专利名称：一种igbt驱动电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及IGBT控制技术领域，尤其涉及IGBT驱动保护模块
背景技术：
IGBT (绝缘栅双极晶体管)作为一种既有功率MOSFET的高速交换功能，又有双极 型晶体管的处理高电压、大电流的能力的新型元件，其应用也来越广泛。而驱动电路的设计决定着能否正常的元件的性能。此外，IGBT模块可能由于过电 压、过电流等异常情况而受损。IGBT的门极驱动电路影响IGBT器件的通态压降、开关时间、 开关损耗、承受短路电流能力等参数，决定了 IGBT器件的静态与动态特性。所以，IGBT保 护电路的合理设计也至关重要。目前现有的IGBT驱动电路多数基于驱动芯片EXB841，EX841高速驱动保护模块 为15脚单列直插式结构，是一种典型的适用于300A以下的IGBT的专用驱动芯片，采用高 隔离电压光耦合器作为信号隔离，具有单电源、正负偏压、过流检测、保护、软关断等主要特 性。工作电源为独立电源20 士 IV，内部含有稳压电路，为ICBT的栅极提供+15V的驱动电 压，关断时提供-5V的偏置电压，使其可靠关断。当脚15和脚14有IOmA电流通过时，脚3 输出高电平而使IGBT在1 μ s内导通；而当脚15和脚14无电流通过时，脚3输出低电平使 IGBT关断；若ICBT导通时因承受短路电流而退出饱和，Vce迅速上升，脚6悬空，脚3电位 在短路后约3. 5 μ s后才开始软关断。然而，传统的ΕΧΒ841驱动模块存在一些缺点首先，ΕΧΒ841过流保护阀值过高， Vce大于7V时触发动作，IGBT在正常导通时集射压降为3V，当Vce = 7. 5V时，IGBT已经严 重过流，即使此时关断IGBT，也极有可能使IGBT损坏。同时，由于此时ΕΧΒ841内部没有锁 定输入信号的功能，因此，过流还会进一步损坏ΕΧΒ841 ；其次，ΕΧΒ841在实现正常关断时仅 能提供-5V偏压，在开关频率较高、负载过大时，关断过程不可靠；再次，ΕΧΒ841无过流保护 自锁功能，在短路保护时其栅压的软关断过程可能被输入的关断信号所打断。现有的改进措施仍然存在几点不足1. 一些设计并不能从根本上解决EXB841驱 动模块的以上几个缺点；2. —些设计虽然能够在一定程度上较好的克服EXB841驱动模块 的固有的缺点，但电路的连接过于复杂，制作的成本过高，导致在实际应用环节缺乏可行 性，也不能很好的解决实际问题。实用新型的内容本实用新型采用基于EXB841驱动芯片的驱动保护电路作为IGBT的驱动保护模 块，不仅能够有效地控制IGBT器件的开启和关断、实现对IGBT器件和EXB841驱动芯片的 保护，同时，通过对驱动保护模块电路的改进，也能较好的克服EXB841芯片的上述几个缺 点，而且电路设计简单，成本低廉，易于维护。本实用新型是通过以下措施实现的本实用新型的一种IGBT驱动电路，所述驱动电路由用于供电的电源模块和用于 驱动IGBT的驱动保护模块组成，电源模块包括UC3845芯片，驱动保护模块包括EXB841芯片，所述电源模块设置有+20V和+12V的直流电压输出端，所述+20V和+12V的直流电压输 出端连接驱动保护模块的电压输入端。上述EXB841芯片U2的1脚通过电解电容C14接地，EXB841芯片U2的2脚通过电 解电容C15接地，EXB841芯片U2的6脚接二极管V9的正极，二极管V9的负极与IGBT的 集电极相连接。上述EXB841芯片U2的同相输入端15脚接发光二极管V8的负极，发光二极管V8 的正极通过电阻R21接+12V电压输入端。上述EXB841芯片U2的驱动信号输出端通过电阻R17与IGBT的栅极相连接。本实用新型具有的优点和效果是本实用新型设计的驱动电路有较强的动态驱动能力，能为IGBT器件栅极提供具 有陡峭前后沿的驱动脉冲，同时向IGBT器件提供适当的正向栅压和反向栅压。做到了信 号输入回路与信号输出回路的有效隔离，提高了电路正常工作时的安全性。采用的元器件 速度快，稳定性高，输入输出信号传输无延时，能达到较高的应用要求。在出现短路、过流等 意外情况时，能够发出保护信号，控制驱动保护模块对IGBT器件和相关电路进行保护，在 保护过程中，能在IGBT器件允许时间内通过逐渐降低栅压自动抑制故障电流，实现IGBT器 件的软关断。另外，整个电路简洁明了，元器件价格低廉，易于维护，十分适合于实际应用领 域。
图1为本实用新型实施例中IGBT驱动电路结构框图图2为本实用新型实施例中基于UC3845的开关电源模块的工作电路原理图图3为本实用新型实施例中基于EXB841的驱动保护模块的工作电路原理图
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型做进一步说明本实用新型实施例中的各模块连接关系如附图1所示，整个设计包括EXB841驱动 保护模块，UC3845电流模式控制模块和IGBT模块，UC3845电流模式控制模块为EXB841驱 动电路模块提供两路电源，分别是+20V和+12V，EXB841驱动保护模块为IGBT器件提供驱 动信号。正常情况下，当EXB841芯片U2信号输入端14脚和15脚有电流流过时，EXB841芯 片U2的3脚向IGBT器件提供驱动信号，使IGBT器件导通；当控制电路使EXB841芯片U2 信号输入端14脚和15脚无电流流过，EXB841芯片U2的脚3电位能够迅速下降至OV(相 对于EXB841芯片U2脚1低5V)，使IGBT器件可靠关断。当发生过流现象时，EXB841芯片 U2阻止输入信号的输入，同时使EXB841芯片U2的脚3电位逐步下降，缓慢关断IGBT器件， 实现对IGBT器件和EXB841芯片的保护。本实用新型实施例中的基于UC3845的开关电源模块的工作电路如附图2所示， UC3845控制模块中包含UC3845芯片Ul 一片，稳压管7812，三极管Ql，肖特基二极管V2，二 极管VI、二极管V4、二极管V5、二极管V6、二极管V7，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电 阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、 电阻R15、电阻R16，电容Cl、电容C2、电容C3、电解电容C4、电容C5、电容C6、电解电容C7、
4电容C8、电容C9、电解电容C10、电容C11、电解电容C12、电解电容C13。其中UC3845芯片 Ul的1脚与电阻R2的一端相连接，电阻R2的另一端通过电阻Rl接地，电容Cl与电阻R2 并联；UC3845芯片Ul的2脚通过电阻Rl接地；UC3845芯片Ul的3脚通过电容C6接地，同 时接电阻R9的一端，电阻R9的另一端通过电容C9接地，同时接电阻R12的一端，电阻R12 的另一端通过电阻R14接地；UC3845芯片Ul的4脚通过电容C3接地，与UC3845芯片Ul的 8脚之间通过电阻R3相连接；UC3845芯片Ul的5脚接地；UC3845芯片Ul的8脚通过电容 C2接地；电源输入回路中，输入电流通过二极管Vl流入回路，二极管Vl的负极接电阻R5的 一端，电阻R5的另一端通过R6与UC3845芯片Ul的7脚相连接，同时从开关变压器Tl上 的4端接入绕组，绕组的另一端3端接二极管V4的正极与三极管Ql的源极，二极管V4的 负极接电阻R13，电容C8并联在电阻R13两端，另外，肖特基二极管V2的正极接地，负极与 UC3845芯片Ul的7脚相连接，UC3845芯片Ul的7脚通过电容C4接地，三极管Ql的栅极 通过电阻R8与UC3845芯片Ul的6脚相连接，三极管Ql的漏极通过电阻R14接地；反馈回 路中，反馈绕组在开关变压器Tl上的2端与二极管V7的正极相连接，二极管V7的负极通 过电阻R4与UC3845芯片Ul的2脚相连接，二极管V7的负极通过电阻R16接地，电容C13 与电阻R16并联；电压输出回路中，开关变压器Tl上的8端二极管V6的正极，二极管V6的 负极为+20伏电压输出端，二极管V6的负极通过电阻R15接地，电容C12与电阻R15并联， 开关变压器Tl上的6端接二极管V5的正极，二极管V5的负极接稳压管7812的1脚(正 极输入端)，稳压管7812的2脚接地，稳压管7812的3脚(正极输出端)为+20伏电压输 出端，稳压管7812的1脚通过电阻Rll与稳压管7812的3脚相连接，稳压管7812的3脚 通过电容C7与稳压管7812的2脚相连接，稳压管7812的2脚通过电容ClO与稳压管7812 的1脚相连接。电压输出回路为驱动电路提供稳定的+20伏和+12伏电压。如附图2所示，输入电压经由二极管VI，电阻R5和电阻R6组成的整流滤波电路变 为直流电压，该电压经电阻R5、电阻R6对电容C4充电，使电容C4两端的电压逐渐上升，当 UC3845芯片Ul的7脚(VCC端)达到导通门限电压(16V)后，UC3845芯片Ul开始工作。 开关变压器Tl的反馈绕组两端电压经二极管V7和电容C13整流滤波及电阻R16、电阻Rl 分压后，从2脚送入UC3845芯片Ul的误差放大器反相输入端，反馈电压与基准电压经误差 放大器比较放大后，调整UC3845芯片Ul的输出脉冲的宽度，从而稳定输出电压。电流反馈回路由电流取样电阻R14和电阻R9、电阻R12、电容C6和电容C9组成 的滤波电路组成。电阻R14两端的取样电压经3脚加到UC3845芯片Ul内的电流比较器 的一个输入端，与另一端的误差电压进行比较，当该电压等于误差电压(最大值为IV)时， UC3845芯片Ul的输出脉冲被中断，从而实现限流保护。该电源采用直接驱动电路，电阻R8的作用是限制峰值驱动电流，电阻R2、电容Cl 组成误差放大器的补偿网络，电阻R3、电容C2和电容C3确定振荡频率和死区时间，电阻 R13、电容C8、二极管V4及电阻R11、电容C7、电容C10、二极管V5和7812组成浪涌吸收电 路以保护开关管。另外，在UC3845芯片Ul的6脚对地之间通过电阻R7、电容C4和电容C5 接一个肖特基二极管V2，以防止输出端电压低于地电位。开关电源在UC3845芯片Ul输出 驱动脉冲的作用下，开关管交替导通与关断，开关变压器的次级可得到交流电压。该电压经 整流滤波后，可获得稳定的直流输出电压。本实用新型实施例中的驱动保护模块EXB841的工作电路如图3所示，EXB841驱动芯片及其相关外部连接元件模块包含EXB841芯片U2，光耦合器U3(6W37)，电解电容C14、 电解电容C15，二极管V9，发光二极管V8，发光二极管V10，三极管Q2，电阻R18、电阻R19、电 阻R20、电阻R21、电阻R22和电阻R23。其中EXB841芯片U2的15脚(同相驱动信号输入 端)接发光二极管V8的负极，发光二极管的正极通过电阻R12与+12伏直流电压源相连接； EXB841芯片U2的14脚(反相驱动信号输入端)与三极管Q2的集电极(C极)相连接，三 极管Q2的发射极(E极)通过电阻R20与地连接，输入驱动信号通过电阻R19与三极管Q2 的基极(B极)相连接，三极管Q2的发射极同时与光耦合器U3(6W37)的内部三极管的发射 极相连接，光耦合器U3(6W37)的内部三极管的集电极通过电阻R22与+12伏直流电压源 相连接；EXB841芯片U2的10脚、11脚悬空；EXB841芯片U2的9脚接地；EXB841芯片U2 的7、8脚悬空；EXB841芯片U2的6脚通过电阻R18接地，同时6脚(集电极电压检测端) 接二极管V9的正极，二极管V9的负极与IGBT器件的集电极(C极)相连接；EXB841芯片 似的5脚(过流保护输出端)与光耦合器U3(6W37)的内部的发光二极管负极相连接，光 耦合器U3(6W37)的内部的发光二极管的正极与二极管VlO的负极相连接，二极管VlO的 正极通过电阻R23与+20伏直流电压源相连接；EXB841芯片U2的4脚悬空；EXB841芯片 U2的3脚(驱动输出端)通过电阻R17与IGBT的栅极(G极)相连接；EXB841芯片U2的 2脚与电解电容C15的正极相连接，电解电容C15的负极接地；EXB841芯片U2的1脚与电 解电容C14的正极相连接，电解电容C14的负极接地，1脚同时也与IGBT器件的发射极(E 极)相连接。驱动芯片EXB841 U2的1脚和2脚分别通过电容接地，达到滤除高频噪声的目的； 信号正输入端(驱动芯片EXB841的15脚)经过电阻R21直接和电源相连，这样可以有效的 提高EXB841输入光耦合器的导通电流；当驱动芯片EXB841的3脚输出驱动信号的同时，驱 动芯片EXB841通过快速恢复二极管检测IGBT的集电极-发射极间的电压(Vce)。当Vce 大于7V时，过流保护电流控制芯片内置运算放大器，使其输出软关断信号，在10 μ s内将驱 动芯片ΕΧΒ841的3脚输出电平降为0。为了保证IGBT在发生过流时ΕΧΒ841的6脚能及时 检测到过流信号，采用降低Vce的阈值的方法，在快速恢复二极管后面再串接相同规格的 快速恢复二极管，个数根据保护阈值而定，保证在IGBT轻度过流时，能够有效的关断。如附图3所示，DRIVER_IN为驱动芯片EXB841芯片U2的外部输入信号，是来自于 主控板的弱电信号；三极管Q2的集电极(C极)接驱动芯片EXB841芯片U2的信号负输入端 (14脚)，信号正输入端(15脚)经过限流电阻R21直接和电源相连，这样可以有效的提高 EXB841芯片U2输入光耦合器U3(6M37)的导通电流，其中二极管V8用于指示输入信号。正常情况下，EXB841芯片U2的5脚保持高电平，光耦合器U3 (6N137)截止，从而 使光耦合器U3(6W37)内部的三极管也截止，光耦合器U3(6W37)内部三极管发射极与三 极管Q2的发射极相连，使三极管Q2的发射极为低电平，使EXB841芯片U2的输入信号通 过R19正常进入内部，完成IGBT导通过程，其中光耦合器U3 (6N137)实现了强弱电的隔离， 保护了元器件的安全。当发生过流现象时，光耦合器U3(6W37)内部二极管导通，使得光耦合器 U3(6N137)内部三极管导通，三极管Q2的发射极变为高电平，阻止了三极管Q2基极信号的 输入，在EXB841芯片U2内部没有信号流动，从而关断了 IGBT器件，有效保护EXB841和IGBT 器件的安全，图中二极管VlO用于指示过流现象的发生。当过流现象消除后，EXB841的输入信号会被自动解锁，继续驱动IGBT器件工作。图中的Q3是用于实现大电流开关的IGBT 器件。本实用新型的设计原理为以UC3845芯片为核心的开关电源模块输出+20伏和+12伏的直流电压，提供给驱 动保护模块，同时也为电路其他部分提供电压源。在以驱动芯片EXB841为核心的驱动保护 模块中，驱动芯片EXB841的1脚和2脚分别通过电容接地，达到滤除高频噪声的目的；信号 正输入端(驱动芯片EXB841的15脚)经过限流电阻直接和电源相连，这样可以有效的提 高EXB841输入光耦合器的导通电流；当驱动芯片EXB841的3脚输出驱动信号的同时，驱动 芯片EXB841通过快速恢复二极管检测IGBT的集电极-发射极间的电压(Vce)。当Vce大 于7V时，过流保护电流控制芯片内置运算放大器，使其输出软关断信号，在10 μ s内将驱动 芯片ΕΧΒ841的3脚输出电平降为0。为了保证IGBT在发生过流时ΕΧΒ841的6脚能及时 检测到过流信号，采用降低Vce的阈值的方法，在快速恢复二极管后面再串接相同规格的 快速恢复二极管，个数根据保护阈值而定，保证在IGBT轻度过流时，能够有效的关断。正常 情况下，当ΕΧΒ841芯片信号输入端14脚和15脚有电流流过时，ΕΧΒ841芯片的3脚向IGBT 器件提供驱动信号，使IGBT器件导通；当控制电路使ΕΧΒ841芯片信号输入端14脚和15脚 无电流流过，ΕΧΒ841的脚3电位能够迅速下降至0V，使IGBT器件可靠关断。当发生过流 现象时，ΕΧΒ841芯片通过外部保护电路作用，阻止输入信号的输入ΕΧΒ841芯片的反向输入 端，在ΕΧΒ841内部没有信号流动，使ΕΧΒ841的驱动信号输出端3脚电位逐步下降，缓慢关 断IGBT器件，实现对IGBT器件和ΕΧΒ841芯片的保护。
权利要求1.一种IGBT驱动电路，其特征是所述驱动电路由用于供电的电源模块和用于驱动 IGBT的驱动保护模块组成，电源模块包括UC3845芯片，驱动保护模块包括EXB841芯片，所 述电源模块设置有+20V和+12V的直流电压输出端，所述+20V和+12V的直流电压输出端 连接驱动保护模块的电压输入端。
2.根据权利要求1所述的IGBT驱动保护电路，其特征是所述EXB841芯片U2的1脚 通过电解电容C14接地，EXB841芯片U2的2脚通过电解电容C15接地，EXB841芯片U2的 6脚接二极管V9的正极，二极管V9的负极与IGBT的集电极相连接。
3.根据权利要求1所述的一种IGBT驱动保护电路，其特征是所述EXB841芯片U2的 同相输入端15脚接发光二极管V8的负极，发光二极管V8的正极通过电阻R21接+12V电 压输入端。
4.根据权利要求1所述的一种IGBT驱动保护电路，其特征是所述EXB841芯片U2的 驱动信号输出端通过电阻R17与IGBT的栅极相连接。
专利摘要本实用新型涉及一种IGBT驱动电路，整个设计主要包括基于UC3845的开关电源模块和基于EXB841芯片的驱动模块。以UC3845芯片为核心的开关电源模块输出+20伏和+12伏的直流电压，提供给驱动模块，同时也为电路其它部分提供电源。正常情况下，当EXB841信号输入端14引脚和15引脚有电流流过时，EXB841的3引脚向IGBT提供驱动信号，使IGBT导通；当控制电路使EXB841芯片信号输入端14引脚和15引脚无电流流过时，EXB841的3引脚电位能够迅速下降至关断电位(相对于EXB841的1引脚低5V)，使IGBT可靠关断。当发生过流现象时，EXB841阻止输入信号的输入，同时使EXB841的3引脚电位逐步下降，缓慢关断IGBT，实现对IGBT的保护。
文档编号H02H7/20GK201898324SQ20102057773
公开日2011年7月13日 申请日期2010年10月14日 优先权日2010年10月14日
发明者展鑫, 王立华 申请人:山东科技大学