CN205829455U - 一种带避免短路保护盲区的igbt驱动电路 - Google Patents

一种带避免短路保护盲区的igbt驱动电路 Download PDF

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谢长君
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Abstract

本实用新型公开了一种带避免短路保护盲区的IGBT驱动电路,包括微控制器MCU、逻辑与门、可控反相器、电平转换模块、信号隔离模块、驱动模块、有源钳位电路和IGBT晶体管,信号隔离模块3个信号隔离器;微控制器MCU输出引脚与可控反相器的输入引脚相连,可控反相器的输出引脚与第二信号隔离器的输入端相连,第二信号隔离器的输出端与电平转换模块的输入端相连,电平转换模块的输出端与驱动模块的输入引脚相连;在IGBT硬短路发生时,通过逻辑门电路控制关断PWM信号,从而关断IGBT,防止IGBT直通。本实用新型能够在IGBT发生短路时,有效的保护IGBT,安全性强、可靠性高。

Description

一种带避免短路保护盲区的IGBT驱动电路
技术领域
[0001]本实用新型涉及IGBT驱动电路技术领域,尤其涉及一种带避免短路保护盲区的IGBT驱动电路。
背景技术
[0002]电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口,是电力电子装置的重要环节,对整个装置的性能有很大的影响。采用性能良好的驱动电路,可使电力电子器件工作在较理想的开关状态,缩短开关时间,减小开关损耗,对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。
[0003]绝缘棚.晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,缩称IGBT)是一种近年来发展迅速,应用广泛的功率器件,在大功率电路中它的作用尤其显著。IGBT的安全工作区和开关特性随驱动电路的改变而变化,因此为了保证主电路正常工作,根据主电路的要求正确选择和设计IGBT的驱动电路是十分重要的。
[0004]驱动电路的基本功能可以归纳如下:I)具有较强的抗干扰能力以保证器件在高频工况下可靠工作;2)实现驱动电路和控制电路的电气隔离;3)具有可靠的保护功能,例如短路保护,过流保护,集电极过压保护等,当发生保护时驱动电路应迅速封锁正向栅压并将器件关断;4)具有短的信号传输延迟时间;5)具有向栅极提供足够的驱动栅电荷以保证器件的开关性能。
[0005]随着大电流高电压IGBT的模块化、集成化,专用驱动芯片因其性能比分立式电路好,对提高可靠性能、简化设计程序和减小电路体积均有益处。目前市面上出售的模块化驱动集成片也有好多种,大部分驱动芯片是应用在中小功率的电力电子电路中,由于其要输出负压保证IGBT完全可靠关断,其供电电压也必须是正负双电源供电,而且驱动集成片最高运行频率也不高。另外对IGBT短路检测是基于退饱和原理,这样必然存在检测的盲区时间,即保护盲区时间,导致IGBT可能在较长时间处于退饱和的状态,这样可能导致IGBT因在一定时间内处于过流状态而没有得到及时的处理而损坏。
[0006]目前已有的IGBT驱动电路具有以下缺陷:
[0007] (I)在驱动保护电路上存在许多不足之处。现在大部分驱动保护产品的驱动保护电路采用的是根据IGBT退饱和原理进行检测,这样的话会产生IGBT保护的检测盲区,从而导致IGBT的处理故障的反应时间变长,使IGBT损毁的概率增大。
[0008] (2)初始上电不稳定。一般的微控制模块其通用I/O引脚为内部上拉或者高阻状态,在上电复位、死机或者受到较强的外界高频辐射时,会导致驱动模块输出冲击电平影响IGBT的开关。
[0009] (3)微控制芯片输出的驱动信号与驱动模块之间无保护。市面上很多驱动电路,都是直接将微控制模块输出的PWM信号输入到驱动模块,首先微控制模块输出的信号供给驱动模块存在驱动能力不足的问题,其次,当不确定因素造成微控制模块输出的PWM信号一直为高则会造成IGBT—直导通直至烧毁IGBT。实用新型内容
[0010]本实用新型要解决的技术问题在于针对现有技术中容易产生保护的检测盲区,且安全性能差的缺陷,提供一种在IGBT发生两种短路方式(IGBT桥臂直通短路和负载短路)时都能有效的保护IGBT,安全性强、可靠性高的带避免短路保护盲区的IGBT驱动电路。
[0011]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0012]本实用新型提供一种带避免短路保护盲区的IGBT驱动电路,包括微控制器M⑶、逻辑与门、可控反相器、电平转换模块、信号隔离模块、驱动模块、有源钳位电路和IGBT晶体管,信号隔离模块包括第一信号隔离器、第二信号隔离器和第三信号隔离器,其中:
[0013]微控制器MCU输出引脚与可控反相器的输入引脚相连,可控反相器的输出引脚与第二信号隔离器的输入端相连,第二信号隔离器的输出端与电平转换模块的输入端相连,电平转换模块的输出端与驱动模块的输入引脚相连;
[0014]逻辑与门的使能引脚与微控制器MCU的I/O引脚相连,逻辑与门的第一输入引脚与第一信号隔离器的输出端相连,第一信号隔离器的输入端与第一二极管的阳极相连,同时通过第一电阻与VCC电源相连,通过第一电容与GND相连,第一二极管的阴极与驱动模块的SO引脚相连,同时通过第二电阻与VDD2电源相连;逻辑与门的第二输入引脚与第三信号隔离器的输出端相连,第三信号隔离器输入端与比较器的输出端相连;驱动模块通过有源钳位电路与IGBT晶体管相连。
[0015]进一步地,本实用新型的IGBT晶体管的寄生电感还连接有电压检测电路,该电压检测电路用于实时检测寄生电感的电压,包括电压检测模块、比较器和第三信号隔离器。
[0016]进一步地,本实用新型的有源钳位电路包括第四稳压二极管、第五稳压二极管,第三二极管、第三电阻、第二电容;
[0017]第五稳压二极管的阳极和驱动模块的G引脚相连,第五稳压二极管的阴极和第四稳压二极管的阳极相连,同时与第三电阻和第二电容的一端相连,稳压二极管D4的阴极与第三电阻、第二电容的另一端相连后和第三二级管的阳极相连,第三二极管的阴极和IGBT晶体管的集电极相连。
[0018]进一步地,本实用新型的驱动模块包括驱动电路和退饱和电压检测电路。
[0019] 进一步地,本实用新型的驱动模块包括多个电阻、P沟道MOSFET和N沟道M0SFET、比较器、三极管、第六二极管和第三电容;其中:
[0020] P沟道MOSFET的源极与电源VCCI相连,N沟道MOSFET的源极和GND相连,P沟道MOSFET和N沟道MOSFET的门极相连后和输入信号INA相连;输入信号与第五电阻的一端相连,第五电阻的另一端和第六电阻的一端与第三电容的一端相连,同时与三极管的基极相连,第六电阻和第三电容的另一端相连后与GND相连;第六二极管的阴极和IGBT晶体管的集电极C相连,第六二极管的阳极和三极管的发射极相连,同时通过第十电阻和电源VCC2相连,三极管的发射极和第七电阻相连,第七电阻的另一端和第八电阻相连,同时与比较器的反相输入端相连,第八电阻的另一端和GND相连;比较器的同向输入端通过第九电阻和IGBT晶体管的E极相连,同时与电源U的正极相连,电源的负极和N沟道MOSFET的源极相连。
[0021]本实用新型产生的有益效果是:本实用新型的带避免短路保护盲区的IGBT驱动电路,相比传统的基于IGBT退饱和原理检测IGBT集射极之间的电压来判定IGBT是否短路的电路,检测精度更高,具有更短的检测盲区时间,对IGBT模块的伤害较小,且集成有过流检测与短路故障检测功能,增强了驱动电路工作的安全稳定性;采用了驱动信号高电平检测电路,避免了微控制器在受到强辐射干扰下发生死机造成输入到驱动模块的PWM信号一直为高电平而直接驱动IGBT导通短路的现象发生,采用了有源钳位电路,避免集电极过压而损坏IGBT;能够在IGBT发生两种短路方式(IGBT桥臂直通短路和负载短路)时,有效的保护IGBT,安全性强、可靠性高。
附图说明
[0022]下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明,附图中:
[0023]图1是本实用新型实施例的带避免短路保护盲区的IGBT驱动电路的电路原理图;
[0024]图2是本实用新型实施例的带避免短路保护盲区的IGBT驱动电路的驱动电路和退饱和电压检测电路原理图;
[0025]图中:Dl-第一二极管,D2-第二二极管,D3-第三二极管,D4-第四稳压二极管,D5-第五稳压二极管,Cl-第一电容,C2-第二电容,C3-第三电容,VT4-P沟道MOSFET,VT5-N沟道MOSFET,Q1-三极管,R1-第一电阻,R2-第二电阻,R3-第三电阻,R4-第四电阻,R5-第五电阻,R6-第六电阻,R7-第七电阻,R8-第八电阻,R9-第九电阻,RlO-第十电阻。
具体实施方式
[0026]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型,并不用于限定本实用新型。
[0027]如图1所示,本实用新型实施例的带避免短路保护盲区的IGBT驱动电路,由带上电保护的驱动电路、短路保护电路、有源钳位电路、栅极过压保护电路等组成。
[0028] 微控制器mj输出引脚P丽I与可控反相器的输入引脚Al相连,可控反相器将微控制器MCU发出的PffM信号翻转成驱动信号NPffM与信号隔离2的输入端A2相连,信号隔离2的输出端Y2与电平转换模块的输入端A3相连,电平转换模块将NPffM信号翻转成DPffM信号且电平和驱动模块匹配,电平转换模块的输出端Y3与驱动模块的输入引脚INA相连;逻辑与门的使能引脚CS与微控制器MCU的I/O引脚相连,逻辑与门的使能由微控制器MCU的I/O引脚输出IGBTEN信号来控制;逻辑与门的A引脚与信号隔离I的输出端A5相连,信号隔离I的输入端Y5与二极管Dl的阳极相连,同时通过电阻Rl与VCC电源相连,通过电容Cl与GND相连,Dl的阴极与驱动模块的SO引脚相连,同时通过电阻R2与VDD2电源相连,IGBT发生短路故障时,驱动模块SO引脚输出低电平信号,二极管Dl导通,Fault2信号被二极管Dl钳位为低电平,通过逻辑与门输出Y6为低电平信号,Y6低电平信号控制可控反相器输出,从而关断P丽信号,同时微控制器M⑶的外部中断引脚XINT2与信号隔离I的输出端A5相连,微控制器MCU检测到Fault2信号为低电平信号时进行故障处理;逻辑与门的B与隔离信号3的输出端A4相连,隔离信号3输入端Y4与比较器的输出端YO相连,当检测到YO输出低电平信号时通过信号隔离3拉低Faultl信号,通过逻辑与门输出Y6为低电平信号,Y6低电平信号控制可控反相器输出,从而关断P丽信号,同时微控制器MCU的外部中断引脚XINTI连接信号隔离3输出端A4,微控制器MCU检测到Faultl信号为低电平信号时进行故障处理。在本例中,可控反相器和逻辑与门为74240系列芯片。逻辑与门和可控反相器的电路是在判定有保护信号时及时关断PWM的输出。
[0029]如图2所示,驱动模块具有短路和过流监测功能。微控制器MCU的外部中断引脚XINT2连接信号隔离的输出端A5,同时连接到逻辑与门的A,信号隔离I的输入端Y5与二极管DI的阳极相连,同时通过Rl电阻与VCC电源相连,通过电容Cl与GND相连,DI的阴极与驱动模块的SO引脚相连,同时通过R2电阻与VDD2电源相连。当发生短路故障和过流故障时,IGBT瞬间电流会激增,驱动模块SO引脚上会输出一个低电平信号,此时二极管Dl导通,Fault2信号由原来上拉到VCC电平的高电平信号被二极管Dl钳位为低电平信号,通过逻辑与门输出一个低电平关断可控反相器的输出,从而达到关断PWM的目的,同时当微控制器MCU的外部中断引脚XINT2检测到该信号后将自动截止PffM信号的输出,并进入中断子程序进行软件故障处理。本例中VCC电平为3.3V、VDD2电平为15V。
[0030]本实用新型的电路具有硬短路发生时的短路保护。本实施例中硬短路检测电路如图1所示,硬短路检测电路实时检测寄生电感的电压(当IGBT发生上下管直通时di/dt将会极大,故在IGBT寄生电感会产生一个几伏的电压),并将检测信号Ul输入到比较器的反向输入端,比较器的同向输入端输入参考电压Uref,此电压值为IGBT短路保护时对应的寄生电感的电压值。比较器的输出YO与信号隔离3的输入引脚Y4相连,一旦IGBT发生硬短路现象,比较器的输出YO将由原来的高电平信号转换成低电平信号,此低电平信号将通过信号隔离3的输出引脚A4拉低Faultl信号,信号隔离输出引脚A4与微控制器MCU的外部中断引脚XINTl相连,同时与逻辑与门的B相连。微控制器MCU的外部中断引脚XINTl实时监测该信号,当发生下降沿跳变时,将产生软件中断,由微控制器MCU的软件进行故障处理程序,同时,当Faultl信号由高电平变为低电平时通过逻辑与门输出Y6为低电平信号,Y6低电平信号控制可控反相器输出,从而关断PWM,本例中参考电压取为4V。
[0031] 有源钳位电路包括稳压二极管D4、D5,二极管D3,电阻R3,电容C2,稳压二极管D5的阳极和驱动模块的G(IGBT的栅极)相连,稳压二极管D5的阴极和二极管D4的阳极相连,并于电阻R3和电容C2的一端相连,稳压二极管D4的阴极和电阻R3、电容C2的另一端相连后和二级管D3的阳极相连,二极管D3的阴极和IGBT的集电极相连;当集电极电压上升到稳压二极管D5设定的阈值时,稳压二极管D5被击穿,IGBT的栅极电压略微上升,使IGBT的集电极电压上升速度变慢,当集电极电压上升到稳压二极管D4,D5设定的电压值时,稳压二极管D4被击穿,将集电极电压钳位在稳压二极管设计的值。
[0032] 驱动模块由驱动电路和退饱和电压检测电路组成包括:电阻R4、R5、R6、R7、R8、R9、P沟道MOSFET VT4和N沟道MOSFET VT5、比较器、三极管Q1、二极管D6、电容C3JT4的漏极与电阻R4的一端相连,VT5的漏极和电阻Rll的一端相连,电阻R4、R5的另一端相连后再与IGBT的G极相连,VT4的源极与电源VCCl相连,VT5的源极和GND相连,VT4和VT5的门极相连后和输入信号INA相连;输入信号与电阻R5的一端相连,R5的另一端和电阻R6的一端与电容C3的一端相连,同时与三极管Ql的基极相连,电阻R6和电容C3的另一端相连后与GND相连;二极管D6的阴极和IGBT的集电极C相连,二极管D6的阳极和三极管Ql的发射极相连,同时通过电阻RlO和电源VCC2相连,三极管Ql的发射极和电阻R7相连,R7的另一端和电阻R8相连,同时与比较器的反相输入端相连,R8的另一端和GND相连;比较器的同向输入端通过电阻R^PIGBT的E极相连,同时与电源U的正极相连,电源的负极和VT5的源极相连。当DP丽信号从输入端INA输入后,就会输出驱动信号,同时在驱动信号为IGBT开通时就会检测IGBT的集电极电压,当集电极电压高于设定的电压值时,就会输出SO低电平信号,表明有电路现象发生。本例中的电源U取为10V,为IGBT关断提供一个负压,VCCl取为25V,这样IGBT的关断电压为-10V,开通电压为15V,VCC2取为15V。
[0033]目前绝大多数的驱动保护电路的短路保护原理都是基于IGBT退饱和原理检测IGBT集射极之间的电压来判定IGBT是否短路,但是这种检测方法会有较长的检测盲区时间。较长的检测盲区时间是为了防止IGBT驱动误检测,但是IGBT在发生硬短路时电流上升极快,IGBT—直工作在退饱和状态,较长的短路检测盲区时间会使IGBT短路工作时间较长,对IGBT模块的伤害极大。本实用新型设计的IGBT短路保护电路,可以有效上述问题。为防止IGBT模块过流甚至是短路现象的发生,本实用新型还集成有过流检测与短路故障检测功能,增强了驱动电路工作的安全稳定性。
[0034]本实用新型既涉及到了驱动电路的短路保护方式,也涉及到了其他保护方式,采用了驱动信号高电平检测电路,避免了微控制器在受到强辐射干扰下发生死机造成输入到驱动模块的PWM信号一直为高电平而直接驱动IGBT导通短路的现象发生,采用了有源钳位电路,避免集电极过压而损坏IGBT。
[0035]本实用新型实施例只展示出了一路PWM信号的驱动电路,在实际应用中可以根据PWM信号的需求数量,增加或减少相应的电路。本实用新型中的微控制器(MCU)可以为PIC系列芯片、DSP系列芯片或者其它各种单片机控制芯片。
[0036] 该驱动电路的检测过程中,微控制器MCU产生HVM信号,并将其发送给可控反相器;可控反相器将接收到的PWM信号翻转成NPWM驱动信号,并将其发送给电平转换模块;电平转换模块将NPffM驱动信号翻转成DPWM信号,并将其发送给驱动模块,该DPmi信号的电平和驱动模块匹配;实时检测IGBT晶体管;若检测到驱动模块输出低电平信号时,该信号被有源钳位电路钳位为低电平,通过逻辑与门输出低电平信号,并控制可控反相器输出,从而关断PWM信号;此时微控制器MCU检测到低电平信号,判断IGBT晶体管发生短路故障,对其进行故障处理;当集电极电压高于由稳压管二极管设定的阈值时,通过有源钳位电路将集电极电压钳位在设定的阈值上。若检测到比较器输出低电平信号时,通过信号隔离拉低信号,通过逻辑与门输出低电平信号,并控制可控反相器输出,从而关断PWM信号;此时微控制器MCU检测到低电平信号,判断IGBT晶体管发生短路故障,对其进行故障处理。当DPffM信号从输入端INA输入后,就会输出驱动信号,同时在驱动信号为IGBT开通时就会检测IGBT的集电极电压,当集电极电压高于设定的电压值时,就会输出SO低电平信号,表明有短路现象发生。
[0037]应当理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种带避免短路保护盲区的IGBT驱动电路,其特征在于,包括微控制器MCU、逻辑与门、可控反相器、电平转换模块、信号隔离模块、驱动模块、有源钳位电路和IGBT晶体管,信号隔离模块包括第一信号隔离器、第二信号隔离器和第三信号隔离器,其中: 微控制器MCU输出引脚与可控反相器的输入引脚相连,可控反相器的输出引脚与第二信号隔离器的输入端相连,第二信号隔离器的输出端与电平转换模块的输入端相连,电平转换模块的输出端与驱动模块的输入引脚相连; 逻辑与门的使能引脚与微控制器MCU的I/O引脚相连,逻辑与门的第一输入引脚与第一信号隔离器的输出端相连,第一信号隔离器的输入端与第一二极管(Dl)的阳极相连,同时通过第一电阻(Rl)与VCC电源相连,通过第一电容(Cl)与GND相连,第一二极管(Dl)的阴极与驱动模块的SO引脚相连,同时通过第二电阻(R2)与VDD2电源相连;逻辑与门的第二输入引脚与第三信号隔离器的输出端相连,第三信号隔离器输入端与比较器的输出端相连;驱动模块通过有源钳位电路与IGBT晶体管相连。
2.根据权利要求1所述的带避免短路保护盲区的IGBT驱动电路,其特征在于,IGBT晶体管的寄生电感还连接有电压检测电路,该电压检测电路用于实时检测寄生电感的电压,包括电压检测模块、比较器和第三信号隔离器。
3.根据权利要求1所述的带避免短路保护盲区的IGBT驱动电路,其特征在于,有源钳位电路包括第四稳压二极管(D4)、第五稳压二极管(D5),第三二极管(D3)、第三电阻(R3)、第二电容(C2); 第五稳压二极管(D5)的阳极和驱动模块的G引脚相连,第五稳压二极管(D5)的阴极和第四稳压二极管(D4)的阳极相连,同时与第三电阻(R3)和第二电容(C2)的一端相连,稳压二极管(D4)的阴极与第三电阻(R3)、第二电容(C2)的另一端相连后和第三二级管(D3)的阳极相连,第三二极管(D3)的阴极和IGBT晶体管的集电极相连。
4.根据权利要求1所述的带避免短路保护盲区的IGBT驱动电路,其特征在于,驱动模块包括驱动电路和退饱和电压检测电路。
5.根据权利要求4所述的带避免短路保护盲区的IGBT驱动电路,其特征在于,驱动模块包括多个电阻、P沟道M0SFET(VT4)和N沟道M0SFET(VT5)、比较器、三极管(Q1)、第六二极管(D6)和第三电容(C3);其中: P沟道M0SFET(VT4)的源极与电源VCCl相连,N沟道M0SFET(VT5)的源极和GND相连,P沟道MOSFET (VT4)和N沟道MOSFET (VT5)的门极相连后和输入信号INA相连;输入信号与第五电阻(R5)的一端相连,第五电阻(R5)的另一端和第六电阻(R6)的一端与第三电容(C3)的一端相连,同时与三极管(Ql)的基极相连,第六电阻(R6)和第三电容(C3)的另一端相连后与GND相连;第六二极管(D6)的阴极和IGBT晶体管的集电极C相连,第六二极管(D6)的阳极和三极管(Ql)的发射极相连,同时通过第十电阻(RlO)和电源VCC2相连,三极管(Ql)的发射极和第七电阻(R7)相连,第七电阻(R7)的另一端和第八电阻(R8)相连,同时与比较器的反相输入端相连,第八电阻(R8)的另一端和GND相连;比较器的同向输入端通过第九电阻(R9)和IGBT晶体管的E极相连,同时与电源U的正极相连,电源的负极和N沟道MOSFET (VT5)的源极相连。
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