CN107306026B - Igbt的无源保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及IGBT的无源保护电路，属于应用电源领域。本发明用驱动电路的驱动信号作电源，包括参考电压电路、Vce采样电路、保护电路；参考电压电路包括电阻、稳压管、三极管的BE结，电气连接为：驱动信号正极‑电阻‑稳压管正极‑稳压管负极‑三极管的BE结‑驱动信号地；Vce采样电路包括二极管和稳压管，电气连接为：IGBT的C极‑二极管正极‑二极管负极‑稳压管的负极‑稳压管的正极‑参考电压电路中稳压管的正极；保护电路包括电阻和N型三极管，电阻是三极管的ESD保护回路。本发明不增加外部辅助电源，将占空比较大的PWM切割成占空比较小的方波信号，止IGBT长时间工作于大电流饱和状态，在不停机的前提下减小IGBT的工作电流，保证IGBT安全。

Description

IGBT的无源保护电路

技术领域

本发明涉及一种IGBT的无源保护电路，属于应用电源领域。

背景技术

IGBT是绝缘栅双极型晶体管ISOLATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR的缩写，是一种常用的功率元件，它是由双极型三极管BJT和绝缘栅型场效应管MOSFET复合而成的电压控制型半导体器件，具有输入阻抗高、导通电压降很小的特点，因此，常用作大电流工作的场合，如电机驱动、开关电流、变频器等。

这种复合器件有三个极：栅极G、发射极E、集电极C，只要提供一个合适的栅极-发射极电压，即Vge，发射极E与集电极C导通，电流经过两个极时产生一个电压降Vce，因生产材料和工艺的不同，每种IGBT的Vce都不相同，Vce不是一个固定的数，而是随着流经发射极E与集电极C的电流变化，电流越大，Vce越大，当超过IGBT承受的最大值时，IGBT发热严重，甚至损坏。

因此，大功率IGBT通常需要过流保护，大多数情况下，过流保护电路都附加于IGBT的驱动放大电路或模块中，用户通常不明白其工作原理，只能机械地使用，缺乏灵活性，更为严重的是，一旦IGBT损坏，通常驱动电路一并损坏，这就是说，保护电路自身不保，又如何保护IGBT。

发明内容

本发明提供一种利用IGBT驱动电路的信号作为能源，不增加外部辅助电源，将占空比较大的PWM切割成占空比较小的方波信号，以防止IGBT长时间工作于大电流饱和状态，在不停机的前提下减小IGBT的工作电流，保证持续工作状态下的IGBT安全的IGBT的无源保护电路。

IGBT的无源保护电路，用驱动电路的驱动信号作为电源，包括有参考电压电路、Vce采样电路、保护电路，参考电压电路包括一个电阻、一个稳压管、一个三极管的BE结，电气连接为：驱动信号正极---电阻---稳压管正极---稳压管负极---三极管的BE结-驱动信号地，Vce采样电路包括一个二极管和另一个稳压管，电气连接为：IGBT的C极---二极管正极---二极管负极---稳压管的负极---稳压管的正极---参考电压电路中的稳压管的正极，保护电路包括一个电阻和一个N型三极管，电阻是三极管的ESD保护回路。

保护电路的另一种形式是由包括一个电阻、一个N型三极管、一个光电耦合器，电阻是三极管的ESD保护回路，光电耦合器是一个隔离反馈元件。

本发明IGBT的无源保护电路，适用于任何IGBT驱动电路的外加保护，利用驱动电路的信号作为能源，不增加外部辅助电源，将占空比较大的PWM切割成占空比较小的方波信号，以防止IGBT长时间工作于大电流饱和状态，在不停机的前提下减小IGBT的工作电流，保证了持续工作状态下的IGBT的安全。

附图说明

图1是基本的IGBT的无源保护电路图，图中电阻R2、稳压管DW2、三极管Q的基极b和发射极e组成参考电压电路，二极管D1、稳压管DW1组成IGBT的Vce采样电路，三极管Q、电阻R4组成开关保护电路。

图2是用光电耦合器作为反馈的IGBT的无源保护电路图，图中，电阻R2、稳压管DW2、三极管Q的基极b和发射极e组成参考电压电路，二极管D1、稳压管DW1组成IGBT的Vce采样电路，三极管Q1、电阻R4、光电耦合器OP1组成开关反馈保护电路。

图3是基本的IGBT的无源保护电路与IGBT的连接原理图，图中P1表示输入PWM信号，R1表示栅极输入电阻，电阻R2、稳压管DW2、三极管Q1的基极b和发射极e组成参考电压电路，二极管D1、稳压管DW1组成IGBT的Vce采样电路，三极管Q1、电阻R4组成开关保护电路。

图4是用光电耦合器作为反馈的IGBT的无源保护电路与IGBT的连接原理图，图中P1表示输入PWM信号，R1表示栅极输入电阻，电阻R2、稳压管DW2、三极管Q1的基极b和发射极e组成参考电压电路，二极管D1、稳压管DW1组成IGBT的Vce采样电路，三极管Q1、电阻R4、光电耦合器OP1组成开关反馈保护电路。

图5是用光电耦合器作为反馈的IGBT的无源保护电路与IGBT及其驱动器AMP的连接原理图，图中P1表示输入PWM信号，OP2为信号输入隔离光电耦合器，AMP为驱动器，R1表示栅极输入电阻，电阻R2、稳压管DW2、三极管Q1的基极b和发射极e组成参考电压电路，二极管D1、稳压管DW1组成IGBT的Vce采样电路，三极管Q1、电阻R4、光电耦合器OP1组成开关反馈保护电路。

图6a、图6b是按图5原理连接的IGBT的无源保护电路产生的实际效果图，图6a为正常的PWM波形，图6b为保护状态下的PWM波形。

具体实施方式

以下结合实例对上述IGBT的无源保护电路作进一步说明：

本发明的IGBT的无源保护电路，实施时主要有三种连接方法，一是将保护电路接在IGBT的栅极与发射极之间，二是将开关反馈保护电路接在IGBT驱动电路的输入光电耦合器前，三是将开关反馈保护电路与系统CPU或相关保护控制电路相连，以下分别举例说明：

实施例一

附图1中，电阻R2、稳压管DW2、三极管Q1的基极b和发射极e组成参考电压电路，二极管D1、稳压管DW1组成IGBT的Vce采样电路，三极管Q1、电阻R4组成开关保护电路。

这个电路与IGBT的连接原理如附图3，P1是IGBT的驱动信号，通常在10-18V之间，它在保护电路中被当作电源使用，电流的流向有两路：一路是从电阻R2---DW1---D1---IGBT的CE结，另一路是从电阻R2---DW2---三极管Q1的be结，这两路不会同时导通，同一时间只有一路导通，当IGBT正常工作时，即IGBT的CE结上的压降Vce没有达到它本身固有的饱和电压时，它们的电压关系为：

Vdw1 + Vd1 + Vce ＜ Vdw2 + Vbe

电流将从电阻R2---DW1---D1---IGBT的CE结流过，另一路内没有电流，因此，三极管Q1处于截止状态，即保护电路不起作用；当流过IGBT的电流过大，在IGBT的CE结上的压降Vce达到或超过它本身固有的饱和电压时，它们的电压关系为：

Vdw1 + Vd1 + Vce ＝Vdw2 + Vbe

或

Vdw1 + Vd1 + Vce ＞Vdw2 + Vbe

电流不再经过IGBT的CE结，而是从电阻R2---DW2---三极管Q1的be结，使三极管Q1导通，将IGBT的栅极与发射极短路，IGBT被迫截止，流经IGBT的电流中断，这样便保护了IGBT。

这种保护电路是借用了驱动信号作为电源，通过采样电压与参考电压的对比，保护电路对驱动信号作一个自我关断，以防止IGBT长时间过流、发热和损坏。

实施例二

附图2是用光电耦合器作为反馈的IGBT的无源保护电路图，图中，电阻R2、稳压管DW2、三极管Q1的基极b和发射极e组成参考电压电路，二极管D1、稳压管DW1组成IGBT的Vce采样电路，三极管Q1、电阻R4、光电耦合器OP1组成开关反馈保护电路，其工作原理与附图1基本相同，不同的是保护输出增加了一个光电耦合器，它是用来隔离IGBT的高压的，当IGBT饱和时，Vce达到或超过它本身固有的饱和电压，Q1导通，光电耦合器中的发光管点亮，隔离的光敏管导通，即输出端M、N导通。

这个电路的应用如附图5所示，系统的PWM信号流经R5，通过光电耦合器OP2隔离后，实现了信号电源与IGBT工作电源的完全隔离。当IGBT饱和时，光电耦合器OP1导通，OP1的M、N两端导通，将PWM信号全部短路到地，驱动电路因为没有PWM信号，其输出为低电平，IGBT补强制判断，实现被动保护。

实施例三

附图4，保护电路通过光电耦合器OP1的输出端，将保护信号反馈到不同的低压控制电路，如信号源、信号输入电路或MCU管理电路等。

附图6a、图6b是IGBT栅极的PWM信号对比图，附图6a为正常的PWM波形，表明IGBT工作于未饱和状态，即正常状态，附图6b为保护状态下的PWM波形，即饱和状态下的PWM波形，这个波形被切割成了三个占空比很小的方波，IGBT的工作时间减少，这样流经IGBT的电流被钳制于饱和电流以下，保护了IGBT，同时又处于工作状态，即不停机状态。

Claims (2)

1.IGBT的无源保护电路，其特征在于，栅极输入电阻R1的一端连接驱动信号正极，栅极输入电阻R1的另一端连接IGBT的G极，IGBT的E极连接驱动信号地，IGBT的C极接电源V+以及二极管D1的负极，二极管D1的正极连接稳压二极管DW1的正极，稳压二极管DW1的负极连接电阻R2的一端以及稳压二极管DW2的负极，电阻R2的另一端连接驱动信号正极；稳压二极管DW2的正极连接电阻R4的一端以及NPN三极管Q1的b极，电阻R4的另一端连接驱动信号地，NPN三极管Q1的c极连接IGBT的G极，NPN三极管Q1的e极连接驱动信号地；其中，电阻R4是NPN三极管Q1的ESD保护回路。

2.IGBT的无源保护电路，其特征在于，栅极输入电阻R1的一端连接驱动信号正极，栅极输入电阻R1的另一端连接IGBT的G极，IGBT的E极连接驱动信号地，IGBT的C极接电源V+以及二极管D1的负极，二极管D1的正极连接稳压二极管DW1的正极，稳压二极管DW1的负极连接电阻R2的一端以及稳压二极管DW2的负极，电阻R2的另一端连接驱动信号正极；稳压二极管DW2的正极连接电阻R4的一端以及NPN三极管Q1的b极，电阻R4的另一端连接驱动信号地，NPN三极管Q1的e极连接驱动信号地；其中，电阻R4是NPN三极管Q1的ESD保护回路，NPN三极管Q1的c极连接光电耦合器OP1的一个输入端，光电耦合器OP1的另一个输入端连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接驱动信号正极。