CN112564053B - 一种多故障监测单元的igbt驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多故障监测单元的IGBT驱动电路，其包括IGBT管Q24，所述IGBT管Q24的门极连接驱动电路，发射极通过分压电阻R1接地，同时发射极连接比较器COMP4的同相输入端，比较器COMP4的反相输入端输入参考电压，比较器COMP4的输出端输出信号至控制电路，所述驱动电路包括高压保护及高边驱动限流电路、高边驱动过流保护和开路保护电路、低边驱动限流电路和欠压保护电路。本发明具有高压保护、欠压保护、过流保护、开路保护、高低边的限流和外部IGBT的过流保护等功能，可以大大提高整个电路的安全性和稳定性。

Description

一种多故障监测单元的IGBT驱动电路
技术领域
本发明涉及一种多故障监测单元的IGBT驱动电路，属于电子电路技术领域。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是一款通用的功率半导体器件，具有输入阻抗高，电流承载能力强的特点。但因为内部具有PNPN结构，有概率会锁死，为了保护IGBT和驱动电路，亟需提出一种具有多安全监测模块的IGBT驱动电路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多故障监测单元的IGBT驱动电路，该电路具有高压保护、欠压保护、过流保护、开路保护、高低边的限流和外部IGBT的过流保护等功能。
本发明采取的技术方案是：一种多故障监测单元的IGBT驱动电路，其包括IGBT管Q24，所述IGBT管Q24的门极连接驱动电路，发射极通过分压电阻R1接地，同时发射极连接比较器COMP4的同相输入端，比较器COMP4的反相输入端输入参考电压，比较器COMP4的输出端输出信号至控制电路，所述驱动电路包括高压保护及高边驱动限流电路、高边驱动过流保护和开路保护电路、低边驱动限流电路和欠压保护电路。
进一步的，所述高压保护及高边驱动限流电路包括比较器COMP1，比较器COMP2，MOS管Q4，MOS管Q5，MOS管Q6，MOS管Q7，MOS管Q8，MOS管Q9，MOS管Q10和MOS管Q12；所述比较器COMP1的同相输入端连接IGBT管Q24的门极，反相输入端连接电源，输出端连接MOS管Q4的栅极，所述比较器COMP2的同相输入端连接IGBT管Q24的门极，反相输入端连接电源，输出端连接MOS管Q10的栅极，所述MOS管Q4的源极分别连接MOS管Q7，MOS管Q10和MOS管Q12的源极，MOS管Q4的漏级MOS管Q5的漏级以及MOS管Q5和MOS管Q6的栅极，所述MOS管Q5和MOS管Q6的源极接地，MOS管Q6的漏级连接电流源I4，所述MOS管Q7的栅极连接MOS管Q8的栅极，MOS管Q7的漏级连接电流源I2，所述MOS管Q8和MOS管Q9的源极连接电流源I3，MOS管Q8的漏级连接电流源I1，所述MOS管Q9和MOS管Q10的栅极相互连接，MOS管Q9和MOS管Q10的漏级连接电源，所述MOS管Q12的栅极连接电流源I1，MOS管Q12的漏级连接IGBT管Q24的门极。
进一步的，所述高边驱动过流保护和开路保护电路包括运算放大器OPAMP1，MOS管Q1，MOS管Q2，MOS管Q3，MOS管Q11，MOS管Q13，电流源I5和电流源I6；所述运算放大器OPAMP1的同相输入端连接IGBT管Q24的门极，反相输入端连接MOS管Q11的漏级和MOS管Q13的源极，输出端连接MOS管Q13的栅极，所述MOS管Q11的栅极和源极分别与MOS管Q12的栅极和源极相连，所述MOS管Q13的漏极连接MOS管Q1的漏极和栅极，所述MOS管Q1的源极接地，栅极连接MOS管Q2的栅极，所述MOS管Q2的源极接地，漏极依次通过电流源I6和电流源I5连接至MOS管Q3的漏极，所述MOS管Q3源极接地，栅极连接MOS管Q1和MOS管Q2地栅极。
进一步的，所述低边驱动限流电路包括MOS管Q13，MOS管Q14，MOS管Q15，MOS管Q16，MOS管Q17，MOS管Q18，MOS管Q19，MOS管Q20，MOS管Q21，MOS管Q22，MOS管Q27，电流源I7和电流源I8；所述MOS管Q13和MOS管Q14的栅极和漏极分别相连，并且两者的漏极同时与MOS管Q15和MOS管Q16的栅极相连，所述MOS管Q13和MOS管Q16的源极接地，MOS管Q14的源极接电源，MOS管Q15的源极连接电流源I8，所述MOS管Q15和MOS管Q16的漏极相连后连接至MOS管Q27的栅极，所述MOS管Q27的源极接地，漏极连接与MOS管Q22的漏极共同连接至IGBT管Q24的门极，所述MOS管Q22的源极连接MOS管Q17的栅极，栅极连接电源，所述MOS管Q17的源极接地，漏极连接电流源I7，同时电流源I7与MOS管Q17的漏极还分别通过反相器D1连接MOS管Q18的栅极，以及依次通过反相器D1和反相器D2连接MOS管Q19和MOS管Q21的栅极，所述MOS管Q18的源极接地，漏极连接MOS管Q27的栅极，所述MOS管Q19的源极接电源，漏极连接MOS管Q21的漏极以及MOS管Q20的栅极，所述MOS管Q20和MOS管Q21的源极接地，MOS管Q20的漏极连接MOS管Q27的栅极。
进一步的，其特征在于，所述欠压保护电路包括比较器COMP3，所述比较器COMP3的同相输入端输入参考电压，反相输入端连接IGBT管Q24的门极，输出端输出信号至控制电路。
本发明的有益效果是：本电路具有高压保护、欠压保护、过流保护、开路保护、高低边的限流和外部IGBT的过流保护等功能，可以大大提高整个电路的安全性和稳定性。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是高压保护及高边驱动限流电路图；
图2是高边驱动过流保护和开路保护电路图；
图3是低边驱动限流电路图；
图4是IGBT过流保护电路图；
图5是欠压保护电路图；
图6是IGBT驱动保护电路整体电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本实施例公开了一种多故障监测单元的IGBT驱动电路，其包括IGBT管Q24，所述IGBT管Q24的门极连接驱动电路，发射极连接IGBT过流保护电路，所述驱动电路包括高压保护及高边驱动限流电路、高边驱动过流保护和开路保护电路、低边驱动限流电路和欠压保护电路。其中各电路的连接关系如下：
如图1所示，所述高压保护及高边驱动限流电路包括比较器COMP1，比较器COMP2，MOS管Q4，MOS管Q5，MOS管Q6，MOS管Q7，MOS管Q8，MOS管Q9，MOS管Q10和MOS管Q12；所述比较器COMP1的同相输入端连接IGBT管Q24的门极，反相输入端连接电源，输出端连接MOS管Q4的栅极，所述比较器COMP2的同相输入端连接IGBT管Q24的门极，反相输入端连接电源，输出端连接MOS管Q10的栅极，所述MOS管Q4的源极分别连接MOS管Q7，MOS管Q10和MOS管Q12的源极，MOS管Q4的漏级MOS管Q5的漏级以及MOS管Q5和MOS管Q6的栅极，所述MOS管Q5和MOS管Q6的源极接地，MOS管Q6的漏级连接电流源I4，所述MOS管Q7的栅极连接MOS管Q8的栅极，MOS管Q7的漏级连接电流源I2，所述MOS管Q8和MOS管Q9的源极连接电流源I3，MOS管Q8的漏级连接电流源I1，所述MOS管Q9和MOS管Q10的栅极相互连接，MOS管Q9和MOS管Q10的漏级连接电源，所述MOS管Q12的栅极连接电流源I1，MOS管Q12的漏级连接IGBT管Q24的门极。
如图2所示，所述高边驱动过流保护和开路保护电路包括运算放大器OPAMP1，MOS管Q1，MOS管Q2，MOS管Q3，MOS管Q11，MOS管Q13，电流源I5和电流源I6；所述运算放大器OPAMP1的同相输入端连接IGBT管Q24的门极，反相输入端连接MOS管Q11的漏级和MOS管Q13的源极，输出端连接MOS管Q13的栅极，所述MOS管Q11的栅极和源极分别与MOS管Q12的栅极和源极相连，所述MOS管Q13的漏极连接MOS管Q1的漏极和栅极，所述MOS管Q1的源极接地，栅极连接MOS管Q2的栅极，所述MOS管Q2的源极接地，漏极依次通过电流源I6和电流源I5连接至MOS管Q3的漏极，所述MOS管Q3源极接地，栅极连接MOS管Q1和MOS管Q2地栅极。
如图3所示，所述低边驱动限流电路包括MOS管Q13，MOS管Q14，MOS管Q15，MOS管Q16，MOS管Q17，MOS管Q18，MOS管Q19，MOS管Q20，MOS管Q21，MOS管Q22，MOS管Q27，电流源I7和电流源I8；所述MOS管Q13和MOS管Q14的栅极和漏极分别相连，并且两者的漏极同时与MOS管Q15和MOS管Q16的栅极相连，所述MOS管Q13和MOS管Q16的源极接地，MOS管Q14的源极接电源，MOS管Q15的源极连接电流源I8，所述MOS管Q15和MOS管Q16的漏极相连后连接至MOS管Q27的栅极，所述MOS管Q27的源极接地，漏极连接与MOS管Q22的漏极共同连接至IGBT管Q24的门极，所述MOS管Q22的源极连接MOS管Q17的栅极，栅极连接电源，所述MOS管Q17的源极接地，漏极连接电流源I7，同时电流源I7与MOS管Q17的漏极还分别通过反相器D1连接MOS管Q18的栅极，以及依次通过反相器D1和反相器D2连接MOS管Q19和MOS管Q21的栅极，所述MOS管Q18的源极接地，漏极连接MOS管Q27的栅极，所述MOS管Q19的源极接电源，漏极连接MOS管Q21的漏极以及MOS管Q20的栅极，所述MOS管Q20和MOS管Q21的源极接地，MOS管Q20的漏极连接MOS管Q27的栅极。
如图4所示，IGBT管Q24的发射极连接IGBT过流保护电路，具体为，发射极通过分压电阻R1接地，同时发射极连接比较器COMP4的同相输入端，比较器COMP4的反相输入端输入参考电压，比较器COMP4的输出端输出信号至控制电路，
如图5所示，所述欠压保护电路包括比较器COMP3，所述比较器COMP3的同相输入端输入参考电压，反相输入端连接IGBT管Q24的门极，输出端输出信号至控制电路。
本电路中各电路模块的工作介绍如下：
高压保护模块:针对高边输出的高压保护提出两种保护方案，第一种是当输出端的电压高于额定值时，发出过压错误并关闭电路；第二种是当输出端的电压高于额定值时关闭输出到电源的通路，避免当输出端的电压比电源电压高时有大电流倒灌到电源的风险，防止倒灌电流将电源打坏。这两种方案都可以用输出端的电压与驱动电路的供电电压通过比较器做比较，用比较器的输出信号做控制信号。第一种方案用控制信号去控制功率晶体管，当输出端电压高于额定值时COMP1输出高电平将Q4关闭，A点被I4拉高到VCC，输出OV信号。用OV信号控制HS_cmd将Q12关闭；第二种方案需要在电源与功率晶体管之间增加一个反向的晶体管Q10，在正常工作时Q10处于饱和区保持正常工作，当输出端电压高于额定值时COMP2输出高电平将Q10关闭，防止电路倒灌。
高边驱动限流电路模块：利用电流镜原理用Q9按比例复制Q10的电流。限制I1的电流大小，当高边输出的电流变大时，流过Q9的电流会逐渐变大直到达到I1+I3的最大值，当输出端的电流继续变大复制的电流会将B点的电压冲高，并将Q12关闭，起到输出端的限流作用。I3是一路参考电流，通过增大或减小I3可改变高边输出的电流阈值。
高边驱动过流保护和开路保护电路模块：过流保护和开路保护模块本质上是监测高边输出的电流，可以利用电流镜的原理按比例复制输出端的电流，然后利用这个电流和给定的电流源I5和I6对C/D点电压的强弱差异产生一个翻转的电压值。同时为了防止电流镜因为漏源两端的电压相差较大导致电流镜失配，损失精度，可以采用运算放大器使电流镜两端的源漏压差保持一致，提高精度。当高边输出的电流因过小时I6对D点电压的能力较强，会将D点拉高至VCC并发出UC的错误；当高边输出的电流因过大时I5对C点电压的能力较弱，Q3的电流能力较强会将C点拉低至GND，C点电压经过一个反向器后输出高电平，输出Driver_OC的错误；如果比较的电流范围较小时，则需要增加额外的滤波电路防止因为环境等其他因素造成电路电流信号产生毛刺而误报。
低边驱动限流电路模块：当高边驱动关闭，低边驱动打开时，为了防止IGBT的门极突然与电源短路，导致大电流流向地造成驱动电路的损坏，需要在低边驱动电路也增加一个限流模块。用一个DMOS(Q22)将电源隔离，用一个N型晶体管(Q17)做开关，当输出端的电压大于Q17的导通压降时限流电路开始起作用。此时I8经过Q15流向Q20到地，利I8控制Q27的栅极电压，限流的大小与这一路控制栅极的电流源有关，电流越大栅极的电压越高，限定的电流值就越大。
外部IGBT的过流保护电路模块：在IGBT工作时，可以在发射极接一个电阻，增加一个反馈的电压点。反馈的电压与内部电路产生的参照电压进行比较。当流过IGBT的电流过大时，反馈的电压变大，比较器输出高电平表示外部流经IGBT的电流过大，可以IGBT_OC信号控制驱动电路开关，避免IGBT工作时电流过大而损坏。
欠压保护电路模块：当IGBT在工作时输出端具有一定的输出电压范围，如果此时IGBT门级与地构成通路，驱动电路到地就会一直有个电路通路且IGBT无法正常工作，可以用欠压保护电路避免错误发生。用输出端的电压与内部电路产生的参考电压通过比较器(COMP3)进行比较，当输出端口的电压过低时比较器输出低压信号(LOW_Voltage)。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种多故障监测单元的IGBT驱动电路，其特征在于，包括IGBT管Q24，所述IGBT管Q24的门极连接驱动电路，发射极通过分压电阻R1接地，同时发射极连接比较器COMP4的同相输入端，比较器COMP4的反相输入端输入参考电压，比较器COMP4的输出端输出信号至控制电路，所述驱动电路包括高压保护及高边驱动限流电路、高边驱动过流保护和开路保护电路、低边驱动限流电路和欠压保护电路；
所述高压保护及高边驱动限流电路包括比较器COMP1，比较器COMP2，MOS管Q4，MOS管Q5，MOS管Q6，MOS管Q7，MOS管Q8，MOS管Q9，MOS管Q10和MOS管Q12；所述比较器COMP1的同相输入端连接IGBT管Q24的门极，反相输入端连接电源，输出端连接MOS管Q4的栅极，所述比较器COMP2的同相输入端连接IGBT管Q24的门极，反相输入端连接电源，输出端连接MOS管Q10的栅极，所述MOS管Q4的源极分别连接MOS管Q7，MOS管Q10和MOS管Q12的源极，MOS管Q4的漏极MOS管Q5的漏极以及MOS管Q5和MOS管Q6的栅极，所述MOS管Q5和MOS管Q6的源极接地，MOS管Q6的漏极连接电流源I4，所述MOS管Q7的栅极连接 MOS管Q8的栅极，MOS管Q7的漏极连接电流源I2，所述MOS管Q8和 MOS管Q9的源极连接电流源I3，MOS管Q8的漏极连接电流源I1，所述MOS管Q9和 MOS管Q10的栅极相互连接，MOS管Q9和 MOS管Q10的漏极连接电源，所述MOS管Q12的栅极连接电流源I1，MOS管Q12的漏极连接IGBT管Q24的门极；
所述高边驱动过流保护和开路保护电路包括运算放大器OPAMP1，MOS管Q1，MOS管Q2，MOS管Q3，MOS管Q11，MOS管Q13，电流源I5和电流源I6；所述运算放大器OPAMP1的同相输入端连接IGBT管Q24的门极，反相输入端连接MOS管Q11的漏极和MOS管Q13的源极，输出端连接MOS管Q13的栅极，所述MOS管Q11的栅极和源极分别与MOS管Q12的栅极和源极相连，所述MOS管Q13的漏极连接MOS管Q1的漏极和栅极，所述MOS管Q1的源极接地，栅极连接MOS管Q2的栅极，所述MOS管Q2的源极接地，漏极依次通过电流源I6和电流源I5连接至MOS管Q3的漏极，所述MOS管Q3源极接地，栅极连接MOS管Q1和MOS管Q2地栅极；
所述低边驱动限流电路包括MOS管Q13，MOS管Q14，MOS管Q15，MOS管Q16，MOS管Q17，MOS管Q18，MOS管Q19，MOS管Q20，MOS管Q21，MOS管Q22，MOS管Q27，电流源I7和电流源I8；所述MOS管Q13和MOS管Q14的栅极和漏极分别相连，并且两者的漏极同时与MOS管Q15和MOS管Q16的栅极相连，所述MOS管Q13和MOS管Q16的源极接地，MOS管Q14的源极接电源，MOS管Q15的源极连接电流源I8，所述MOS管Q15和MOS管Q16的漏极相连后连接至MOS管Q27的栅极，所述MOS管Q27的源极接地，漏极连接与MOS管Q22的漏极共同连接至IGBT管Q24的门极，所述MOS管Q22的源极连接MOS管Q17的栅极，栅极连接电源，所述MOS管Q17的源极接地，漏极连接电流源I7，同时电流源I7与MOS管Q17的漏极还分别通过反相器D1连接MOS管Q18的栅极，以及依次通过反相器D1和反相器D2连接MOS管Q19和MOS管Q21的栅极，所述MOS管Q18的源极接地，漏极连接MOS管Q27的栅极，所述MOS管Q19的源极接电源，漏极连接MOS管Q21的漏极以及MOS管Q20的栅极，所述MOS管Q20和MOS管Q21的源极接地，MOS管Q20的漏极连接MOS管Q27的栅极；
所述欠压保护电路包括比较器COMP3，所述比较器COMP3的同相输入端输入参考电压，反相输入端连接IGBT管Q24的门极，输出端输出信号至控制电路。
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Inventor after: Fang Jinhai

Inventor before: Fang Jinhai

Inventor before: Zheng Kunkun

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