为33K)、第五电阻(R5，例如为10K)和第六电阻(R6，例如为100K)。其中，第四电阻R4和第五电阻R5串接在绝缘栅场效应管VT2的栅极与NE555芯片的第一引脚之间，第四电阻R4与第五电阻R5之间的线路与PNP型三极管VT1的发射极连接。绝缘栅场效应管VT2的栅极还直接与NE555芯片的第三引脚连接，其中第三引脚用于根据第四引脚接收到的电平信号向外输出相应电平信号，即当第四引脚因PNP型三极管VT1导通而接收到高电平时，则第三引脚向绝缘栅场效应管VT2的栅极提供高电平，当第四引脚因PNP型三极管VT1截止而接收到低电平时，向绝缘栅场效应管VT2的栅极提供低电平。

此外，绝缘栅场效应管VT2的漏极与驱动电压VDD连接，绝缘栅场效应管VT2的源极通过第六电阻R6接地GND，从而使得当绝缘栅场效应管VT2导通时，可对与第六电阻R6并联的第二电容C2进行充电，并当绝缘栅场效应管VT2断开时，第二电容C2进行放电。由于第二电容C2的一端接地GND，另一端与NE555芯片的第二引脚连接，从而在放电时向通过第二引脚向NE555芯片提供故障信号时长指示信号，即放电时长。可见，通过调节第六电阻R6的电阻值及第二电容C2的电容容量即可实现对故障信号时长指示信号的调节。

通过上述连接，短路及过流保护模块与NE555芯片相配合，实现短路及过流电压保护的原理如下：由于IGBT的集电极电压Vce与集电极电流近似成正比关系，所以采用检测IGBT集电极饱和电压来判断IGBT是否过流或短路。预设参考电压Vref例如为由基准电源提供，或采用恒流源接电阻形式提供，其中当采用恒流源接电阻形式提供时，电路较复杂，但不易受干扰，可增加电路的稳定性，所以可应用于大功率驱动板；当采用基准电源提供时，电路较简单，但抗干扰性较差，所以可应用于小功率驱动板。当IGBT过电流或短路时，集电极电压Vce上升，当集电极电压Vce达到用户设定的过限值，即达到Vce大于等于预设参考电压Vref时，驱动保护电路工作，NE555芯片的第七引脚(protect引脚)输出低电平的故障信号，关断IGBT，并且此故障信号保持一段时间，该时间的长度即为短路及过流保护模块中第二电容C2的放电时长，在此时长内封锁输入脉冲。

在上述实施例的IGBT驱动保护电路中，通过将预设参考电压Vref和集电极电压Vce接入NE555芯片的比较器的两个输入端，即第五引脚和第六引脚，来实现对该两个电压值的比较，并根据比较结果IGBT是否过流或者短路，从而发送相应的故障信号，实现有效的过流或者短路保护。

进一步地，由于IGBT在刚导通但未饱和时，集电极电压Vce很大，为防止驱动保护电路此时误动作，可在检测的集电极电压Vce与接地GND之间加设第三电容(图中未示出)来设置保护响应时间，以在保护响应时间内，IGBT短路及过流保护功能处于无效状态。

进一步地，在上述实施例的IGBT驱动保护电路中，还包括：

连接在驱动电压VDD与接地GND之间的第一电容(C1，例如为47nF)，该第一电容C1用作滤波电容。

图3为本发明实施例IGBT驱动保护系统的结构示意图。如图3所示，该IGBT驱动保护系统包括上述任一实施例的IGBT驱动保护电路31、用于向IGBT驱动保护电路31提供IGBT的驱动电压VDD和预设参考电压Vref的电源模块32、用于向IGBT驱动保护电路31提供IGBT的集电极电压Vce的门极驱动模块33，以及与IGBT驱动保护电路31连接的脉冲处理模块34，脉冲处理模块34用于接收IGBT驱动保护电路31生成的第一故障信号和/或第二故障信号，并且根据第一故障信号和/或第二故障信号封锁脉冲并关断IGBT。电源模块32还可向IGBT驱动保护电路31提供接地GND。

具体地，电源模块32还可起到隔离作用，在为IGBT驱动保护电路31提供IGBT的驱动电压VDD和预设参考电压Vref的同时，还为门极驱动模块33和脉冲处理模块34供电。门极驱动模块33还可用于向IGBT提供可靠导通和截止的栅极控制电压。脉冲处理模块34对输入的脉冲信号进行隔离，设置上、下桥臂控制脉冲的死区与互锁。

上述实施例的IGBT驱动保护系统对IGBT完成保护的具体原理与前述实施例的IGBT驱动保护电路相同，故此处不再赘述。

根据上述实施例的IGBT驱动保护系统，通过利用包括一个控制芯片、与控制芯片连接的驱动电压监测模块，以及与控制芯片连接的短路及过流保护模块的IGBT驱动保护电路，同时实现了对IGBT的欠压保护和短路、过流保护。由于控制芯片本身具有较高的集成度，其能够提供可靠、准确度高、逻辑较为复杂的多项处理，因此在搭建IGBT驱动保护电路时，仅需基于控制芯片搭建包括少量电子器件的外围电路，即可实现对IGBT的高效、且可靠性高的监测及保护。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种绝缘栅双极型三极管IGBT驱动保护电路，其特征在于，包括控制芯片、驱动电压监测模块和短路及过流保护模块，其中：

2.根据权利要求1所述的IGBT驱动保护电路，其特征在于，所述控制芯片为NE555芯片；相应地，所述NE555芯片通过第一引脚、第四引脚和第八引脚，与所述驱动电压监测模块连接；通过第五引脚接收所述预设参考电压；通过第六引脚接收所述IGBT的集电极电压；通过第一引脚、第二引脚、第三引脚和第八引脚，与所述短路及过流保护模块连接；通过第七引脚输出所述第一故障信号和所述第二故障信号，其中所述第一引脚接地GND，所述第八引脚接与所述驱动电压连接。

3.根据权利要求1或2所述的IGBT驱动保护电路，其特征在于，还包括：

连接在所述驱动电压与所述GND之间的第一电容。

4.根据权利要求1或2所述的IGBT驱动保护电路，其特征在于，所述驱动电压监测模块包括PNP型三极管、连接在所述驱动电压与所述PNP型三极管的基极之间的第一电阻、连接在所述驱动电压与所述PNP型三极管的发射极之间的第二电阻、连接在所述GND与所述PNP型三极管的基极之间的稳压管，以及连接在所述GND与所述PNP型三极管的集电极之间的第三电阻。

5.根据权利要求1或2所述的IGBT驱动保护电路，其特征在于，所述短路及过流保护模块包括绝缘栅场效应管和第二电容，其中：

所述绝缘栅场效应管用于在所述IGBT无故障时开通，并在开通时对所述第二电容进行充电；在所述IGBT有故障时截止，并在截止时对所述第二电容进行放电；

所述第二电容用于在放电状态下，向所述控制芯片提供故障信号时长指示信号。

6.根据权利要求1或2所述的IGBT驱动保护电路，其特征在于，还包括：

连接在所述集电极电压与GND之间的第三电容。

7.一种IGBT驱动保护系统，其特征在于，包括如权利要求1至6任一所述的IGBT驱动保护电路、用于向所述IGBT驱动保护电路提供IGBT的驱动电压和预设参考电压的电源模块、用于向所述IGBT驱动保护电路提供IGBT的集电极电压的门极驱动模块，以及与所述IGBT驱动保护电路连接的脉冲处理模块，所述脉冲处理模块用于接收所述IGBT驱动保护电路生成的第一故障信号和/或第二故障信号，并且根据所述第一故障信号和/或第二故障信号封锁脉冲并关断所述IGBT。