CN201533295U

CN201533295U - 一种igbt驱动保护电路

Info

Publication number: CN201533295U
Application number: CN2009202058177U
Authority: CN
Inventors: 李树白
Original assignee: Shenzhen Megmeet Drive Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Megmeet Drive Technology Co Ltd
Priority date: 2009-10-21
Filing date: 2009-10-21
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2019-10-21

Abstract

本实用新型公开了一种IGBT驱动保护电路，其特征在于，包括：开通电路、关断电路、VCE检测过流保护电路、欠压保护电路、光耦、IGBT、栅极电阻，开通电路一端与欠压保护电路相连，另一端经栅极电阻与IGBT的栅极相连，IGBT的源极和漏极分别与关断电路和VCE检测过流保护电路相连，光耦与欠压保护电路相连，VCE检测过流保护电路分别与开通电路、关断电路和欠压保护电路相连。本实用新型电路功能齐全，具备高速光耦隔离，欠压保护，VCE检测过流保护及故障信号反馈输出等功能。单电源供电，只需要一路≥+15V的电源，成本低。在无负压的情况下耐固性好，无需IGBT栅极钳位电路大幅节省成本。

Description

一种IGBT驱动保护电路

技术领域

本实用新型涉及电路技术领域，尤其涉及一种IGBT驱动保护电路。

背景技术

IGBT在变频器、伺服驱动器、变流器及等电力电子设备中得到了广泛应用。在这些设备中，IGBT是价值高(价格高)的关键器件，而且它的性能也也很大程度的影响了这个设备的性能和工作可靠性。因此，IGBT的驱动保护电路是非常关键的难点和重点，是设备运行的关键环节。

为解决IGBT的高性能和可靠驱动问题，国内外一些厂家开发了专用的IGBT驱动厚模模块，如国内常见的日本富士公司的EXB841厚模电路，三菱公司生产的M57962厚模电路等。它们的优点是，功能较齐全，集成度较高，稳定性好。相对不足的是：需要正负电源，参数不能调整，使用灵活性不高。由于集成的光耦的速度限制(不能更换为更高速的光耦)，一般工作频率都在30kHz以下。而且体积大、价格高。特别是价格高的因素，造成难以在中小功率领域和成本敏感的产品中推广使用。

近来，国外一些厂家开发了一些低成本的IGBT驱动光耦，如TLP250、PC925、HCPL-3120、HCPL-3150、HCPL-316J、PC929等，优点是集成度高，稳定性好，外围元件少。另一方面，它们一般都需要双电源，有的功能非常少，如TLP250和PC925无电源欠压和VCE保护功能，HCPL-3120和HCPL-3150无VCE保护功能，功能功能较齐全的如HCPL-316和PC929，价格高而且性能指标有制约，如驱动电流小(小于2A，只能驱动75A/1200以下的IGBT)，在高的dv/dt下容易误保护，PCB设计难度大。

下面以目前在市场上应用比较广泛，功能较齐全的M57962为例进行分析：

该电路需双电源供电，最高工作频率为40kHz。高速光耦隔离、具备过流软关断、欠压锁定、故障信号输出等功能。M57962的应用电路原理图如图1所示：

该电路的工作原理：

该电路采用+15V和-10V供电。当INPUT有10mA电流通过时、5脚输出的高电平通过RG给IGBT栅极充电，使IGBT导通；当INPUT无输入时，5脚输出负电压。IGBT的栅极电荷通过RG放电，IGBT截止。

当IGBT的电流过大时，IGBT的导通VCE电压高(一般会超过5V)，M57962通过1脚连接的快恢复二极管D1检测到该电压超过内部设定的保护门限时，立刻将5脚电平由+15V降为-10V，同时8脚输出低电平，故障反馈光耦导通。

稳压管DZ1的作用是防止通过VCE检测二极管耦合过来的高电压损坏该驱动电路。

DZ2和DZ3的作用是防止门极浪涌电压击穿IGBT。一般IGBT的栅极击穿电压为20V。

在这里RG的取值比较关键，其大小直接决定IGBT的开通和关断时间，影响IGBT的开关损耗。取值小使得开关时间短，IGBT开关过程中产生的dv/dt高，由于引线的杂散电感，IGBT的CE极间会产生较高的电压浪涌，过高的电压浪涌尖峰会使IGBT击穿损坏；取值大使得开关时间长，开关损耗大。IGBT关断时，由于密勒效应，IGBT栅极有电流反向流过RG，从而在栅极上叠加正电压，使得IGBT的栅极电位上升。若电压超过导通阀值电压，将使IGBT误导通。所以驱动电路一般采用负压驱动，以防止IGBT的误导通。

现有技术的缺陷是：

1、关断时采用负压驱动，因此为双电源供电方式，电路复杂，成本高；

2、为了保护IGBT栅极，需要使用由DZ2和DZ3构成的钳位电路。DZ2和DZ3使用普通稳压管时，由于稳压管的内阻大钳位效果较差，常见的采用18V的稳压管的作法在高的dv/dt情况下无法保证栅极电压小于20V，实际测试时IGBT栅极会出现30V以上的电压。DZ2和DZ3采用16V/1W的TVS管效果虽然好但成本很高；

3、参数基本不能调整，使用灵活性不高；

4、由于内部集成的光耦速度的限制(集成1Mbps的光耦，无法更换为速度更快的光耦)，一般工作频率都在20～30kHz以下，在15kHz以上使用时脉宽失真较大。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种IGBT驱动保护电路。

为解决上述技术问题，本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的。

一种IGBT驱动保护电路，包括：开通电路(101)、关断电路(102)、VCE检测过流保护电路(103)、欠压保护电路(104)、光耦(U1)、IGBT(Q10)、栅极电阻(RG1)，开通电路(101)一端与欠压保护电路(104)相连，另一端经栅极电阻(RG1)与IGBT(Q10)的栅极相连，IGBT(Q10)的源极和漏极分别与关断电路(102)和VCE检测过流保护电路(103)相连，光耦(U1)与欠压保护电路(104)相连，VCE检测过流保护电路(103)分别与开通电路(101)、关断电路(102)和欠压保护电路(104)相连。

其中，所述开通电路(101)包括：电阻R2、电阻R5、电阻R6、三极管Q1、三极管Q4、钳位二极管D1，电阻R2与电阻R5串联后一端与电阻R3相连，另一端与钳位二极管D1的阴极相连，电阻R2与电阻R5的中点与三极管Q1基极相连，Q1的集电极经电阻R6与三极管Q4的基极相连。

其中，所述关断电路(102)包括：三极管Q2、三极管Q3、三极管Q5、三极管Q6、电阻R3、电阻R4、电阻R8、电阻R9、电容C4，三极管Q2的基极与钳位二极管D1的阴极相连，三极管Q2的发射极与电阻R3的另一端相连，三极管Q2的集电极经电阻R9接地，三极管Q3的基极与三极管Q2的集电极相连，三极管Q3的发射极接地，三极管Q3的集电极与三极管Q6的基极相连，三极管Q6的集电极与VCE检测过流保护电路(103)相连，电容C4一端与三极管Q6的发射极相连，另一端经电阻R8与三极管Q6的集电极相连，三极管Q5的基极与三极管Q4的基极相连，三极管Q5的集电极接地，三极管Q5的发射极与三极管Q4的发射极相连。

其中，所述欠压保护电路(103)包括：D2稳压管、二极管D15、电阻R2、电阻R5、三极管Q1、钳位二极管D1，光耦U1经D2稳压管与二极管D15的阴极相连，D2稳压管的阴极与VCE检测过流保护电路(103)相连，二极管D15的阳极与钳位二极管D1的阴极相连。

其中，VCE检测过流保护电路(103)包括：第二光耦U2、三极管Q7、三极管Q8、三极管Q9、二极管D6、二极管D4、电阻R1、电阻R7、电阻R10、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电容C2、电容C5、电容C7、电阻R10、电阻R12串联后一端与三极管Q7的基极相连，另一端与三极管Q8的集电极相连，电阻R1并联在三极管Q7的基极与发射极之间，三极管Q7的集电极经二极管D6与二极管D1的阴极相连，第二光耦U2的一端与电阻R10和R12的中点相连，电阻R11与电阻R18串联后一端与三极管Q7的集电极相连，另一端经电阻R14与稳压管D5的阳极相连，稳压管D5的阴极经电阻R15与二极管D7的阳极相连，二极管D7的阴极与IGBT Q6的漏极相连，电阻R13并联在三极管Q8的基极与发射极之间，三极管Q9的发射极经电阻R7与二极管D6的阴极相连，三极管Q9的基极与稳压管D2的阴极相连，三极管Q9的集电极接在电阻R18与电阻R14的中点，电容C7并联在电阻R11的两端，电容C2并联在电阻R13的两端，电容C5的一端接地，另一端与稳压管D5的阴极相连。

本实用新型的有益效果如下：

1、功能齐全，具备高速光耦隔离，欠压保护，VCE检测过流保护及故障信号反馈输出等功能。

2、单电源供电，只需要一路≥+15V的电源，成本低。而且可宽电压范围工作(向上延展)，在采用自举方式供电的应用中具有独到的价值。采用自举方式供电时，供电电压随IGBT负载电流和载波频率变化，驱动电路纹波达高达1～2V，若采用15V供电，输出驱动信号的幅值将会小于13V，导致IGBT损耗增大，开关速度变慢。若使用该电路，只需将供电电压提高到17～18V，即可得到稳定的输出驱动电压)。

3、在无负压的情况下耐固性好(即防止dv/dt带来的误导通)，无需IGBT栅极钳位电路大幅节省成本。

4、成本低，从下面的三个方面实现了低成本。

1)除高速光耦外，其余都由廉价的普通分立元器件构成；

2)单电源供电；

3)无IGBT栅极钳位电路。

实际总成本与M57962相比，价格仅为M57962的1/6。

附图说明

图1为现有的IGBT驱动保护电路原理图；

图2为本实用新型IGBT驱动保护电路原理图。

具体实施方式

为便于对本实用新型电路的进一步理解，现结合附图及具体实施例对本实用新型的电路原理进行详细描述。

请参阅图2所示，包括：开通电路101、关断电路102、VCE检测过流保护电路103、欠压保护电路104、光耦U1、IGBT Q10、栅极电阻RG1，开通电路101一端与欠压保护电路104相连，另一端经栅极电阻RG1与IGBT Q10的栅极相连，IGBT Q10的源极和漏极分别与关断电路102和VCE检测过流保护电路103相连，光耦U1与欠压保护电路104相连，VCE检测过流保护电路103分别与开通电路101、关断电路102和欠压保护电路104相连。

开通电路101包括：电阻R2、R5、R6、三极管Q1、Q4、钳位二极管D1，电阻R2与电阻R5串联后一端与电阻R3相连，另一端与钳位二极管D1的阴极相连，电阻R2与电阻R5的中点与三极管Q1基极相连，Q1的集电极经电阻R6与三极管Q4的基极相连；

关断电路102包括：三极管Q2、Q3、Q5、Q6、电阻R3、R4、R8、R9、电容C4，三极管Q2的基极与钳位二极管D1的阴极相连，三极管Q2的发射极与电阻R3的另一端相连，三极管Q2的集电极经电阻R9接地，三极管Q3的基极与三极管Q2的集电极相连，三极管Q3的发射极接地，三极管Q3的集电极与三极管Q6的基极相连，三极管Q6的集电极与VCE检测过流保护电路103相连，电容C4一端与三极管Q6的发射极相连，另一端经电阻R8与三极管Q6的集电极相连，三极管Q5的基极与三极管Q4的基极相连，三极管Q5的集电极接地，三极管Q5的发射极与三极管Q4的发射极相连。

欠压保护电路103包括：稳压管D2、二极管D15、电阻R2、R3、R5、三极管Q1、钳位二极管D1，光耦U1经稳压管D2与二极管D15的阴极相连，稳压管D2的阴极与VCE检测过流保护电路103相连，二极管D15的阳极与钳位二极管D1的阴极相连。

VCE检测过流保护电路103包括：光耦U2、三极管Q7、Q8、Q9、二极管D4、D6、稳压管D5、电阻R1、R7、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、电容C2、C5、C7、电阻R10、R12串联后一端与三极管Q7的基极相连，另一端与三极管Q8的集电极相连，电阻R1并联在三极管Q7的基极与发射极之间，三极管Q7的集电极经二极管D6与二极管D1的阴极相连，光耦U2的一端与电阻R10和R12的中点相连，电阻R11与电阻R18串联后一端与三极管Q7的集电极相连，另一端经电阻R14与稳压管D5的阳极相连，稳压管D5的阴极经电阻R15与二极管D7的阳极相连，二极管D7的阴极与IGBT Q10的漏极相连，电阻R13并联在三极管Q8的基极与发射极之间，三极管Q9的发射极经电阻R7与二极管D6的阴极相连，三极管Q9的基极与稳压管D2的阴极相连，三极管Q9的集电极接在电阻R18与电阻R14的中点，电容C7并联在电阻R11的两端，电容C2并联在电阻R13的两端，电容C5的一端接地，另一端与稳压管D5的阴极相连。

电路工作原理如下：

1、正常开通过程：

INPUT开通时，光耦原边有驱动电流(10mA～25mA)时，光耦U1导通。A点电压迅速下降，稳压二极管D2齐纳击穿，B点被拉低，Q1导通，C点电位上升(上升斜率由R6和C4确定)。使得Q4和Q5的射极也上升，并通过栅极电阻RG1给IGBT提供开通需要的电流。可见IGBT的上升时间可以通过调节R6和C4值(由于RG1取值小，一般不需调节)来实现。

2、正常关断过程：

当INPUT关断时，光耦原边没有电流流过。光耦U1不通，A点电位上升，D2关断。Q1关断；Q2，Q3关断，Q6导通，C点电位被拉低，使得Q4和Q5的射极电位也下降，并通过栅极电阻RG1给IGBT提供关断需要的抽取电流。IGBT栅极电位下降，IGBT关断。关断时间可以通过调节R8和C4值(由于RG1取值小，一般不需调节)来实现。

3、保护动作原理：

1)欠压保护原理：

光耦U1开通时，若电源VCC＜(D2稳压值+2×0.6)V时。此时D2仍处于关断状态。Q1和Q4关断。Q6，Q5导通。IGBT栅极被锁定为低电平。IGBT一直处于关断状态。可见D2选择不同的稳压值时，欠压保护的值也不同。

2)VCE检测过流保护电路原理：

IGBT在正常工作情况(VCE电压小于2.5V)下，D点电位稳定在3V，D5关断，Q8截止。此时，若发生短路，IGBT承受大电流，使得VCE电压迅速上升。当VCE电压高于8V(由D5稳压值、电阻R17和R14确定)时，D5击穿。VCC通过R14和C2回路充电，经过4uS延时(由电阻R17和C5确定)后，Q8导通，光耦U2导通，将故障信号输出，同时Q7导通。E点为高电平，通过D6将B点嵌位为高电平。此高电位维持的时间T＝C7*R18。在此时间内Q1～Q4截止，Q5，Q6导通，栅极为低电位，IGBT关断。当故障消除时，恢复驱动输出。

Q7、Q8、D6和C7、R11、R18形成的单稳电路可产生时间间隔为T(由C7*R18确定，一般取2～10ms)的故障封锁信号。

由D6、D15、Q9、R7构成的电路可确保在输入有持续开通信号时IGBT过流能持续关断，直到输入开通信号关断为止。

以上对本实用新型所提供的一种IGBT驱动保护电路进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims

1.一种IGBT驱动保护电路，其特征在于，包括：开通电路(101)、关断电路(102)、VCE检测过流保护电路(103)、欠压保护电路(104)、光耦(U1)、栅极电阻(RG1)，开通电路(101)一端与欠压保护电路(104)相连，另一端经栅极电阻(RG1)与IGBT(Q10)的栅极相连，IGBT(Q10)的源极和漏极分别与关断电路(102)和VCE检测过流保护电路(103)相连，光耦(U1)与欠压保护电路(104)相连，VCE检测过流保护电路(103)分别与开通电路(101)、关断电路(102)和欠压保护电路(104)相连。

2.根据权利要求1所述的IGBT驱动保护电路，其特征在于，所述开通电路(101)包括：电阻R2、电阻R5、三极管Q1、钳位二极管D1、电阻R6、三极管Q4，电阻R2与电阻R5串联后一端与电阻R3相连，另一端与钳位二极管D1的阴极相连，电阻R2与电阻R5的中点与三极管Q1基极相连，Q1的集电极经电阻R6与三极管Q4的基极相连。

3.根据权利要求2所述的IGBT驱动保护电路，其特征在于，所述关断电路(102)包括：三极管Q2、三极管Q3、三极管Q5、三极管Q6、电阻R3、电阻R4、电阻R8、电阻R9、电容C4，三极管Q2的基极与钳位二极管D1的阴极相连，三极管Q2的发射极与电阻R3的一端相连，三极管Q2的集电极经电阻R9接地，三极管Q3的基极与三极管Q2的集电极相连，三极管Q3的发射极接地，三极管Q3的集电极与三极管Q6的基极相连，三极管Q6的基极又和电阻R4相连至开通电路(101)，三极管Q6的集电极与VCE检测过流保护电路(103)相连，电容C4一端与三极管Q6的发射极相连，另一端经电阻R8与三极管Q6的集电极相连，三极管Q5的基极与三极管Q4的基极相连，三极管Q5的集电极接地，三极管Q5的发射极与三极管Q4的发射极相连。

4.根据权利要求3所述的IGBT驱动保护电路，其特征在于，所述欠压保护电路(103)包括：D2稳压管、二极管D15、电阻R2、电阻R5、三极管Q1、钳位二极管D1，光耦U1经D2稳压管与二极管D15的阴极相连，D2稳压管的阴极与VCE检测过流保护电路(103)相连，二极管D15的阳极与钳位二极管D1的阴极相连。

5.根据权利要求4所述的IGBT驱动保护电路，其特征在于，VCE检测过流保护电路(103)包括：第二光耦U2、三极管Q7、三极管Q8、三极管Q9、二极管D6、二极管D4、电阻R1、电阻R7、电阻R10、电阻R12、电阻R14、电阻R13、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电容C2、电容C5、电容C7、电阻R10、电阻R12串联后一端与三极管Q7的基极相连，另一端与三极管Q8的集电极相连，电阻R1并联在三极管Q7的基极与发射极之间，三极管Q7的集电极经二极管D6与二极管D1的阴极相连，第二光耦U2的一端与电阻R10和R12的中点相连，电阻R11与电阻R18串联后一端与三极管Q7的集电极相连，另一端经电阻R14与稳压管D5的阳极相连，稳压管D5的阴极经电阻R15与二极管D7的阳极相连，二极管D7的阴极与IGBT Q10的漏极相连，电阻R13并联在三极管Q8的基极与发射极之间，三极管Q9的发射极经电阻R7与二极管D6的阴极相连，三极管Q9的基极与稳压管D2的阴极相连，三极管Q9的集电极接在电阻R18与电阻R14的中点，电容C7并联在电阻R11的两端，电容C2并联在电阻R13的两端，电容C5的一端接地，另一端与稳压管D5的阴极相连。