CN110266296B - 一种igbt的驱动电路及igbt保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种IGBT的驱动电路及IGBT保护方法，属于电子电路技术领域，解决驱动电路对故障状态快速、准确响应的问题，保护IGBT；电路包括驱动芯片U1和保护电路；其中驱动芯片U1为ACPL‑352J，用于根据输入的高频脉冲调制信号驱动IGBT；保护电路用于检测IGBT的过电压、误导通和/或过电流故障信号，反馈到所述驱动芯片U1，所述驱动芯片U1输出控制信号对IGBT进行保护。本发明通过采用基本有源钳位电路防止IGBT过电压，采用米勒钳位电路防止IGBT误导通，采用过流检测电路和软关断电路可以防止IGBT过电流和短路，为IGBT提供多重保护功能，使在出现故障时IGBT不受损坏，提高了可靠性。

Description

一种IGBT的驱动电路及IGBT保护方法

技术领域

本发明涉及于电子电路技术领域，尤其是一种IGBT的驱动电路及IGBT保护方法。

背景技术

现有的IGBT驱动电路常采用以驱动芯片为核心和以相关分立器件为外围的电路拓扑结构，驱动芯片配合外围电路根据上一级的高频脉冲输入和当前电路状态对IGBT进行导通和关断控制。当IGBT出现过流、过压、短路、误导通等故障且驱动电路没有相应的硬件保护功能时，系统将无法实现对IGBT的有效保护从而导致烧毁电路和负载。为了保证IGBT运行的可靠性，在驱动过程中，保证驱动电路对故障状态快速而准确的响应很重要。然而，在当前的实际应用中，多种IGBT驱动模块电路都具有其局限性。成本低、体积小的IGBT驱动芯片均无法囊括以上所有保护功能，具备全面保护功能的IGBT驱动芯片通常具有实现复杂、体积大、成本高等缺点。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种IGBT的驱动电路及IGBT保护方法，解决驱动电路对故障状态快速、准确响应的问题，实现对IGBT的保护。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种IGBT驱动电路，包括驱动芯片U1和保护电路；

所述驱动芯片U1为ACPL-352J，用于根据输入的高频脉冲调制信号驱动IGBT；

所述保护电路，用于检测IGBT的过电压、误导通和/或过电流故障信号，反馈到所述驱动芯片U1，使所述驱动芯片U1输出控制信号对IGBT进行保护。

进一步地，所述保护电路包括基本有源钳位电路，用于通过检测IGBT的集电极电位是否超过设定钳位门限来判断是否发生过电压故障；当超过设定钳位门限时，所述基本有源钳位电路抬升IGBT门极电位，降低IGBT的集电极电位，保护IGBT。

进一步地，所述基本有源钳位电路包括齐纳二极管D6、D7、D8，电阻R7、R10和快恢复二极管D9；

所述齐纳二极管D6、D7、D8同向串接，齐纳二极管D8的阴极与IGBT的集电极连接，齐纳二极管D6的阳极连接所述电阻R7一端，电阻R7的另一端连接快恢复二极管D9的阳极；快恢复二极管D9的阴极与IGBT的门极连接，并通过电阻R10与驱动芯片U1的10脚连接。

进一步地，所述保护电路包括米勒钳位电路，连接在驱动芯片U1的第11引脚与IGBT的门极之间，用于防止因米勒效应引起的IGBT误导通。

进一步地，所述米勒钳位电路包括恢复二极管D10；所述恢复二极管D10的阳极连接IGBT的门极，所述恢复二极管D10的阴极连接驱动芯片U1的第11脚。

进一步地，所述保护电路包括过流检测电路，连接在驱动芯片U1的第14脚与IGBT的集电极；用于监测IGBT集电极电压，当集电极电压超过过流检测门限时，反馈信号到驱动芯片第14引脚，触发驱动电路的软关断功能，保护IGBT。

进一步地，所述过流检测电路包括齐纳二极管D1、D4、快恢复二极管D2、D3、D5、电阻R6和电容C6；

所述电容C6一端和快恢复二极管D5阴极均连接驱动芯片U1的第14引脚，电容C6另一端连接快恢复二极管D5阳极，齐纳二极管D4与快恢复二极管D5正向并联，齐纳二极管D4阴极连接电阻R6一端，电阻R6另一端连接齐纳二极管D1阴极，所述齐纳二极管D1阳极连接快恢复二极管D2阳极，快恢复二极管D2阴极连接快恢复二极管D3阳极，快恢复二极管D3阴极连接IGBT集电极。

进一步地，所述驱动电路的软关断功能通过连接在驱动芯片U1的第13脚与IGBT的门极之间的电阻R8实现，当驱动芯片软关断时，驱动芯片U1的第13脚为低电平，通过电阻R8将IGBT的门极电平拉低，关断IGBT。

进一步地，，所述钳位门限为所述齐纳二极管D6、D7、D8的反向击穿电压之和；

所述齐纳二极管D6为SMAJ220A，D7、D8为SMAJ250A；

所述过流检测门限为所述齐纳二极管D1的正向导通电压与快恢复二极管D2、D3反向击穿电压之和；

所述齐纳二极管D1为1SMA5915BT3G、所述快恢复二极管D2、D3为ES1J。

一种利用上述IGBT驱动电路的IGBT保护方法，其特征在于，包括过电压保护方法、误导通保护方法和过电流保护方法；

所述过电压保护方法包括：

驱动芯片U1的第7脚接收的高频脉冲调制信号变为低电平，驱动芯片U1第10脚输出变为低电平，第11管脚开路，此时IGBT门极电位开始下降，IGBT开始关断；

当关断速度过快时，IGBT集电极电压抬升，超过钳位门限，击穿齐纳二极管D6、D7、D8；

击穿电流通过齐纳二极管D8、D7、D6、电阻R7、快恢复二极管D9流入IGBT门极，并通过电阻R10形成闭合回路，抬升IGBT门极电位，抑制IGBT的关断速度，对IGBT的集电极电压形成钳位，防止出现过电压从而损毁IGBT；

误导通保护方法包括：

IGBT截止时，IGBT门极电压下降到-6V，驱动芯片U1第11脚为低电平；所述负电平为驱动芯片的负电源电压-8V；

当IGBT集电极因电压剧烈变化出现米勒效应时，米勒电流将通过连接在IGBT门极和驱动芯片U1第11脚的快恢复二极管D10流入负电源，使IGBT门极电压稳定，防止对IGBT的误导通；

所述过电流保护方法包括：

驱动芯片U1的7脚接收的高频脉冲调制信号变为高电平，驱动芯片U1第10脚输出变为开路，第11脚变为高电平，IGBT开始导通；

当IGBT集电极电压超过过流检测门限时，驱动芯片U1第10脚、第11脚开路，第13脚为低电平；

第13脚为低电平，通过电阻R8将IGBT的门极电平拉低，软关断IGBT。

本发明有益效果如下：

本发明通过采用基本有源钳位电路防止IGBT过电压，采用米勒钳位电路防止IGBT误导通，采用过流检测电路和软关断电路可以防止IGBT过电流和短路，为IGBT提供多重保护功能，使在出现故障时IGBT不受损坏，提高了可靠性。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例中的IGBT驱动电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本实施例公开了一种IGBT驱动电路，如图1所示，包括驱动芯片U1和保护电路；

所述驱动芯片U1为ACPL-352J，用于根据输入的高频脉冲调制信号驱动IGBT；

所述保护电路，用于检测IGBT的过电压、误导通和/或过电流故障信号，反馈到所述驱动芯片U1，所述驱动芯片U1输出控制信号对IGBT进行保护。

具体的，保护电路包括基本有源钳位电路、过流检测电路、米勒钳位电路、软关断电路；

其中，所述基本有源钳位电路，用于通过检测IGBT的集电极电位是否超过设定钳位门限来判断是否发生过电压故障；当超过设定钳位门限时，所述基本有源钳位电路抬升IGBT门极电位，降低IGBT的集电极电位，保护IGBT。

具体的，所述基本有源钳位电路包括齐纳二极管D6、D7、D8，电阻R7、R10和快恢复二极管D9；

所述齐纳二极管D6、D7、D8同向串接，齐纳二极管D8的阴极与IGBT的集电极连接，齐纳二极管D6的阳极连接所述电阻R7一端，电阻R7的另一端连接快恢复二极管D9的阳极；快恢复二极管D9的阴极与IGBT的门极连接，并通过电阻R10与驱动芯片U1的10脚连接。

所述钳位门限为所述齐纳二极管D6、D7、D8的反向击穿电压之和；所述齐纳二极管D6为SMAJ220A，D7、D8为SMAJ250A。通过齐纳二极管D6、D7、D8构成的硬件钳位门限，钳位电压大，稳定可靠，便于在强电压条件下实施。

米勒钳位电路，连接在驱动芯片U1的第11引脚与IGBT的门极之间，用于防止IGBT关断过程中，因IGBT集电极电压剧烈变化出现米勒效应，引起的IGBT误导通。

具体的，米勒钳位电路包括快恢复二极管D10；所述快恢复二极管D10阴极连接驱动芯片U1的第11引脚，阳极连接IGBT的门极。

过流检测电路，连接在驱动芯片U1的第14脚与IGBT的集电极；用于监测IGBT集电极电压，当集电极电压超过过流检测门限时，反馈信号到驱动芯片第14引脚，触发驱动电路的软关断功能，保护IGBT。

具体的，所述过流检测电路包括齐纳二极管D1、D4、快恢复二极管D2、D3、D5、电阻R6和电容C6；

所述电容C6一端和快恢复二极管D5阴极均连接驱动芯片U1的第14引脚，电容C6另一端连接快恢复二极管D5阳极，齐纳二极管D4与快恢复二极管D5正向并联，齐纳二极管D4阴极连接电阻R6一端，电阻R6另一端连接齐纳二极管D1阴极，所述齐纳二极管D1阳极连接快恢复二极管D2阳极，快恢复二极管D2阴极连接快恢复二极管D3阳极，快恢复二极管D3阴极连接IGBT集电极。

具体的，所述过流检测门限为所述齐纳二极管D1的正向导通电压与快恢复二极管D2、D3反向击穿电压之和；所述齐纳二极管D1为1SMA5915BT3G、所述快恢复二极管D2、D3为ES1J。

优选的，所述驱动电路的软关断功能通过连接在驱动芯片U1的第13脚与IGBT的门极之间的电阻R8实现，当驱动芯片软关断时，驱动芯片U1的第13脚为低电平，通过电阻R8将IGBT的门极电平拉低，关断IGBT。

具体的，所述驱动电路还包括：

IGBT的导通电阻R9，其一端连接驱动芯片U1的第11引脚，另一端连接IGBT的门极；为IGBT的导通电阻，其与IGBT输入电容构成RC电路，该电路时间常数的3倍约等于IGBT开通所需的时间。

限流电阻R2，其一端连接驱动芯片U1的第7引脚，另一端连接上一级电路发送来的高频脉冲调制信号；

限流电阻R3，其一端连接驱动芯片U1的第8引脚，另一端连接数字信号地；

下拉电阻R1，其一端连接上一级发送来的高频脉冲调制信号，另一端连接数字信号地；

去耦电容C1，其一端连接5V电源，另一端连接5V电源地；

去耦电容C2，其一端连接15V电源，另一端连接-8V电源；

去耦电容C3，其一端连接15V电源，另一端连接15V电源地；

去耦电容C4，其一端连接-8V电源，另一端连接-8V电源地。

双向TVS管D1，其一端连接15V电源地，另一端连接IGBT的门极；在IGBT导通和关断期间，其可以吸收超过IGBT源极15V以上的尖峰电压；

快恢复二极管D12，其一端连接15V电源地，另一端连接IGBT的门极；IGBT导通期间，用于吸收超过15V电源的尖峰电压。

R11，其一端连接15V电源地，另一端连接IGBT的门极；用于下拉，当驱动芯片发生故障时，R11下拉可向IGBT门极提供低电平，防止IGBT误导通。

电容C7，其一端连接15V电源地，另一端连接IGBT的门极；用于旁路IGBT门极的高频脉冲。

C5，其一端连接驱动芯片U1的第3引脚，另一端连接数字信号地；用于旁路驱动芯片U1的第2、3、4管脚上的高频信号。

具体的，图1中与驱动电路连接的信号还包括：信号CPWM为上一级电路发送来的高频脉冲调制信号，信号D5V和DGND为数字5V电源和对应的地线，信号C+15V、P-、C-8V分别为功率15V电源、功率15V地、功率-8V电源，数字电源与功率电源隔离，以上信号均为驱动电路的输入。Q1为IGBT，P+、P-为IGBT功率信号的输入和输出端。

图1中，元器件的选型如下：

U1所采用的芯片型号是ACPL-352J，D1是1SMA5915BT3G，D4是SMAJ10A，D6是SMAJ220A，D7是SMAJ250A，D8是SMAJ250A，D2、D3、D9、D10、D12是ES1J，D5是MBR0540，R1阻值为4700Ω，R2为324Ω，R3为107Ω，R4、R5为0Ω，R6为1000Ω，R7为10Ω，R8为133Ω，R9为5Ω，R10为10Ω，R11为4700Ω。

本实施例还公开了，利用上述IGBT驱动电路的IGBT保护方法，包括过电压保护方法、误导通保护方法和过电流保护方法；

其中的，过电压保护方法包括：

驱动芯片U1的第7脚接收的高频脉冲调制信号变为低电平，驱动芯片U1第10脚输出变为低电平，第11管脚开路，此时IGBT门极电位开始下降，IGBT开始关断；

当关断速度过快时，IGBT集电极电压抬升，超过钳位门限，击穿齐纳二极管D6、D7、D8；

击穿电流通过齐纳二极管D8、D7、D6、电阻R7、快恢复二极管D9流入IGBT门极，并通过电阻R10形成闭合回路，抬升IGBT门极电位，抑制IGBT的关断速度，对IGBT的集电极电压形成钳位，防止出现过电压从而损毁IGBT；

其中的，误导通保护方法包括：

IGBT截止时，IGBT门极电压下降到-6V，驱动芯片U1第11脚为低电平；所述负电平为驱动芯片的负电源电压-8V；

当IGBT集电极因电压剧烈变化出现米勒效应时，米勒电流将通过连接在IGBT门极和驱动芯片U1第11脚的快恢复二极管D10流入负电源，使IGBT门极电压稳定，防止对IGBT的误导通；

其中的，过电流保护方法包括：

驱动芯片U1的7脚接收的高频脉冲调制信号变为高电平，驱动芯片U1第10脚输出变为开路，第11脚变为高电平，IGBT开始导通；

当IGBT集电极电压超过过流检测门限时，驱动芯片U1第10脚、第11脚开路，第13脚为低电平；

第13脚为低电平，通过电阻R8将IGBT的门极电平拉低，软关断IGBT。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种IGBT驱动电路，其特征在于，包括驱动芯片U1和保护电路；

所述驱动芯片U1为ACPL-352J，用于根据输入的高频脉冲调制信号驱动IGBT；

所述保护电路，用于检测IGBT的过电压、误导通和/或过电流故障信号，反馈到所述驱动芯片U1，使所述驱动芯片U1输出控制信号对IGBT进行保护；

所述保护电路包括基本有源钳位电路，用于通过检测IGBT的集电极电位是否超过设定钳位门限来判断是否发生过电压故障；当超过设定钳位门限时，所述基本有源钳位电路抬升IGBT门极电位，降低IGBT的集电极电位，保护IGBT；

所述基本有源钳位电路包括齐纳二极管D6、D7、D8，电阻R7、R10和快恢复二极管D9；

所述齐纳二极管D6、D7、D8同向串接，齐纳二极管D8的阴极与IGBT的集电极连接，齐纳二极管D6的阳极连接所述电阻R7一端，电阻R7的另一端连接快恢复二极管D9的阳极；快恢复二极管D9的阴极与IGBT的门极连接，并通过电阻R10与驱动芯片U1的10脚连接；

所述钳位门限为所述齐纳二极管D6、D7、D8的反向击穿电压之和；所述齐纳二极管D6为SMAJ220A，D7、D8为SMAJ250A；

所述保护电路包括米勒钳位电路，连接在驱动芯片U1的第11引脚与IGBT的门极之间，用于防止因米勒效应引起的IGBT误导通；

米勒钳位电路包括恢复二极管D10；所述恢复二极管D10的阳极连接IGBT的门极，所述恢复二极管D10的阴极连接驱动芯片U1的第11脚，与连接在IGBT的门极与驱动芯片U1的第11引脚之间的导通电阻R9并联。

2.根据权利要求1所述的IGBT驱动电路，其特征在于，所述保护电路包括过流检测电路，连接在驱动芯片U1的第14脚与IGBT的集电极；用于监测IGBT集电极电压，当集电极电压超过过流检测门限时，反馈信号到驱动芯片第14引脚，触发驱动电路的软关断功能，保护IGBT。

3.根据权利要求2所述的IGBT驱动电路，其特征在于，所述过流检测电路包括齐纳二极管D1、D4、快恢复二极管D2、D3、D5、电阻R6和电容C6；

所述电容C6一端和快恢复二极管D5阴极均连接驱动芯片U1的第14引脚，电容C6另一端连接快恢复二极管D5阳极，齐纳二极管D4与快恢复二极管D5正向并联，齐纳二极管D4阴极连接电阻R6一端，电阻R6另一端连接齐纳二极管D1阴极，所述齐纳二极管D1阳极连接快恢复二极管D2阳极，快恢复二极管D2阴极连接快恢复二极管D3阳极，快恢复二极管D3阴极连接IGBT集电极。

4.根据权利要求2所述的IGBT驱动电路，其特征在于，所述驱动电路的软关断功能通过连接在驱动芯片U1的第13脚与IGBT的门极之间的电阻R8实现，当驱动芯片软关断时，驱动芯片U1的第13脚为低电平，通过电阻R8将IGBT的门极电平拉低，关断IGBT。

5.根据权利要求4所述的IGBT驱动电路，其特征在于，

所述过流检测门限为所述齐纳二极管D1的正向导通电压与快恢复二极管D2、D3反向击穿电压之和；

所述齐纳二极管D1为1SMA5915BT3G、所述快恢复二极管D2、D3为ES1J。

6.一种利用如权利要求1-5任一项所述的IGBT驱动电路的IGBT保护方法，其特征在于，包括过电压保护方法、误导通保护方法和过电流保护方法；

所述过电压保护方法包括：

驱动芯片U1的第7脚接收的高频脉冲调制信号变为低电平，驱动芯片U1第10脚输出变为低电平，第11管脚开路，此时IGBT门极电位开始下降，IGBT开始关断；

当关断速度过快时，IGBT集电极电压抬升，超过钳位门限，击穿齐纳二极管D6、D7、D8；

击穿电流通过齐纳二极管D8、D7、D6、电阻R7、快恢复二极管D9流入IGBT门极，并通过电阻R10形成闭合回路，抬升IGBT门极电位，抑制IGBT的关断速度，对IGBT的集电极电压形成钳位，防止出现过电压从而损毁IGBT；

误导通保护方法包括：

IGBT截止时，IGBT门极电压下降到-6V，驱动芯片U1第11脚为低电平；负电平为驱动芯片的负电源电压-8V；

当IGBT集电极因电压剧烈变化出现米勒效应时，米勒电流将通过连接在IGBT门极和驱动芯片U1第11脚的快恢复二极管D10流入负电源，使IGBT门极电压稳定，防止对IGBT的误导通；

所述过电流保护方法包括：

驱动芯片U1的7脚接收的高频脉冲调制信号变为高电平，驱动芯片U1第10脚输出变为开路，第11脚变为高电平，IGBT开始导通；

当IGBT集电极电压超过过流检测门限时，驱动芯片U1第10脚、第11脚开路，第13脚为低电平；

第13脚为低电平，通过电阻R8将IGBT的门极电平拉低，软关断IGBT。