CN103346763B - 一种绝缘栅双极晶体管驱动保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种绝缘栅双极晶体管驱动保护电路，主要包括：两个电源VB+、VB-、绝缘栅双极晶体管IGBT、输入脉冲控制电路、光耦P1、初级放大电路、次级放大电路、Vce的监测保护电路以及输出电路；所述输出电路主要由双极型晶体管电路与电源电路构成，可以输出正负15V脉冲电压。输出电路输出的正负15V脉冲电压可以使绝缘栅双极晶体管IGBT在不同的导通上升时间和关断下降时间条件下有效导通。在干扰较大的应用场合中，输出电路提供的负15V电压可以使绝缘栅双极晶体管IGBT可靠关断，提高绝缘栅双极晶体管IGBT工作的可靠性。

Description

一种绝缘栅双极晶体管驱动保护电路

技术领域

本发明电路属于电力电子领域，具体涉及一种绝缘栅双极晶体管IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）的驱动保护电路。

背景技术

绝缘栅双极晶体管IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。它既具有功率MOSFET输入阻抗高、工作速度快、易驱动的优点，又具有双极达林顿功率管GTO饱和电压低、电流容量大、耐压高等优点，能正常工作于几十KHz频率范围内，故在较高频率的大、中功率设备（如变频器、UPS电源、高频焊机等）应用中占据了主导地位。IGBT的驱动保护电路是其应用方案设计的难点和关键，性能优良的驱动保护电路是确保IGBT高效、可靠运行的必要条件。如图1所示为现有技术方案中一种典型的驱动保护电路，特点是结构简单，具有驱动电源保护功能，但是对IGBT导通的上升时间和关断的下降时间不可调，且提供的负偏压一般不超过-7.5V，这就导致了这一电路应用的局限性，在干扰较大的应用场合，IGBT有可能不能可靠关断。一个性能优良的驱动保护电路应该具备以下特征：首先具有良好的隔离功能而且对信号的延时很小；其次应该能够提供一定幅值的正反向栅极电压并且具有足够的驱动能力；必须串联合适的栅极电阻，然而不同规格的IGBT和不同的应用场合具体对IGBT的导通的上升时间和关断的下降时间要求不同，因此性能好的驱动保护电路应该具备分别调节和的功能。另外，驱动保护电路应该具有欠压保护功能。

然而全面分析目前的各种驱动保护电路方案，分别具有不同的侧重点，但没有一种电路方案具备上述所有的特征，因此造成驱动保护电路的可靠性不高，给使用带来了不便。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种具有欠压保护功能、对IGBT导通的上升时间和关断的下降时间可调的功能完善、性能可靠的新型IGBT驱动保护电路。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种绝缘栅双极晶体管驱动保护电路，主要包括：

两个用于提供工作电压的电源VB+和VB-；

一个用于控制负载通断的绝缘栅双极晶体管IGBT；

一个输入脉冲控制电路，用于将前级控制系统发出的脉冲信号传递给光耦P1；

光耦P1，主要用来实现控制电路和主电路的电气隔离，其输入端连接来自控制系统的控制脉冲输入电路的脉冲信号，输出端相当于一个OC门，输出的电压用于控制晶体管VT1和晶体管VT3的通断；

初级放大电路，主要包括晶体管VT1，用于对控制绝缘栅双极晶体管IGBT开通和关断所需要的栅极脉冲进行初级功率放大，其输入端与光耦P1的输出端连接，其输出端与驱动芯片U3的输入端INA相连；

次级放大电路，主要包括二极管D1、D2、D3，电阻R3、R7、R8，电容C13，MOSFET器件U1和U2。其中，R3并联在二极管D1的两端，二极管D1的阳极与MOSFET的驱动芯片U3的输出引脚OUTA相连，阴极与MOSFET器件U1的G极相连。电容C13并联在二极管D2的两端，电阻R7并联在二极管D3的两端。二极管D2的阴极接U1的OUTA，二极管D2的阳极接二极管D3的阴极，电阻R8的一端接二极管D3的阳极，另一端接MOSFET器件U2的S1极；

绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极与发射级间的导通压降Vce的监测保护电路，主要由电阻R12、R14、R15、R18、R19、R20，二极管A1，稳压管Z1和双极型晶体管VT1、VT2组成，用于对绝缘栅双极晶体管IGBT进行过流保护；其中，二极管A1的阴极经电阻R14接双极型晶体管VT2的集电极，阳极经电阻R12与电源VB+连接，双极型晶体管VT1的集电极经电阻R12与电源VB+连接，双极型晶体管VT1的发射极接地，其基极通过电阻R20接至光耦P1的输出引脚6。稳压管Z1的阴极接电阻R18，阳极接双极型晶体管VT2的基极,双极型晶体管VT2的发射极接地，集电极通过电阻R14、R15接至电源VB+，电阻R19一端接双极型晶体管VT2的基极，另一端接地。

故障软关断电路，主要由电阻R9、R13，稳压二极管D4、二极管D5和电容C15组成，用于在绝缘栅双极晶体管IGBT发生过流时对绝缘栅双极晶体管IGBT进行缓慢关断防止在绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极产生大的噪声；其中，电阻R9的一端接驱动芯片U3的输入端INB引脚，另一端接双极型晶体管VT2的集电极；电容C15并联在稳压二极管D4两端，稳压二极管D4的阴极接驱动芯片U3的输出端OUTB，阳极接二极管D5的阴极，电阻R13并联在二极管D5两端。

本发明所述的驱动保护电路还包括一个上升下降时间可调电路，主要包括一个驱动芯片U3，驱动芯片U3的输入端INA接晶体管VT2的OC输出端，输出端OUTA与电容C13的一端和稳压管D2的阴极相连接，MOSFET器件U1的源极连接到电源VB+，MOSFET器件U1的漏极电阻R1的一端相连接；当晶体管Q1和Q2导通时，工作电源电压VB+便通过晶体管Q1和Q2加在绝缘栅双极晶体管（IGBT）的栅极。当绝缘栅双极型晶体管（IGBT）在工作中退出饱和状态时，晶体管VT2便输出退饱和故障信号ERR，退饱和故障信号ERR与电阻R9相连，电阻R9的另一端连接到驱动芯片U3的INB引脚，驱动芯片U3的输出端OUTB与稳压管D2的阴极和电容C13的一端相连，稳压管D2的阳极与电容C13的另一端、电阻R7的一端和二极管D3的阴极相连接。

本发明所述的驱动保护电路本身还包括一个输出电路，该输出电路，主要由电阻R1、R2、R4、R6，双极型晶体管Q1、Q2、Q3、Q4组成，其中，电阻R1和电阻R2并联，一端接MOSFET器件U1的D极，另一端接双极型晶体管Q1、Q2、Q3、Q4的基极；电阻R4和电阻R6并联，一端接MOSFET器件U2的D1、D2极，另一端接双极型晶体管Q1、Q2、Q3、Q4的基极。双极型晶体管Q1、Q2的集电极接电源VB+，双极型晶体管Q3、Q4的集电极接电源VB-，电路输出正负15V的脉冲电压。

本发明的有益效果是，输出电路输出的正负15V脉冲电压可以使绝缘栅双极晶体管IGBT在不同的导通上升时间和关断下降时间条件下有效导通。在干扰较大的应用场合中，输出电路提供的负15V电压可以使绝缘栅双极晶体管IGBT可靠关断，提高绝缘栅双极晶体管IGBT工作的可靠性。

附图说明

图1是一种现有技术方案的电路原理图；

图2是本发明的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的基本结构组成和工作原理。

如图2所示，本发明主要包括：

两个用于提供工作电压的电源VB+和VB-，本实施例中VB+选取+15V，VB-选取-15V；

一个用于控制负载通断的绝缘栅双极晶体管IGBT；

光耦P1，主要用来实现控制电路和主电路的电气隔离，其输入端连接来自控制系统的控制脉冲输入电路的脉冲信号，输出端相当于一个OC门，输出的电压用于控制双极型晶体管VT1和双极型晶体管VT3的通断；

初级放大电路，主要包括晶体管VT1，用于对控制绝缘栅双极晶体管IGBT开通和关断所需要的栅极脉冲进行初级功率放大，其输入端与光耦P1的输出端连接，其输出端与驱动芯片U3的输入端INA相连；

绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极与发射级间的导通压降Vce的监测保护电路，主要由电阻R14、R15、R18、R19，二极管A1，稳压管Z1和双极型晶体管VT2组成，用于对IGBT进行过流保护；其中，二极管A1的阴极经电阻R14接双极型晶体管VT2的集电极，阳极经电阻R12与VB+连接，晶体管VT1的集电极经电阻R12与VB+连接，晶体管VT1的发射极接地，其基极通过电阻R20接至光耦P1的输出引脚6。稳压管Z1的阴极接电阻R18，阳极接双极型晶体管VT2的基极,双极型晶体管VT2的发射极接地，集电极通过R14、R15接至VB+，电阻R19一端接双极型晶体管VT2的基极，另一端接地。

故障软关断电路，主要由电阻R9、R13，稳压二极管D4、二极管D5和电容C15组成，用于在绝缘栅双极晶体管IGBT发生过流时对绝缘栅双极型晶体管IGBT进行缓慢关断防止在绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极产生大的噪声；其中，电阻R9的一端接驱动芯片U3的INB引脚，另一端接双极型晶体管VT2的集电极；电容C15并联在二极管D4两端，稳压二极管D4的阴极接驱动芯片U3的OUTB，阳极接二极管D5的阴极，电阻R13并联在二极管D5两端。

其主要特点在于还包括正负15V输出电路，由双极型晶体管Q1、Q2、Q3和Q4组成，双极型晶体管Q1、Q2、Q3和Q4的基极连接在一起，双极型晶体管Q1、Q2的集电极接电源VB+，双极型晶体管Q3、Q4的集电极接电源VB-。

本发明的基本工作原理是：首先来自控制系统的脉冲信号PWM经过光耦P1后被初级放大电路进行功率放大，然后经过上升下降时间可调电路，在这个电路结构里可以调节绝缘栅双极晶体管IGBT导通的上升时间和关断的下降时间。在这个过程中，如果绝缘栅双极晶体管IGBT因短路而发生过流，Vce监测保护电路就会被触发，它也是首先对绝缘栅双极晶体管IGBT进行软关断，然后封锁驱动保护电路的控制脉冲输出直到过流情况被解除。另外，正负15V电源可以通过双极型晶体管Q1、Q2、Q3和Q4的轮流导通施加在绝缘栅双极晶体管IGBT的栅极。

下面结合图2描述本发明上升下降时间可调电路的具体工作过程及原理：

当光耦P1加上驱动信号PWM后，光耦P1导通，A点电位迅速下降至0V，使双极型晶体管VT1、VT3截止。双极型晶体管VT1的截止使D点电位上升至高电平，D点经过驱动芯片U3的输入端INA之后输出低电平，MOSFET器件U1导通，电源VB+通过MOSFET器件U1及电阻R1、R2使得双极型晶体管VT1和双极型晶体管VT2导通，电源VB+通过双极型晶体管VT1和双极型晶体管VT2导通向绝缘栅双极晶体管IGBT提供电流，使之迅速导通，此时可以通过调节电阻Rgon的阻值来调整绝缘栅双极晶体管IGBT导通回路的阻抗，表现出来的是驱动脉冲上升的陡度，即绝缘栅双极晶体管IGBT导通的上升时间，因此可以通过调节电阻Rgon的阻值来调节绝缘栅双极晶体管IGBT导通的上升时间与此同时，双极型晶体管VT3的截止使电源VB+通过电阻R16向电容C18充电，时间常数为

这时B点电位上升，它由0V上升到稳压管Z1的击穿电压9.1V的时间可用下式求得：

（2）

式（2）中，t=2.54。绝缘栅双极晶体管IGBT延迟约1后导通，导通后的绝缘栅双极晶体管IGBT的栅极与发射极之间电压为3V左右，由于二极管D6的钳位作用使得B点和C点的电位不会上升到9V，而是上升到6V左右。因为稳压管Z1的稳压值为9.1V，绝缘栅双极晶体管IGBT正常开通时不会被击穿，双极型晶体管VT2不导通，E点电位为高电平15V，二极管A1截止,退饱和故障信号ERR输出高电平15V。

当光耦P1上没有加驱动脉冲时，光耦P1不导通，A点电位上升，使双极型晶体管VT1、VT3导通。双极型晶体管VT3导通，电容C18通过晶体管Q1迅速放电，将B点和C点电位钳位在0V，稳压管Z1不导通，双极型晶体管VT2截止，退饱和故障信号ERR输出高电平，经过驱动芯片U3输入端INB之后输出低电平使MOSFET器件U2的第二个开关单元G2、D2、S2截止，E点仍为高电平，二极管A1截止。与此同时，双极型晶体管VT1的导通使D点电位下降至低电平0V，D点电位经过驱动芯片U3的输入端INA之后输出高电平15V，经过稳压二极管D2后使MOSFET器件U1截止，MOSFET器件U2的第一单元G1、D1、S1导通。由于在绝缘栅双极晶体管IGBT正常导通和正常关断时，退饱和故障信号ERR都为高电平15V，因此经过驱动芯片U3后MOSFET器件U2的第二单元一直截止。在负的栅极电压下，绝缘栅双极晶体管IGBT栅极电荷通过电阻Rgoff和双极型晶体管Q3、Q4迅速放电，绝缘栅双极晶体管IGBT的栅极和发射极之间通过双极型晶体管Q3、Q4加上-15V的电压，使绝缘栅双极晶体管IGBT可靠关断，此时可以调节电阻Rgoff的阻值来调整绝缘栅双极晶体管IGBT关断回路的阻抗，表现出来的是关断绝缘栅双极晶体管IGBT的脉冲下降的陡度，即绝缘栅双极晶体管IGBT关断的下降时间，因此可以通过调节电阻Rgoff的阻值来调整绝缘栅双极晶体管IGBT的关断的下降时间与此同时，绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极和发射极间电压Uce迅速上升，使二极管D6截止。

驱动保护电路在正常工作时，如果IGBT突然退出饱和，则会造成电路中部分元件不能正常工作并可能带来严重的后果，因此本发明加入了软关断保护单元，具体工作过程及原理是：当IGBT退出饱和时，其栅射极电压会高于正常导通的电压。此时二极管D6的阴极电位上升，从而稳压管Z1的阴极电位上升，导致稳压管Z1被击穿，双极型晶体管VT2导通，使双极型晶体管VT2集电极输出的退饱和故障信号ERR为低电平，经过MOSFET驱动芯片U3的OUTB输出后变为高电平，引起MOSFET器件U2的第二开关单元G2、D2、S2导通，进而晶体管Q3和Q4导通，IGBT的栅极电荷通过晶体管Q3和Q4迅速泄放，IGBT截止，避免了过流引起的损害。

Claims (3)

1.一种绝缘栅双极晶体管驱动保护电路，主要包括：

两个用于提供工作电压的电源VB+、VB-；

一个用于控制负载通断的绝缘栅双极型晶体管IGBT；

一个控制脉冲输入电路，用于将前级控制系统发出的脉冲信号传递给光耦P1；

光耦P1，主要用来实现控制电路和主电路的电气隔离，其输入端接收前级控制系统发出的控制脉冲信号，输出端为一个OC门；

初级放大电路，包括双极型晶体管VT1，用于对控制绝缘栅双极晶体管IGBT开通和关断所需要的栅极脉冲进行初级功率放大，其输入端与光耦P1的输出端连接，其输出端与MOSFET驱动芯片U3的输入端INA相连；

次级放大电路，包括二极管D1、D2、D3，电阻R3、R7、R8，电容C13，MOSFET器件U1和U2，其中，电阻R3并联在二极管D1的两端，二极管D1的阳极与MOSFET的驱动芯片U3的输出引脚OUTA相连，阴极与MOSFET器件U1的G极相连，电容C13并联在二极管D2的两端，电阻R7并联在二极管D3的两端，二极管D2的阴极接U1的OUTA，二极管D2的阳极接二极管D3的阴极，电阻R8的一端接二极管D3的阳极，另一端接MOSFET器件U2的S1极；

绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极与发射级间的导通压降Vce的监测保护电路，包括电阻R14、R15、R18、R19，二极管A1，稳压管Z1和双极型晶体管VT2，用于对绝缘栅双极晶体管IGBT进行过流保护；其中，二极管A1的阴极经电阻R14接双极型晶体管VT2的集电极，阳极经电阻R12与电源VB+连接，晶体管VT1的集电极经电阻R12与电源VB+连接，双极型晶体管VT1的发射极接地，其基极通过电阻R20接至光耦P1的输出引脚6，稳压管Z1的阴极接电阻R18，阳极接晶体管VT2的基极,VT2的发射极接地，集电极通过电阻R14、R15接至电源VB+；

故障软关断电路，包括电阻R9、R13，稳压二极管D4、二极管D5和电容C15，用于在绝缘栅双极晶体管IGBT发生过流时对绝缘栅双极晶体管IGBT进行缓慢关断防止在绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极产生大的噪声；其中，电阻R9的一端接驱动芯片U3的输入端INB引脚，另一端接双极型晶体管VT2的集电极；电容C15并联在稳压二极管D4两端，稳压二极管D4的阴极接驱动芯片U3的输出端OUTB，阳极接二极管D5的阴极，电阻R13并联在二极管D5两端。

2.根据权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管驱动保护电路，其特征在于，所述驱动保护电路还包括输出电路，输出电路包括电阻R1、R2、R4、R6，双极型晶体管Q1、Q2、Q3、Q4，其中，电阻R1和电阻R2并联，一端接MOSFET器件U1的D极，另一端接双极型晶体管Q1、Q2、Q3、Q4的基极；电阻R4和电阻R6并联，一端接MOSFET器件U2的D1、D2极，另一端接双极型晶体管Q1、Q2、Q3、Q4的基极，双极型晶体管Q1、Q2的集电极接电源VB+，双极型晶体管Q3、Q4的集电极接电源VB-，输出电路输出正负15V的脉冲电压。

3.根据权利要求1或2所述的绝缘栅双极晶体管驱动保护电路，其特征在于，所述的驱动保护电路还包括上升下降时间可调电路，上升下降时间可调电路包括一个驱动芯片U3，驱动芯片U3的输入端INA接晶体管VT2的OC输出端，输出端OUTA与电容C13的一端和稳压管D2的阴极相连接，MOSFET器件U1的源极连接到电源VB+，MOSFET器件U1的漏极与电阻R1的一端相连接；当双极型晶体管Q1和双极型晶体管Q2导通时，工作电源电压VB+便通过双极型晶体管Q1和双极型晶体管Q2加在绝缘栅双极晶体管IGBT的栅极；当绝缘栅双极晶体管IGBT在工作中退出饱和状态时，双极型晶体管VT2便输出退饱和故障信号ERR，退饱和故障信号ERR与电阻R9相连，电阻R9的另一端连接到驱动芯片U3的INB引脚，驱动芯片U3的输出端OUTB与稳压管D2的阴极和电容C13的一端相连，稳压管D2的阳极与电容C13的另一端、电阻R7的一端和二极管D3的阴极相连接。