CN103441656A

CN103441656A - 带欠饱和保护的igbt驱动电路

Info

Publication number: CN103441656A
Application number: CN2013102085705A
Authority: CN
Inventors: 林军; 陈利文; 王钢; 陆仲清
Original assignee: Foshan Prostar Science & Technology Development Co Ltd
Current assignee: Foshan Prostar Science & Technology Development Co Ltd
Priority date: 2013-05-22
Filing date: 2013-05-22
Publication date: 2013-12-11

Abstract

本发明的产品是带欠饱和保护的IGBT驱动电路，该发明涉及电源技术领域，特别涉及一种抑制IGBT过电流的驱动电路，其主要包括：隔离驱动电路、降栅压钳位电路、推挽放大电路、报警输出电路、以及过电压检测电路等，优点是：1、该带欠饱和保护的IGBT驱动电路中的降栅压钳位电路，具有降栅压的作用，这样不但可以减少IGBT的关断应力，还可延长IGBT短路承受时间，及延长保护电路动作时间，增强IGBT短路电流承受能力，实现成本低，灵活性高。2、该带欠饱和保护的IGBT过电流的驱动电路，参数可依据需要调整，适当改变外围的参数，即可实现在任何地方均可应用。

Description

带欠饱和保护的IGBT驱动电路

技术领域

本发明涉及一种带欠饱和保护的IGBT驱动电路，特别涉及一种抑制IGBT过电流的驱动电路。

背景技术

在现有技术中，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型功率管)作为不间断电源(UPS)或其他电器设备的功率部件，是关系到设备是否正常运行和可靠运行的关键功率器件，IGBT的器件性能直接关系到设备是否能正常运行及其使用寿命。而造成IGBT损坏的原因有多种，如过电流、过电压、过温度、栅极过电压、功率循环疲劳等多种因素，应用实践表明，过电流是IGBT屯力电子线路中经常发生的故障，也是损坏IGBT的主要原因之一，所以过流保护在IGBT应用中应优先考虑。目前，常见的过电流保护一般有如下两种：对于因负载过载等因素引起的过电流通常采用电流霍尔传感器侦测，由控制电路实行保护。而对于因负载短路或IGBT上下桥臂直通引起的过电流保护，如此的保护方法响应时间是不够的，在控制电路从检测到过流到发出信号，再到信号的传输执行，这个时间可能会超出IGBT短路所能承受的时间，很显然，这种短路保护采用上述方法已经存在弊端。所以，类似的保护业界通常采用检测IGBT饱和压降的方法进行保护，因IGBT的特性是当IGBT过流时，其饱和压降将随着电流的增大而增大，利用IGBT这一特性可以实现通过检测饱和压降Vce来实现IGBT的过电流保护。比如，目前市场上常见的M57962AL、HC316J等集成电路都是采用这种检测饱和压降Vce实现过电流保护，如图1、图2所示，但这些电路都是集成IC器件，需要配合外围电路方能实现作用，使用灵活性差，电路实现成本高，保护过程复杂等。

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种抑制IGBT过电流的驱动电路，其可以减少IGBT的关断应力，延长IGBT短路承受时间，延长保护电路动作时间，且实现成本低，灵活性高，电路简单，实用性强。

随着社会的发展，电源(UPS)或其他电器设备生产制造行业也面对着要整体技术创新的问题，然而，目前的电源(UPS)或其他电器设备存在的问题越来越严峻。本发明就是在这种环境下，为了更好地解决电气设备实用寿命更长，设备运行更加可靠正常更加方便等问题的情况下诞生的。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺点，本发明发明人积累多年从事本领域工作的经验，经过反复研究论证，最终提供一种抑制IGBT过电流的驱动电路，其最终目的可以减少IGBT的关断应力，延长IGBT短路承受时间，延长保护电路动作时间，且实现成本低，灵活性高，电路简单，实用性强。

本发明采用的技术方案是：一种抑制IGBT过电流的驱动电路，主要包括：前级控制电路、隔离驱动电路、降栅压钳位电路、推挽放大电路、报警输出电路、以及过电压检测电路，其中，前级控制电路的输入端与报警输出电路相连，输出端与隔离驱动电路连接，隔离驱动电路的输出端、降栅压钳位电路的第一输出端与推挽放大电路的输入端连接，推挽放大电路的输出端与IGBT驱动回路连接，过电压检测电路的输入端与IGBT驱动回路连接、输出端与降栅压钳位电路的输入端连接，降栅压钳位电路的第二输出端与报警输出电路的输入端连接。图4所示，对本发明的隔离驱动电路、降栅压钳位电路、推挽放大电路、报警输出电路、过电压检测电路的具体示例分别进行了说明。图4所示中，隔离驱动电路主要由TLP光电耦合器U2、电阻R4组成，降栅压钳位电路由运算放大器U1、二极管D1、电阻R6组成，推挽放大电路由三极管Q1、Q2、电阻R9、Rg组成，图4中所示的推挽放大电路是目前市场上通用的电路，报警输出电路由限流电阻R7和光电耦合器U3、发光二极管LED1组成，过电压检测电路由高压二极管D4、D5、电阻R1、R2、R3、R5、R7、R8、二极管D2、D3电容C4以及稳压二极管ZD1运算放大器U1等组成。

本发明的目的就是提供一种能够可以减少IGBT的关断应力，延长IGBT短路承受时间，延长保护电路动作时间，且实现成本低，灵活性高，电路简单，实用性强本实用。

本发明带欠饱和保护的IGBT驱动电路的主要优点是：

1、该带欠饱和保护的IGBT驱动电路中的降栅压钳位电路，具有降栅压的作用，这样不但可以减少IGBT的关断应力，还可延长IGBT短路承受时间，及延长保护电路动作时间，增强IGBT短路电流承受能力，实现成本低，灵活性高。

2、该带欠饱和保护的IGBT过电流的驱动电路，参数可依据需要调整，适当改变外围的参数，即可实现在任何地方均可应用。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是现有技术中的一种对IGBT过电流保护的电路示意图。

图2是现有技术中的另一种IGBT过电流保护的电路示意图。

图3是本发明的抑制IGBT过电流的驱动电路的结构示意图。

图4是本发明的驱动电路实施例的电路结构示意图。

附图1标记说明：1、隔离驱动电路2、推挽放大电路3、IBGT驱动回路4、过电压检测电路5、降栅压钳位电路6、报警输出电路7、前级控制电路

具体实施方式

如图3所示，一种抑制IGBT过电流的驱动电路，主要包括：前级控制电路7、隔离驱动电路1、降栅压钳位电路5、推挽放大电路2、报警输出电路6、以及过电压检测电路4，其中，前级控制电路7的输入端与报警输出电路6相连，输出端与隔离驱动电路1输入端连接，隔离驱动电路1的输出端、降栅压钳位电路5的第一输出端与推挽放大电路2的输入端连接，推挽放大电路2的输出端与IGBT驱动回路3连接，过电压检测电路4的输入端与IGBT驱动回路3连接、输出端与降栅压钳位电路5的输入端连接，降栅压钳位电路5的第二输出端与报警输出电路6的输入端连接。图4所示中，对本发明的隔离驱动电路1、降栅压钳位电路5、推挽放大电路2、报警输出电路6、过电压检测电路4的具体示例分别进行了说明。图4所示中，隔离驱动电路1主要由TLP光电耦合器U2、电阻R4组成，降栅压钳位电路5由运算放大器U1、二极管D1、电阻R6组成，推挽放大电路2由三极管Q1、Q2、电阻R9、Rg组成，图4中所示的推挽放大电路2是目前市场上通用的电路，报警输出电路6由限流电阻R7和光电耦合器U3、发光二极管LED1组成，过电压检测电路4由高压二极管D4、D5、电阻R1、R2、R3、R5、R7、R8、二极管D2、D3电容C4以及稳压二极管ZD1运算放大器U1等组成。

图4所示中，对本发明的隔离驱动电路1、降栅压钳位电路5、推挽放大电路2、报警输出电路6、过电压检测电路4的具体示例分别进行了说明。图4所示中，隔离驱动电路1主要由TLP光电耦合器U2、电阻R4组成，降栅压钳位电路5由运算放大器U1、二极管D1、电阻R6组成，推挽放大电路2由三极管Q1、Q2、电阻R9、Rg组成，图4中所示的推挽放大电路2是目前市场上通用的电路，报警输出电路6由限流电阻R7和光电耦合器U3、发光二极管LED1组成，过电压检测电路4由高压二极管D4、D5、电阻R1、R2、R3、R5、R7、R8、二极管D2、D3电容C4以及稳压二极管ZD1运算放大器U1等组成。

图4所示的具体实施方式中，正电源+VCC接入TLP光电耦合器U2的8脚、电容C2、C3、运算放大器U1的8脚、电阻R1、以及三极管Q1的集电极，TLP光电耦合器UI的7脚、6脚相接后与电阻R4、R3连接，并通过电阻R4与电阻R6、电容C5、三极管Q1的基极、三极管Q2的基极连接，电阻R3的另一端、二极管D3的正极与电阻R2连接、电阻R2的另一端与运算放大器U1的3脚(+输入端)以及电容C2连接，二极管D3的负极与D5的正极、稳压二极管ZD2的负极连接，高压二极管D5的负极与高压二极管D4的正极连接，高压二极管D4的负极与IGBT的集电极连接，正电源+VCC经电阻R1、稳压二极管DZ1的负极与电阻R8、R5、电容C1与运算放大器U1的2脚(-输入端)连接，运算放大器U1的7脚(输出端)通过二极管D1、电阻R6与三极管Q1的基极、三极管Q2的基极连接，另一端连接发光二极管LED1、电阻R7连接，电阻R7的另一端通过光电耦合器U3连接，通过光电耦合器U3输出故障输出信号。TLP光电耦合器UI的5脚、电容C2的另一端、电容C3的另一端、电阻R5的另一端、电容C1的另一端、二极管ZD1的正极、运算放大器U1的1，4脚以及三极管Q2的集电极接入负电源-VEE。三极管Q1的发射极与三极管Q2的发射极通过R9连接后，通过电阻R13接入IGBT驱动栅极回路。图4所示中，Rg、Rge、Cge等是IGBT驱动的外围器件，不在本发明方案之内，在此不予赘述。

其中，图4所示中，C2、C3为电源杂讯滤波电容，以消除噪音。

正常工作时，IGBT开通，正常开通时IGBT的饱和压降较低，正驱动电压通过D3、R3施加在过流检测二极管D3、D4、D5的正极而使得D3、D4、D5导通，+VCC通过R3、D3、D4、D5和IGBT的Vce(即图中的C点电压)构成分压回路在运算放大器U1的3脚分得的B点电压钳位在运算放大器U1的2脚的基准电压(即图中的A点电压)以下，运算放大器U1的2脚的基准电压来自+Vcc通过R1、稳压二极管ZD1稳压后，R5、R8分压得出，C1为杂讯滤波电容；调整R5、R8的阻值，从而改变分压点(A点)电压值；而这点电压需根据IGBT的饱和压降Vce的大少而定。运算放大器U1的7脚处于高电平(+VCC)，D1处于截止状态。PWM(Pulse Width Modulation.脉冲宽度调制)信号通过Q1和驱动电阻R9正常开通和关断IGBT。电容C4提供一个IGBT开通过程Vce下降过程中防止误动作的作用，调整C4可以调整电路的响应速度和灵敏度。C4不宜过大或过小，过大则会引起响应速度变慢，起不到保护效果，过小则会提高电路动作的灵敏度，易发生误保护的可能，所以C4需依据具体情况合理选择。

当IGBT开通过程中发生过流和短路故障时，IGBT的饱和压降Vce迅速上升，C点电位迅速上升，设置好IGBT过电流时的Vce值，保证在过电流发生时+VCC通过R3、D3、D4、D5和IGBT的Vce构成分压回路在运算放大器U1的3脚分得的B点电压超出运算放大器U1的2脚(A点)基准电压，运算放大器U1的7脚电压由原+Vcc开始下降，D1由截止状态转为导通状态，Q1、Q2的基极电压随之下降，因Q1采用的是共集电极接法(射极跟随器)，依据晶体管的特性，Q1的射极驱动电压信号也特跟随Q1的基极电位下降，从而实现降低IGBT驱动电压来抑制过电流的目的，微分电容C4充电是一个缓慢的过程，所以IGBT的栅极电压也是缓慢下降的，实现了过流的软关断，提高IGBT的短路电流承受能力和时间。改变R6和R4的比值，可改变栅极电压下降“幅度”，改变R2C4的值，可以改变栅极电压下降的“速度”。实际使用可依据需要进行适当调整。发光二极管LED、U3、R7为过流故障输出信号，当运算放大器U1的7脚电压下降至一定值时，发光二极管LED点亮，光耦U3导通，输出一个故障信号给主控电路进行封锁PWM信号或执行驱动保护。当在保护过程中，过流信号消失了，则B点电压降低，C4通过R2放电，运算放大器U1的7脚电压持续升高至+VCC，Vge逐渐恢复，直至D1恢复截止，IGBT的Vge恢复正常的+VCC驱动电压，电路恢复正常工作状态。

在一个具体的实现方式中，在正常工怍过程中，令+VCC＝15V，-VEE＝-10V。

当U2的2、3脚有PWM高电平信号时，U2导通，U2的6脚输出高电平15V，Q1正常导通。C点电位正常在2V左右，B点电位被钳位在7.8V以下，运算放大器U1的7脚电压为高电平(+Vcc)，D1截止。电路正常工作。TLP光电耦合器UI的5脚、电容C2的另一端、电容C3的另一端、电阻R5的另一端、电容C1的另一端、二极管ZD1的正极、运算放大器U1的1，4脚以及三极管Q2的集电极接入负电源-VEE。三极管Q1的发射极与三极管Q2的发射极通过R9连接后，通过电阻R13接入IGBT驱动栅极回路。图4所示中，Rg、Rge、Cge等是IGBT驱动的外围器件，不在本发明方案之内，在此不予赘述。

正常关断过程为：

当UI的2、3脚有PWM低电平信号时，U2截止，U2的6脚输出低电平-15V，Q1截止，IGBT关断。C4通过R2、R3迅速放电至-VEE左右，D3、D4、D5截止。电路正常关断。

保护关断过程为：

当UI的2、3脚有PWM高电平信号时，U2导通，U2的6脚输出高电平15V，Q1正常导通。期间出现短路等引起的过流时，C点电位迅速上升，D3、D4、D5截止，C4被充电，由2V充电至运算放大器U1的2脚电压7.8V时的时间是：

T＝(R3+R2)C4

t＝1.5us

运算放大器U1的7脚由+VCC下降至-VEE，Q1、Q2的基极电压由30V下降至R4和R6的分压的12.5V(这里设置栅极电压下降到-15V+12.5V+0.7V＝-1.8V的门槛点，设Q2的Ube均为0.7V)

IGBT栅极驱动电压由+15V降至-1.8V的时间为1.5us左右(假设D2、Q2、Q4的压降均

为0.7V)，同时U3输出故障信号封锁IGBT驱动。整个保护时间小于10us，IGBT在整个过流过程中不至于损坏，实现保护效果。

作为其中一种较佳韵实施方式，上述电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9的取值可分别为1K、620Ω、4.3K、470Ω、40K、330Ω、4.7K、4.7K、8.2欧姆(Ω)，上述CI、C2、C3、C4的取值可分别为104、104、104、222法拉(F)，稳压二极管ZD1的额定电压设定为24V，高压二极管D3、D4、D5可选用BYV26E型号的高压二极管。

上述本发明的抑制IGBT过电流的驱动电路，是利用IGBT过流时饱和压降Vce升高的特点，利用低成本的分立器件设计出的一种新的抑制IGBT过电流的电路。当过流或短路发生时，通过快速检测IGBT的饱和压降Vce，保护电路在极短时间里采取先降栅压的方法，实现软关断过程，不但可以减少IGBT的关断应力，还可延长IGBT短路承受时间，及延长保护电路动作时间，增强IGBT短路电流承受能力，防止误动作等。实现成本低，灵活性高，电路简单、实用等特点。

上述本发明的抑制IGBT过电流的驱动电路，电路简单、实用、可靠，成本低廉，参数可依据需要调整，适当改变外围的参数，如D3、D4、D5，即可实现在任何地方均可应用。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种抑制IGBT过电流的驱动电路，其主要特征为：本发明主要由前级控制电路(7)、隔离驱动电路(1)、降栅压钳位电路(5)、推挽放大电路(2)、报警输出电路(6)、以及过电压检测电路(4)组成，其中，前级控制电路(7)的输入端与报警输出电路(6)相连，输出端与隔离驱动电路(1)输入端连接，隔离驱动电路(1)的输出端、降栅压钳位电路(5)的第一输出端与推挽放大电路(2)的输入端连接，推挽放大电路(2)的输出端与IGBT驱动回路(3)连接，过电压检测电路(4)的输入端与IGBT驱动回路(3)连接、输出端与降栅压钳位电路(5)的输入端连接，降栅压钳位电路(5)的第二输出端与报警输出电路(6)的输入端连接，对本发明的隔离驱动电路(1)、降栅压钳位电路(5)、推挽放大电路(2)、报警输出电路(6)、过电压检测电路(4)的具体示例分别进行了说明。

2.依据权利要求1所述的带欠饱和保护的IGBT驱动电路，其主要特征为：隔离驱动电路(1)主要由TLP光电耦合器U2、电阻R4组成，降栅压钳位电路(5)由运算放大器U1、二极管D1、电阻R6组成，推挽放大电路(2)由三极管Q1、Q2、电阻R9、Rg组成，推挽放大电路(2)是目前市场上通用的电路，报警输出电路(6)由限流电阻R7和光电耦合器U3、发光二极管LED1组成，过电压检测电路(4)由高压二极管D4、D5、电阻R1、R2、R3、R5、R7、R8、二极管D2、D3电容C4以及稳压二极管ZD1运算放大器U1等组成。