专利名称：一种igbt驱动电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及电源控制技术领域，尤其涉及一种IGBT驱动电路。
背景技术：
众所周知，IGBTansulatedGate Bipolar ^Transistor，绝缘栅双极型晶体管)在运行过程中会有导通损耗和开关损耗发生，这些功耗通常表现为热，必须采用散热器将这些热量从功率器件传导到外部环境，如果散热器设计不当，则这些功率器件将因过热而可能导致损坏，所以在许多应用中，IGBT的最大可输出功率往往受到热设计的限制。通常，IGBT的总平均损耗PT=Psat+Psw，其中I3Sat为IGBT的通态损耗，Psw为IGBT 的开关损耗。因此，减少IGBT损耗的办法是降低IGBT通态损耗或者开关损耗，而通态损耗一般由IGBT自身的饱和压降Vce和流过其Ic电流决定，我们可以选择较小饱和压降的IGBT 来降低通态损耗，但较小的饱和压降的IGBT的抗短路电流能力却很弱。另一方面，因此可尝试降低IGBT的开关损耗。而IGBT的驱动电阻Rg就是影响 IGBT开关损耗的重要因素之一，Rg越小，IGBT栅极电容放电越快，开关时间越快，开关损耗就越低；相反，Rg越大，开关时间就越慢，开关损耗就越大。然而，在另一方面，Rg较小时，IGBT开通和关断时的di/dt (电流变化量)和dv/ dt (电压变化量)变大，影响IGBT的可靠工作，严重时可引起IGBT误导通。加大Rg会增加开关损耗，但却可以降低开关时的dv/dt和di/dt。目前应用中，大多数采用的是折中的办法进行改善，即采用不同的开通电阻Ron和关断电阻Roff来实现降低开关损耗和抑制dv/ dt。如图1所示，采用不同的Rgl和Rg2作为开通电阻和关断电阻实现不同的开通时间和关断时间，因IGBT的特性往往是开通时间小于关断时间，所以一般Rgl会大于Rg2，从而增加开通时间，减小关断时间，防止IGBT上下共同导通，Rg2的减小就会降小关断时间， 所以关断损耗会相应降低。但这种电路中，Rg2不能太小，否则IGBT关断时的dv/dt会很高，必须借助于外部的多种吸收电路方能完成过电压的抑制，不够方便。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种能够快速实现IGBT快速关断，并且抑制 IGBT的电压变化量过大的IGBT驱动电路。一种IGBT驱动电路，包括开通电阻、关断电阻和开关输入电路，其中，所述关断电阻的电阻值小于所述开通电阻的阻值；所述开关输入电路通过所述开通电阻连接至 IGBT的栅极；所述关断电阻一端连接至IGBT的栅极。所述IGBT驱动电路还包括互相连接的过电压检测电路和快速关断控制电路；所述过电压检测电路连接所述IGBT的集电极，检测所述IGBT的集电极电压；所述快速关断控制电路连接所述关断电阻的另一端。当所述开关输入电路输入导通电平时，所述快速关断控制电路控制所述关断电阻的另一端断开连接；当所述开关输入电路输入关断电平时，所述快速关断控制电路控制所述关断电阻的另一端接地；当所述过电压检测电路检测的所述IGBT的集电极电压高于预设值时，所述快速关断控制电路控制所述关断电阻的另一端断开连接。一种IGBT驱动电路，包括开通电阻、关断电阻和开关输入电路，其中，所述关断电阻的电阻值小于所述开通电阻的阻值；所述开关输入电路通过所述开通电阻连接至 IGBT的栅极；所述关断电阻一端连接至IGBT的栅极。所述IGBT驱动电路还包括互相连接的过电压检测电路和快速关断控制电路；所述过电压检测电路连接所述IGBT的集电极，检测所述IGBT的集电极电压；所述快速关断控制电路连接所述关断电阻的另一端。所述快速关断控制电路包括NPN三极管和N型场效晶体管、第一电阻、第二电阻、第一二极管和第二二极管；所述NPN三极管的基极依次通过所述第一二极管的阴极、阳极、第一电阻和所述开通电阻连接所述IGBT的栅极，所述NPN三极管的发射极接地，其集电极依次通过所述第二二极管的阳极、阴极连接所述N型场效晶体管的栅极；所述第二二极管的阳极通过第二电阻连接电源；所述N型场效晶体管的漏极通过所述关断电阻连接所述IGBT的栅极，所述 N型场效晶体管的源极接地。所述过电压检测电路包括比较器、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第三二极管。所述比较器的反相端连接基准电压，所述比较器的同相端通过第三电阻连接所述IGBT的集电极，并通过第四电阻接地，所述比较器的输出端依次通过所述第三二极管的阳极、阴极连接至所述NPN三极管的基极；所述第三二极管的阳极通过第五电阻连接电源。与现有技术相比较，本发明的IGBT驱动电路中，通过所述快速关断控制电路控制所述关断电阻的另一端接地或者断开连接，在所述开关输入电路输入导通电平时，断开所述关断电阻的连接，IGBT正常接收导通电平，正常导通。在所述开关输入电路输入关断电平时，所述快速关断控制电路将所述关断电阻接地，使所述IGBT的栅极能够通过电阻值较小的所述关断电阻放电，从而使IGBT快速关断。在IGBT快速关断使其集电极电压升高时， 所述过电压检测电路检测所述集电极电压，在所述IGBT的集电极电压超过预定值时，所述快速关断控制电路断开所述关断电阻的连接，从而使所述IGBT的栅极转为通过电阻值较大的所述开通电阻放电，降低放电和关断速度，从而降低IGBT的电压变化量，抑制IGBT的集电极电压过高。因此无需或者减少通过外部的吸收电路来完成过电压的抑制，非常方便。
图1是现有技术的通用IGBT驱动电路的电路结构示意图。图2是本发明IGBT驱动电路第一种实施方式的结构示意图。图3是本发明IGBT驱动电路第二种实施方式的结构示意图。图4是本发明IGBT驱动电路第三种实施方式的结构示意图。
具体实施例方式请参阅图2，图2是本发明IGBT驱动电路第一种实施方式的结构示意图。本发明的IGBT驱动电路，包括开通电阻Rgl、关断电阻Rg2和开关输入电路10， 所述开关输入电路10可以是一条导线或一个接口，用于输入开关IGBT栅极的开关电压信号。所述开关输入电路10通过所述开通电阻Rgl连接至IGBT的栅极；所述关断电阻 Rg2 一端连接至IGBT的栅极。本发明的IGBT驱动电路还包括互相连接的过电压检测电路11和快速关断控制电路12 ；所述过电压检测电路11连接所述IGBT的集电极，检测所述 IGBT的集电极电压；所述快速关断控制电路12连接所述关断电阻Rg2的另一端，控制所述关断电阻Rg2的另一端接地或者断开连接。当所述开关输入电路10输入导通电平时，所述快速关断控制电路12控制所述关断电阻Rg2的另一端断开连接；当所述开关输入电路输入关断电平时，所述快速关断控制电路12控制所述关断电阻Rg2的另一端接地；当所述过电压检测电路11检测的所述IGBT的集电极电压高于预设值时，所述快速关断控制电路12控制所述关断电阻Rg2的另一端断开连接。在本实施方式中，所述开关输入电路为由两个三极管Ql、Q2连接组成的推挽放大电路，所述两个三极管Ql、Q2的基极互相连接作为所述推挽放大电路的输入端，输入PWM开关脉冲，所述两个三极管Ql、Q2的发射极互相连接作为所述推挽放大电路的输出端，通过所述开通电阻连接IGBT的栅极，对所述IGBT的栅极输入导通电平或者关断电平，控制所述 IGBT导通或者关断。在图2中，并联在所述IGBT栅极和漏极之间的电阻Rge、电容Cge以及对接的两个稳压管，起到滤除噪声信号、防止误导通的作用，为现有技术中的常用设置。其中，所述关断电阻Rg2的电阻值小于所述开通电阻Rgl的阻值。优选地，所述关断电阻Rg2的电阻值远远小于所述开通电阻Rgl的阻值，或者所述关断电阻Rg2采用一根导线去实现，令其电阻值接近为0。通过所述快速关断控制电路12控制所述关断电阻Rg2的另一端接地或者断开连接，在所述开关输入电路10输入导通电平时，断开所述关断电阻Rg2的连接，IGBT正常接收导通电平，正常导通。在所述开关输入电路10输入关断电平时，所述快速关断控制电路 12将所述关断电阻Rg2接地，使所述IGBT的栅极能够通过电阻值较少的所述关断电阻Rg2 放电，从而使IGBT快速关断。在IGBT快速关断使其集电极电压升高时，所述过电压检测电路11检测所述集电极电压，在所述IGBT的集电极电压超过预定值时，所述快速关断控制电路12断开所述关断电阻Rg2的连接，从而使所述IGBT的栅极转为通过电阻值较大的所述开通电阻Rgl放电，降低放电和关断速度，从而降低IGBT的电压变化量，抑制IGBT的集电极电压过高。因此无需或者减少通过外部的吸收电路来完成过电压的抑制，非常方便。请参阅图3，图3是本发明IGBT驱动电路第二实施方式的结构示意图。本实施方式与第一实施方式的区别在于所述IGBT驱动电路中，所述快速关断控制电路12包括NPN三极管Q3和N型场效晶体管Q5、第一电阻Rl、第二电阻R2、第一二极管Dl和第二二极管D2。所述NPN三极管Q3的基极依次通过所述第一二极管Dl的阴极、阳极、第一电阻Rl和所述开通电阻Rgl连接所述IGBT的栅极，所述NPN三极管Q3的发射极接地，其集电极依次通过所述第二二极管D2的阳极、阴极连接所述N型场效晶体管Q5的栅极；所述第二二极管D2的阳极通过第二电阻R2连接电源VCC。所述N型场效晶体管Q5的漏极通过所述关断电阻Rg2连接所述IGBT的栅极，所述N型场效晶体管Q5的源极接地。所述过电压检测电路11包括比较器U1、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5 和第三二极管D3，所述比较器Ul的反相端2连接基准电压，所述比较器Ul的同相端3通过第三电阻R3连接所述IGBT的集电极，并通过第四电阻R4接地，所述比较器Ul的输出端1依次通过所述第三二极管D3的阳极、阴极连接至所述NPN三极管Q3的基极；所述第三二极管D3的阳极通过第五电阻R5连接电源。本发明IGBT驱动电路的工作原理如下
当三极管Ql输出高电平时，通过第一电阻R1、第一二极管Dl的分压，使得NPN三极管 Q3导通，第二二极管D2截止，N型场效晶体管Q5截止，IGBT正常开通，Vce的电压很低，比较器Ul的同相端由第三电阻R3、第四电阻R4之间的电压低于反相端的基准电压，比较器 Ul输出低电平，第三三极管D3截止。当三极管Q2导通时输出低电平，IGBT开始执行关断，因第一二极管Dl截止，NPN 三极管Q3截止，电源VCC通过第二电阻R2、第二二极管D2使得N型场效晶体管Q5导通，选择合适的关断电阻Rg2，使得Rg2的电阻值远远小于开通电阻Rgl的电阻值，则IGBT关断时优先通过关断电阻Rg2放电，执行关断，因关断电阻Rg2较小，甚至选择为零电阻，IGBT关断速度非常快，实现快速关断。同时，由于IGBT关断速度非常快，导致IGBT的集电极dv/dt较高，当集电极电压升高至一定值时，比较器Ul同相端的电压高于反相端的电压时，比较器Ul输出高电平，通过第三三极管D3使得NPN三极管Q3导通，N型场效晶体管Q5截止，IGBT的栅极开始转由开通电阻Rgl放电，执行关断，因Rgl远大于Rg2，所以关断速度会下降，从而限制了 dv/dt 的上升率，限制IGBT的集电极电压在设计范围之内，实现IGBT的过电压保护，同时也降低了关断损耗。通过改变R3、R4的阻值，即可实现不同dv/dt电压值的抑制。在正常关断之后，Vce的电压值被稳定在BUS电压值，此值是低于IGBT关断过程产生的dv/dt的值，所以正常关断之后，比较器Ul输出仍然为低电平。即使在正常关断之后，即IGBT的Vge为低电平时，比较器Ul因为某种原因输出了高电平，使得NPN三极管Q3 导通了，但NPN三极管Q3的导通将使得N型场效晶体管Q5截止，通过关断电阻Rg2的放电回路仍然是阻断的，不起任何作用。请参阅图4，图4是本发明IGBT驱动电路第三实施方式的结构示意图。本实施方式与第二实施方式的IGBT驱动电路基本相同，区别在于在本实施方式的IGBT驱动电路中，所述第三电阻由多个互相串联的分压电阻组成，如图4中的R9、R10、 Rll和R12。通过多个电阻串联来实现分压，以防止出现电阻的电蚀效应使单个电阻的电阻值出现较大的偏差，当采用氧化膜电阻时，可以适当减少电阻个数。如果采用密封胶封装电路，则分压电阻RIO、Rll和R12也可以不封装在电路里，这样就可以灵活调整电阻值，实现不同的过电压检测点。本实施方式与第二实施方式的区别还在于，在本实施方式的IGBT驱动电路中，所述快速关断控制电路12进一步包括第六电阻R6和第七电阻R7，所述第六电阻R6连接在所述NPN三极管Q3的基极和发射机之间，所述第七电阻R7连接在所述N型场效晶体管Q5 的栅极和源极之间。进一步地，所述快速关断控制电路12进一步包括第一电容Cl和第二电容C2，所述第一电容Cl连接在所述NPN三极管Q3的基极和发射机之间，所述第二电容C2连接在所述N型场效晶体管Q5的栅极和源极之间。进一步地，所述过电压检测电路11进一步包括第三电容C3，所述第三电容C3与所述第四电阻R4并联。
所述第六电阻R6和第七电阻R7是为保证所述NPN三极管Q3和所述N型场效晶体管Q5在输入低电压信号的情况下，输入信号强制为地电平，防止误导通，因此在实际布置电路时可以不设置。而所述第一电容Cl、第二电容C2和第三电容C3是杂讯信号旁路电容，起滤除噪声信号的作用，防止检测电压的噪声干扰影响检测和防止误导通，保证电路的可靠运行，在实际布置电路时也可以不设置。本实施方式与第二实施方式的区别还在于，在本实施方式的IGBT驱动电路中，所述过电压检测电路11进一步包括稳压管DZ1、第四电容C4和第八电阻R8。所述稳压管 DZl的阴极通过所述连接第八电阻R8连接电源，所述稳压管DZl的阳极接地，所述第四电容 C4与所述稳压管DZl并联，所述比较器Ul的反相端连接至所述稳压管DZl的阴极，以所述稳压管DZl的阴极的电压为所述基准电压。以下结合具体的实例，对本发明的IGBT驱动电路进一步说明
在本实例中，VCC=15V，VEE=_5V，R1=4. 7K Ω , R2=100 Ω , R4=12K Ω , R5=5. 1ΚΩ，R6=1KQ， R7=5. IK Ω , R8=2K Ω , R9、RIO、Rll、R12 都等于 240ΚΩ。Rgl 远大于 Rg2。当Ql输出P丽高电平时，RU DU R6的分压为2. 5V，Q3导通，D3截止，Q5导通， IGBT正常开通不受任何影响。当Q2输出P丽低电平时，IGBT开始关断，因Q2输出低电平，Dl截止，IGBT的Vce 电压未升到过压保护点时，D3截止(受比较器U 1输出的低电平限制)，所以Q3截止，D2导通，Q5导通，因为Rg2小于Rgl，即Rg2电阻设置的较小或者为零，IGBT栅极的关断电流沿着Rg2这一小电阻回路快速放电，IGBT快速关断。同时，IGBT的快速关断，会引起IGBT的dv/dt高，设置合理的未封装的R10、R11和 R12即可实现IGBT的过电压值。这里设置IGBT的集电极dv/dt电压为413V时进行慢关断。当IGBT通过关断电阻Rg2快速关断时，IGBT的dv/dt上升较大，一旦达到413V时，比较器Ul的同相端由R4、R9-R12分得的电压为5. IV，此时只要IGBT的集电极电压再继续升高并高于413V，比较器Ul的同相端电压即高于5. IV，高于比较器Ul反相端基准电压，比较器Ul输出高电平，Q3导通，使得Q5截止，IGBT关断回路从Rg2转由Rgl放电，因Rgl>Rg2， 所以关断速度放慢，dv/dt也随之下降，从而实现抑制IGBT过电压的产生，防止IGBT过电压损坏。整个过程实现了快速关断IGBT以降低关断损耗的同时，也实现了过电压的抑制。本发明的IGBT驱动电路的电路结构简单、实用、可靠，成本低廉，参数可依据需要调整，所述过电压检测电路和所述快速关断控制电路可以直接封装成厚膜电路，只要合理改变Rgl和Rg2的值，即可实现IGBT不同的关断速度，实现降低关断损耗和抑制过电压的功能。以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
权利要求
1.一种IGBT驱动电路，包括开通电阻、关断电阻和开关输入电路，其中，所述关断电阻的电阻值小于所述开通电阻的阻值；所述开关输入电路通过所述开通电阻连接至IGBT的栅极；所述关断电阻一端连接至IGBT的栅极； 其特征在于还包括互相连接的过电压检测电路和快速关断控制电路；所述过电压检测电路连接所述IGBT的集电极，检测所述IGBT的集电极电压；所述快速关断控制电路连接所述关断电阻的另一端；当所述开关输入电路输入导通电平时，所述快速关断控制电路控制所述关断电阻的另一端断开连接；当所述开关输入电路输入关断电平时，所述快速关断控制电路控制所述关断电阻的另一端接地；当所述过电压检测电路检测的所述IGBT的集电极电压高于预设值时，所述快速关断控制电路控制所述关断电阻的另一端断开连接。
2.—种IGBT驱动电路，包括开通电阻、关断电阻和开关输入电路，其中，所述关断电阻的电阻值小于所述开通电阻的阻值；所述开关输入电路通过所述开通电阻连接至IGBT的栅极；所述关断电阻一端连接至IGBT的栅极； 其特征在于还包括互相连接的过电压检测电路和快速关断控制电路；所述过电压检测电路连接所述IGBT的集电极，检测所述IGBT的集电极电压；所述快速关断控制电路连接所述关断电阻的另一端；所述快速关断控制电路包括NPN三极管和N型场效晶体管、第一电阻、第二电阻、第一二极管和第二二极管；所述NPN三极管的基极依次通过所述第一二极管的阴极、阳极、第一电阻和所述开通电阻连接所述IGBT的栅极，所述NPN三极管的发射极接地，其集电极依次通过所述第二二极管的阳极、阴极连接所述N型场效晶体管的栅极；所述第二二极管的阳极通过第二电阻连接电源；所述N型场效晶体管的漏极通过所述关断电阻连接所述IGBT 的栅极，所述N型场效晶体管的源极接地；所述过电压检测电路包括比较器、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第三二极管，所述比较器的反相端连接基准电压，所述比较器的同相端通过第三电阻连接所述IGBT的集电极，并通过第四电阻接地，所述比较器的输出端依次通过所述第三二极管的阳极、阴极连接至所述NPN三极管的基极；所述第三二极管的阳极通过第五电阻连接电源。
3.如权利要求2所述的IGBT驱动电路，其特征在于，所述第三电阻包括多个互相串联的分压电阻。
4.如权利要求2所述的IGBT驱动电路，其特征在于，所述快速关断控制电路进一步包括第六电阻和第七电阻，所述第六电阻连接在所述NPN三极管的基极和发射机之间，所述第七电阻连接在所述N型场效晶体管的栅极和源极之间。
5.如权利要求4所述的IGBT驱动电路，其特征在于，所述快速关断控制电路进一步包括第一电容和第二电容，所述第一电容连接在所述NPN三极管的基极和发射机之间，所述第二电容连接在所述N型场效晶体管的栅极和源极之间。
6.如权利要求5所述的IGBT驱动电路，其特征在于，所述过电压检测电路进一步包括 第三电容，所述第三电容与所述第四电阻并联。
7.如权利要求2至6任一项所述的IGBT驱动电路，其特征在于，所述过电压检测电路进一步包括稳压管、第四电容和第八电阻；所述稳压管的阴极通过所述连接第八电阻连接电源，所述稳压管的阳极接地，所述第四电容与所述稳压管并联，所述比较器的反相端连接至所述稳压管的阴极，所述稳压管的阴极的电压为所述基准电压。
8.如权利要求2所述的IGBT驱动电路，其特征在于，所述开关输入电路包括由两个三极管连接组成的推挽放大电路，所述两个三极管的基极互相连接作为所述推挽放大电路的输入端，输入PWM开关脉冲，所述两个三极管的发射极互相连接作为所述推挽放大电路的输出端，通过所述开通电阻连接所述IGBT的栅极。
9.如权利要求2至6任一项所述的IGBT驱动电路，其特征在于，所述关断电阻为导线。
全文摘要
本发明提供一种IGBT驱动电路，包括阻值较大的开通电阻、阻值较小的关断电阻和开关输入电路；所述开关输入电路通过所述开通电阻连接至IGBT的栅极；所述关断电阻一端连接至IGBT的栅极。所述IGBT驱动电路还包括过电压检测电路和快速关断控制电路；所述开关输入电路输入导通电平时，所述快速关断控制电路控制所述关断电阻的另一端断开连接；所述开关输入电路输入关断电平时，控制所述关断电阻的另一端接地；当所述过电压检测电路检测的IGBT集电极电压高于预设值时，所述快速关断控制电路控制所述关断电阻的另一端断开连接。本发明提供的IGBT驱动电路能够快速实现IGBT快速关断，并同时抑制IGBT的电压变化量过大。
文档编号H02M1/08GK102324835SQ20111031079
公开日2012年1月18日 申请日期2011年10月14日 优先权日2011年10月14日
发明者戴宝锋 申请人:广东易事特电源股份有限公司