CN1177408C - 一种绝缘栅双极晶体管驱动保护电路 - Google Patents

一种绝缘栅双极晶体管驱动保护电路

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一种绝缘栅双极晶体管驱动保护电路，其主要包括：电源；绝缘栅双极晶体管IGBT；一个上下桥驱动信号电路；光耦U501；一个开关三极管控制电路；一个驱动信号放大电路；IGBT集电极-发射极电压Vce检测调节保护电路，该Vce检测调节保护电路包括短路保护电路、故障锁存电路和故障软关断电路，所述Vce检测调节保护电路在检测到绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极——发射极电压Vce异常时，通过短路保护电路控制放大电路将所述绝缘栅双极晶体管IGBT的栅极电压调低到小于其门限低压值，以使所述绝缘栅双极晶体管IGBT截止，并通过故障锁存电路实现闭合锁存，保证在CPU接受到故障信号并封锁驱动信号前能可靠地封锁所述绝缘栅双极晶体管IGBT。

Description

一种绝缘栅双极晶体管驱动保护电路
技术领域
本发明涉及一种绝缘栅双极晶体管IGBT(IGBT——InsulatedGate Bipolar Transistor)的驱动保护电路，特别是一种在变频器中作为功率开关器件的绝缘栅双极晶体管IGBT的驱动保护电路。
背景技术
目前，由于绝缘栅双极晶体管IGBT具有容易驱动且能以高的开关频率处理大电流和高电压的特点，因而国内外大功率变频器和开关式电源中多采用绝缘栅双极晶体管IGBT作为功率开关器件，因此IGBT驱动保护电路就成为关系到变频器整机工作可靠性的重要电路，现有的变频器所采用的IGBT驱动保护电路因设计思想不同而使该电路具有多种多样的形式，如图1和图2所示为两种典型的驱动保护电路，其中图1所示电路结构简捷，具有驱动电源欠压保护功能，图2所示电路结构稍微复杂，具备IGBT集电极-发射极电压Vce保护功能，但全面分析目前的各种电路方案，可看到现有的各种电路方案，分别有其自己的设计侧重点，但没有一个电路方案具备非常完善的保护功能，造成变频器的可靠性不高，给使用带来不便。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种功能完善、可进一步提高变频器的可靠性的绝缘栅双极晶体管IGBT的驱动保护电路，其主要包括：
一个用于提供恒压的电源；
一个用于控制负载通断的绝缘栅双极晶体管IGBT；
一个上下桥驱动信号电路，用于驱动光耦U501；
光耦U501，其输入端与上下桥驱动信号电路连接，其输出端产生一个控制电压给开关三极管Q504的基极；
一个开关三极管控制电路，用于产生一个开关信号作为放大电路的输入电压，其主要由开关三极管Q504和电阻R506组成，其中开关三极管Q504的基极与光耦U501的输出端连接，其发射极接电源，其集电极与放大电路连接并通过电阻R506接地；
一个放大电路，用于产生一个栅压并将其提供给所述绝缘栅双极晶体管IGBT的栅极，其输入端与开关三极管Q504的集电极连接，其输出端与所述绝缘栅双极晶体管IGBT的栅极连接；
其特征在于所述三极管开关电路与放大电路及所述绝缘栅双极晶体管IGBT之间设有一个绝缘栅双极晶体管IGBT集电极-发射极电压Vce检测调节保护电路，该检测调节保护电路包括短路保护电路、故障锁存电路，短路保护电路的其中一输入端与开关三极管Q504的集电极连接，其另一输入端接绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极——发射极电压Vce反馈信号，其一输出端与开关三极管Q504的基极连接，其另一输出端通过故障软关断电路与放大电路的输入端连接，且所述Vce检测调节保护电路在检测到绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极——发射极电压Vce异常时，通过短路保护电路控制放大电路将所述绝缘栅双极晶体管IGBT的栅极电压调低到小于其门限低压值，以使所述绝缘栅双极晶体管IGBT截止，并通过故障锁存电路迅速拉低开关三极管Q504的基极电压，维持开关三极管Q504导通，实现闭合锁存，保证在CPU接受到故障信号并封锁驱动信号前能可靠地封锁所述绝缘栅双极晶体管IGBT；其中上述上下桥驱动信号电路由互锁的上桥信号驱动电路和下桥信号驱动电路组成，其中上桥信号驱动电路包括三极管Q501、电阻R501、R502，下桥信号驱动电路包括三极管Q601、电阻R601、R602，三极管Q501的发射极接光耦U501的原边电源VDD，其集电极与下桥驱动信号X1连接，其基极串接电阻R502后与上桥驱动信号U1连接、电阻R501并联在光耦U501的原边电源VDD与上桥驱动信号U1之间，三极管Q601的发射极接第二光耦U601的原边电源VDD，集电极接上桥驱动信号U1，其基极串接电阻R602后与下桥驱动信号X1连接，电阻R601并联在第二光耦U601的原边电源VDD与下桥驱动信号X1之间。其中为进一步完善本发明的功能，使本发明具有驱动电源欠压保护和驱动信号互锁的功能，驱动光耦U501与开关三极管Q504之间设有一个欠压保护电路，该欠压保护电路由稳压二极管D502组成，该稳压二极管D502的正极接驱动光耦U501的输出端，其负极接开关三极管Q504的基极。
以下结合附图详细说明本发明的基本结构组成和工作原理：
附图说明
图1是现有技术方案I的电原理示意图；
图2是现有技术方案II的电原理示意图；
图3是本发明的电路框图；
图4是本发明的电原理示意图。
具体实施方式
如图3～图4所示，本发明主要包括：
一个用于提供恒压的电源U+；
一个用于控制负载通断的绝缘栅双极晶体管IGBT；
一个上下桥驱动信号电路，用于驱动光耦U501；
光耦U501，其输入端与上下桥驱动信号电路连接，其输出端产生一个控制电压给开关三极管Q504的基极；
一个开关三极管控制电路，用于产生一个开关信号作为放大电路的输入电压，其主要由开关三极管Q504和电阻R506组成，其中开关三极管Q504的基极与光耦U501的输出端连接，其发射极接电源，其集电极与放大电路连接并通过电阻R506接地；
一个放大电路，用于产生一个栅压并将其提供给所述绝缘栅双极晶体管IGBT的栅极，其输入端与开关三极管Q504的集电极连接，其输出端与所述绝缘栅双极晶体管IGBT的栅极；放大电路为由三极管Q515、Q516、Q517、Q518组成的双推挽放大电路。
其主要特点在于所述三极管开关电路与放大电路及所述绝缘栅双极晶体管IGBT之间设有一个IGBT集电极-发射极电压Vce检测调节保护电路，该Vce检测调节保护电路包括短路保护电路、故障锁存电路，其中，短路保护电路的其中一输入端与开关三极管Q504的集电极连接，其另一输入端接绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极——发射极电压Vce反馈信号，其一输出端通过故障锁存电路与开关三极管Q504的基极连接，其另一输出端与放大电路的输入端连接，且所述Vce检测调节保护电路在检测到绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极——发射极电压Vce异常时，通过短路保护电路控制放大电路将所述绝缘栅双极晶体管IGBT的栅极电压调低到小于其门限低压值，以使所述绝缘栅双极晶体管IGBT截止，并通过故障锁存电路迅速拉低开关三极管Q504的基极电压，维持开关三极管Q504导通，实现闭合锁存，保证在CPU接受到故障信号并封锁驱动信号前能可靠地封锁所述绝缘栅双极晶体管IGBT。其中短路保护电路包括第二开关三极管Q511、二极管D501、D505、D506、D508、D509、电容C504、C506及电阻R508、R509、R510、R511，其中第二开关三极管Q511集电极通过若干电阻、电容与电源连接，其发射极接地，其基极与二极管D509的正极连接，电容C506与电阻R511并联在所述第二开关三极管Q511的基极与地之间，二极管D506、电阻R509、二极管D508、D509依序串接，且二极管D506的正极接开关三极管Q504的集电极，二极管D501与D505串联，二极管D505的正极通过二极管D533和电阻R508与二极管D508的正极连接，二极管D501负极与所述绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极连接，电容C504一端与二极管D508的正极连接，其另一端接地，电阻R510一端与二极管D506的负极连接，另一端接地。故障锁存电路包括电容C502、电阻R504、R505，其中电容C502与电阻R505并联后，其一端接上述第二开关三极管Q511的集电极，其另一端串接电阻R504后与开关三极管Q504的基极连接。为了使IGBT在故障时实现软关断，避免过大的
Figure C0113004500111
造成过压损坏IGBT模块，本发明IGBT集电极——发射极电压Vce检测调节保护电路还包括故障软关断电路，该软关断电路包括电阻R512、二极管D510，其中电阻R512与二极管D510串接后，电阻R512的另一端与第二开关三极管Q511的集电极连接，二极管D510的正极与放大电路的输入端连接。为保证可及时将故障信号送到CPU，由CPU来控制驱动信号而封锁IGBT，绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极——发射极Vce检测调节保护电路还包括有送出故障信号给CPU的故障信号驱动电路，该故障信号驱动电路包括光耦U502、二极管D512、电阻R503、R524，其中电阻R523、R524并联后，其一端接驱动电源，其另一端与光耦U502的第2脚连接，二极管D512的正极与光耦U502的第2脚连接，其负极端与第二开关三极管Q511的集电极连接，光耦U502的第3脚接地，其第6脚输出故障信号给CPU。为进一步完善本发明的功能，使本发明在具有短路保护、故障锁存、故障软关断等功能的基础上还具有驱动电源欠压保护和驱动信号互锁功能，驱动光耦U501与开关三极管Q504之间设有一个欠压保护电路，该欠压保护电路由稳压二极管D502组成，该稳压二极管D502的正极接驱动光耦U501的输出端，其负极接开关三极管Q504的基极。上下桥驱动信号电路由互锁的上桥信号驱动电路和下桥信号驱动电路组成，其中上桥信号驱动电路包括三极管Q501、电阻R501、R502，下桥信号驱动电路包括三极管Q601、电阻R601、R602，三极管Q501的发射极接光耦U501的原边电源VDD，其集电极与下桥驱动信号X1连接，其基极串接电阻R502后与上桥驱动信号U1连接、电阻R501并联在光耦U501的原边电源VDD与上桥驱动信号U1之间，三极管Q601的发射极接第二光耦U601的原边电源VDD，集电极接上桥驱动信号U1，其基极串接电阻R602后与下桥驱动信号X1连接，电阻R601并联在第二光耦U601的原边电源VDD与下桥驱动信号X1之间。为配合整个电路多功能的实现，上述放大电路与所述绝缘栅双极晶体管IGBT之间设有可变门极电阻电路，该可变门极电阻电路由二极管D519、电阻R514、R515、R516组成，其中，二极管D519与电阻R514并联后与由电阻R515、R516并联组成的电阻电路串联，且二极管D519的负极端位于放大电路的输出端一侧。绝缘栅双极晶体管IGBT的栅极设有一个门极电压钳位电路，该门极电压钳位电路的两端分别与电源和地连接，其中间输出端与绝缘栅双极晶体管IGBT的栅极连接。
本发明的基本工作原理是：U相上桥驱动信号低有效，驱动光耦U501输出低电平时，D502击穿，Q504导通，Q515、Q517导通，IGBT开通；反之U501输出为高电平时，Q504截止，Q516、Q518导通，确保IGBT截止。
该电路具有驱动信号互锁功能，即U相上桥驱动信号U1低有效时，Q501导通，将U相下桥驱动信号X1拉高，Q601也是同样作用，确保上下桥臂驱动信号互锁。电路中，D502为Q504提供固定的开通阈值，可以起到驱动电源欠压保护作用。其中Vce检测调节保护电路的工作原理如下：
首先，短路保护功能是通过采用Vce检测来进行短路保护，其具体工作过程及原理是：驱动光耦输出低电平时，电路通过D506、R509对C504充电，如果IGBT正常开通，则D505正极电位比较低，D508正极的电位受到限制，不足以击穿D509，此时Q511截止，IGBT正常驱动；如果IGBT导通时出现短路，则D505正极电平较高，D508正极的电位上升直到D509击穿，电路对C506充电，C506的电位足够高时Q511导通，使IGBT截止，实现短路保护功能。同时通过光耦U502送出故障信号到CPU。保护动作的电流阈值与IGBT的Ic-Vce特性、D509的稳压值、R508阻值等参数有密切关系。可以通过调整D509和R508参数方便的实现保护动作点的调整。由于IGBT加上开通信号后有一个导通过程，因此Vce的下降也有一个的过程，在1-2uS内仍保持比较高的电压，C504和C506的存在使保护电路不会在正常开通过程中动作，即为保护电路提供一定的延时，同时也构成两级滤波电路，以避免电路误动作，C504取1nF时，保护延时为2-3uS。
其次，故障锁存功能是通过电容C502的存在来迅速拉低Q504的基极电位而使Q504维持导通来实现闭环自锁，其具体工作过程及原理是：如果IGBT导通时出现短路，则D505正极电平较高，D508正极的电位上升直到D509击穿，电路对C506充电，C506的电位足够高时Q511导通，此时Q511的集电极电位变为低电平。C502的存在使Q511导通时Q504基极被迅速拉低，Q504维持导通，C506继续充电，Q511保持导通，保护电路实现闭环自锁，保证在CPU接受到故障信号并封锁驱动信号之前，驱动电路本身能可靠封锁IGBT；同时C502经R504充电，Q504基极电位上升，最后Q504截止，C506放电，Q511截止，驱动电路恢复正常。R505为C502提供放电通道，否则C502上保留的电荷将不利于启动短路保护电路的闭环自锁。R505的取值很重要，取值过大，IGBT第一次短路时电路可实现闭环自锁，但是，如果短路故障没有排除而IGBT很快再次开通时，由于C502上的电荷未能及时泻放，电路无法实现自锁，IGBT将不断地开关很大的短路电流，严重影响其寿命；R505取值过小时，闭环自锁状态将无法自行解除。自锁时间主要由充电时间确定，C502取470nF时，可以提供1.5-2mS的自锁时间。
再次故障软关断的工作原理是：IGBT短路时，保护电路动作，调整R512的阻值可以改变加在栅极电阻上的电压，从而调整IGBT关断的速度。R512取330Ω时， D519正极相对于IGBT射极的电位为0.2V～0.4V(而非正常工作的关断电压-5.6V)。这个电压可以使IGBT实现一定程度的软关断，避免过大的
Figure C0113004500141
造成过压损坏器件。

Claims (9)

1、一种绝缘栅双极晶体管驱动保护电路，其主要包括：
一个用于提供恒压的电源(U+)；
一个用于控制负载通断的绝缘栅双极晶体管(IGBT)；
一个上下桥驱动信号电路，用于驱动光耦(U501)；
光耦(U501)，其输入端与上下桥驱动信号电路连接，其输出端产生一个控制电压给开关三极管(Q504)的基极；
一个开关三极管控制电路，用于产生一个开关信号作为放大电路的输入电压，其主要由开关三极管(Q504)和电阻(R506)组成，其中开关三极管(Q504)的基极与光耦(U501)的输出端连接，其发射极接电源，其集电极与放大电路连接并通过电阻(R506)接地；
一个放大电路，用于产生一个栅压并将其提供给所述绝缘栅双极晶体管(IGBT)的栅极，其输入端与开关三极管(Q504)的集电极连接，其输出端与所述绝缘栅双极晶体管(IGBT)的栅极连接；其特征在于所述三极管开关电路与放大电路及所述绝缘栅双极晶体管IGBT之间设有一个绝缘栅双极晶体管(IGBT)集电极-发射极电压(Vce)检测调节保护电路，该检测调节保护电路包括短路保护电路、故障锁存电路，其中，短路保护电路的其中一输入端与开关三极管(Q504)的集电极连接，其另一输入端接绝缘栅双极晶体管(IGBT)的集电极——发射极电压(Vce)反馈信号，其一输出端通过故障锁存电路与开关三极管(Q504)的基极连接，其另一输出端与放大电路的输入端连接，且所述(Vce)检测调节保护电路在检测到绝缘栅双极晶体管(IGBT)的集电极——发射极电压(Vce)异常时，通过短路保护电路控制放大电路将所述绝缘栅双极晶体管(IGBT)的栅极电压调低到小于其门限低压值，以使所述绝缘栅双极晶体管(IGBT)截止，并通过故障锁存电路迅速拉低开关三极管(Q504)的基极电压，维持开关三极管(Q504)导通，实现闭合锁存，保证在CPU接受到故障信号并封锁驱动信号前能可靠地封锁所述绝缘栅双极晶体管(IGBT)；上述上下桥驱动信号电路由互锁的上桥信号驱动电路和下桥信号驱动电路组成，其中上桥信号驱动电路包括三极管(Q501)、电阻(R501、R502)，下桥信号驱动电路包括三极管(Q601)、电阻(R601、R602)，三极管(Q501)的发射极接光耦U501的原边电源(VDD)，其集电极与下桥驱动信号(X1)连接，其基极串接电阻(R502)后与上桥驱动信号(U1)连接、电阻(R501)并联在光耦(U501)的原边电源(VDD)与上桥驱动信号(U1)之间，三极管(Q601)的发射极接第二光耦(U601)的原边电源(VDD)，集电极接上桥驱动信号(U1)，其基极串接电阻(R602)后与下桥驱动信号(X1)连接，电阻(R601)并联在第二光耦(U601)的原边电源(VDD)与下桥驱动信号(X1)之间；且上述驱动光耦(U501)与开关三极管(Q504)之间设有一个欠压保护电路。
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，其特征在于上述短路保护电路包括第二开关三极管(Q511)、二极管(D501、D505、D506、D508、D509)、电容(C504、C506)及电阻(R508、R509、R510、R511)，其中第二开关三极管(Q511)集电极通过若干电阻、电容与电源连接，其发射极接地，其基极与稳压二极管(D509)的正极连接，电容(C506)与电阻(R511)并联在所述第二开关三极管(Q511)的基极与地之间，二极管(D506)、电阻(R509)、二极管(D508)、稳压二极管(D509)依序串接，且二极管(D506)的正极接开关三极管(Q504)的集电极，二极管(D501)与(D505)串联，(D505)的正极通过二极管(D533)和电阻(R508)与二极管(D508)的正极连接，(D501)负极与所述绝缘栅双极晶体管(IGBT)的集电极连接，电容(C504)一端与二极管(D508)的正极连接，其另一端接地，电阻(R510)一端与二极管(D506)的负极连接，另一端接地。
3、根据权利要求2所述的绝缘栅双极晶体管驱动保护电路，其特征在于上述故障锁存电路包括电容(C502)、电阻(R504)、(R505)，其中电容(C502)与电阻(R505)并联后，其一端接上述第二开关三极管(Q511)的集电极，其另一端串接电阻(R504)后与开关三极管(Q504)的基极连接。
4、根据权利要求2或3所述的绝缘栅双极晶体管驱动保护电路，其特征在于上述检测调节保护电路还包括故障软关断电路，该软关断电路包括电阻(R512)、二极管(D510)，其中电阻(R512)与二极管(D510)串接后，电阻(R512)的另一端与第二开关三极管(Q511)的集电极连接，二极管(D510)的正极与放大电路的输入端连接。
5、根据权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管驱动保护电路，其特征在于上述放大电路为由三极管(Q515、Q516、Q517、Q518)组成的双推挽放大电路。
6、根据权利要求1或5所述的绝缘栅双极晶体管驱动保护电路，其特征在于上述放大电路与所述绝缘栅双极晶体管(IGBT)之间设有可变门极电阻电路，该可变门极电阻电路由二极管(D519)、电阻(R514、R515、R516)组成，其中，二极管(D519)与电阻(R514)并联后与由电阻(R515、R516)并联组成的电阻电路串联，且二极管(D519)的负极端位于放大电路的输出端一侧。
7、根据权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管驱动保护电路，其特征在于上述绝缘栅双极晶体管(IGBT)的栅极设有一个门极电压钳位电路，该门极电压钳位电路的两端分别与电源和地连接，其中间输出端与绝缘栅双极晶体管(IGBT)的栅极连接。
8、根据权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管(IGBT)驱动保护电路，其特征在于上述欠压保护电路由稳压二极管(D502)组成，该稳压二极管(D502)的正极接驱动光耦(U501)的输出端，其负极接开关三极管(Q504)的基极。
9、根据权利要求2或3所述的绝缘栅双极晶体管驱动保护电路，其特征在于上述检测调节保护电路还包括有送出故障信号给CPU的故障信号驱动电路，该故障信号驱动电路包括光耦(U502)、二极管(D512)、电阻(R523、R524)，其中电阻(R523、R524)并联后，其一端接驱动电源，其另一端与光耦(U502)的第2脚连接，二极管(D512)的正极端与光耦(U502)的第2脚连接，其负极端与第二开关三极管(Q511)的集电极连接，光耦(U502)的第3脚接地，其第6脚输出故障信号给CPU。
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