IGBT驱动电路的制作方法

本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种IGBT驱动电路。

背景技术：

随着混合动力汽车和纯电动汽车的快速发展，对车辆上的电机进行有效和可靠地控制是车辆正常、安全运行的保障。绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)在变频设备的应用中占据了主导地位。IGBT可以为混合系统的电机提供能量。IGBT是MOSFET管与双极晶体管的复合器件，既有MOSFET易驱动的优点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点，其频率特性介于MOSFET管与功率晶体管之间，可正常工作于数十千赫兹的频率范围内。为了让IGBT安全、可靠地工作，其栅极应连接与之匹配的驱动电路。IGBT驱动电路是其应用方案设计的难点和关键。性能优良的驱动电路是确保IGBT高效、可靠运行的必要条件，尤其在电气环境和路况条件复杂的行驶的车辆上，对所述驱动电路的抗干扰性和可靠性的要求更高。

现有技术方案中典型的IGBT驱动电路一般都具有驱动电源保护功能，但是所提供给IGBT的驱动电压都是不可变的，且不超过-7.5V。

现有技术中的IGBT驱动电路所输出的驱动电压的不可变性导致这些电路应用的局限性。在干扰较大的应用场合，例如车辆启动或紧急制动时，IGBT有可能不会可靠关断和出现误导通，从而导致电机不正常动作而引发事故；在使用不同功率等级的IGBT模块时，往往需要重新设计选型驱动系统，成本增加。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是如何扩大IGBT驱动电路的适用范围。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种IGBT驱动电路，IGBT驱动电路包括：

信号隔离电路，适于外接控制电压并对其进行隔离，以得到第一控制电压；放大电路，适于对所述第一控制电压进行放大，其输出端输出第二控制电压；信号调理电路，适于根据所述第二控制电压产生第三控制电压，以控制IGBT的导通和关断，所述第三控制电压是可配置的。

可选的，所述信号调理电路包括：第一电阻，其第一端接入电源电压；依次串联的第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述第二电阻的第一端耦接所述第一电阻的第二端，所述第四电阻的第二端接地；第一晶体管，其基极耦接所述第一电阻的第二端，其一端接入所述电源电压，其另一端作为所述信号调理电路的输出端，输出所述第三控制电压；第二晶体管，其基极耦接所述第三电阻的第二端，其一端耦接所述第一晶体管的另一端，其另一端接地。

可选的，所述信号调理电路还包括：第五电阻，其第一端耦接电源电压；第六电阻，其第一端耦接所述第五电阻的第二端，其第二端接地；第七电阻，其第一端接入所述电源电压；第一二极管，其阴极耦接所述第七电阻的第二端，并作为所述信号调理电路的第一输出端；第二二极管，其阴极耦接所述第一二极管的阳极，其阳极耦接所述第五电阻的第二端并作为所述信号调理电路的第二输出端。

可选的，所述信号调理电路还包括：第三二极管，其阴极接入所述电源电压；第一电容，其第一端耦接所述第三二极管的阳极；第八电阻，其第一端耦接所述第一电容的第二端，其第二端耦接所述放大电路的输出端；第九电阻，其第一端耦接所述放大电路的输出端；第二电容，其第一端耦接所述第九电阻的第二端；第四二极管，其阴极耦接所述第二电容的第二端，其阳极接地。

可选的所述IGBT驱动电路还包括：开关控制电路，适于耦接所述信号调理电路的第一输出端和第二输出端，并根据所述信号调理电路的第一输出端和第二输出端输出的电压分别产生第四控制电压和第五控制电压，以分别控制IGBT的导通和关断。

可选的，所述开关控制电路包括第一MOS管和第二MOS管；其中，所述第一MOS管的栅极耦接所述信号调理电路的第一输出端，所述第一MOS管的一端耦接电源电压，所述第一MOS管的另一端耦接IGBT的基极；所述第二MOS管的栅极耦接所述信号调理电路的第二输出端，所述第二MOS管的一端接地，所述第二MOS管的另一端耦接IGBT的基极。

可选的，当所述第二控制电压为高电平时，所述第一晶体管截止，所述第三电阻与所述第四电阻通过分压使所述第二晶体管的基极与地之间存在压差，所述第二晶体管导通，所述第一二极管的阳极经由所述第二晶体管接地，所述第一二极管被击穿，所述第一二极管的阴极电压控制所述第一MOS管导通，所述电源电压经由所述第一MOS管为IGBT提供基极电压，控制IGBT导通；当所述第二控制电压为低电平时，所述第二晶体管截止，所述第一电阻与所述第二电阻的分压使得所述第一晶体管的基极与所述电源电压之间存在压差，所述第一晶体管导通，所述第二二极管的阴极经由所述第一晶体管接入所述电源电压，所述第二二极管被击穿，所述第二二极管的阳极电压控制所述第二MOS管导通，IGBT的基极经由所述第二MOS管释放电荷至地，控制IGBT关断。

可选的，通过配置所述第一二极管和所述第二二极管的稳压值，以对所述第三控制电压进行配置。

可选的，所述IGBT驱动电路还包括：监测电路，耦接IGBT的集电极，适于对IGBT的集电极和发射极之间的电压进行检测，并在检测到IGBT异常时，采取保护操作。

可选的，所述监测电路包括：第五二极管，其阴极经由负载电阻耦接IGBT的集电极；第三晶体管，其基极耦接所述第五二极管的阳极，其一端接地；第十电阻，其第一端耦接所述第三晶体管的另一端；第六二极管，其阴极耦接所述第十电阻的第二端；第十一电阻，其第一端耦接所述第六二极管的阳极，其第二端接入电源电压。

可选的，IGBT退出饱和时，其基极发射极电压高于其导通电压，其集电极和发射极之间的电压升高，导致所述第五二极管的阴极电位上升，所述第五二极管被击穿，所述第三晶体管导通，所述第十电阻的第一端输出低电平，用以表示电路工作状态异常；通过所述第十电阻和所述第十一电阻的分压，使得所述第二控制电压的电位为低电平，IGBT的基极释放电荷至地，IGBT关断。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

本发明技术方案的IGBT驱动电路包括信号隔离电路、放大电路和信号调理电路：其中，信号隔离电路适于外接控制电压并对其进行隔离，以得到第一控制电压；放大电路适于对所述第一控制电压进行放大，其输出端输出第二控制电压；信号调理电路适于根据所述第二控制电压产生第三控制电压，以控制IGBT的导通和关断，所述第三控制电压是可配置的。本发明技术方案通过设置信号调理电路，以使得IGBT驱动电路可以为IGBT提供可配置的第三控制电压，来控制IGBT的导通和关断，从而可以使IGBT驱动电路能够驱动不同功率等级的IGBT，扩大了IGBT驱动电路的适用范围。

进一步，开关控制电路可以包括第一MOS管和第二MOS管，以分别控制IGBT的导通和关断。由于MOS管导通时内阻很低，可以为IGBT提供理想的电荷释放通路，从而满足IGBT在关断时快速释放电荷的需求，进而提升IGBT驱动电路的驱动性能。

附图说明

图1是本发明实施例一种IGBT驱动电路的结构图；

图2是本发明实施例另一种IGBT驱动电路的结构图；

图3是本发明实施例又一种IGBT驱动电路的结构图；

图4是本发明实施例再一种IGBT驱动电路的结构图。

具体实施方式

如背景技术中所述，现有技术中的IGBT驱动电路所输出的驱动电压的不可变性导致这些电路应用的局限性。在干扰较大的应用场合，例如车辆启动或紧急制动时，IGBT有可能不会可靠关断和出现误导通，从而导致电机不正常动作而引发事故；在使用不同功率等级的IGBT模块时，往往需要重新设计选型驱动系统，成本增加。

而性能优良的IGBT驱动电路应该具备以下特征：首先具有良好的隔离功能而且对信号的延时很小；其次应该能够提供一定幅值的正反向基极电压并且具有足够的驱动能力；此外，电路结构还要尽量简单，体积小巧，以节省安装空间。

本发明技术方案通过设置信号调理电路，以使得IGBT驱动电路可以为IGBT提供可配置的第三控制电压，来控制IGBT的导通和关断，通过提供足够正负偏压实现较强的抗干扰性能，从而可以使IGBT驱动电路能够驱动不同功率等级的IGBT，扩大了IGBT驱动电路的适用范围。同时，IGBT驱动电路体积小巧，易于集成；IGBT驱动电路还具有良好的强弱电隔离性能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

图1是本发明实施例一种IGBT驱动电路的结构图。

如图1所示，IGBT驱动电路可以包括信号隔离电路101、放大电路102和信号调理电路103。

其中，信号隔离电路101适于外接控制电压Vin并对其进行隔离，以得到第一控制电压Vout1。

放大电路102适于对所述第一控制电压进行放大，其输出端输出第二控制电压Vout2。

信号调理电路103适于根据所述第二控制电压Vout2产生第三控制电压Vout3，以控制IGBT的导通和关断，所述第三控制电压Vout3是可配置的。

具体实施中，信号隔离电路101可以实现控制电压Vin的接入，同时实现外部控制电路(也即前级电路)与IGBT驱动电路的隔离，避免信号干扰。具体地，信号隔离电路101可以是光电耦合器。光电耦合器的输入端连接来自外部控制电路的控制脉冲信号，输出的电压信号可以通过后续电路来控制IGBT的通断。

具体实施中，为了保证驱动能力，可以对信号隔离电路101输出的第一控制电压Vout1进行放大，该操作可以通过放大电路102来实现。

具体实施中，信号调理电路103产生第三控制电压Vout3可以控制IGBT的导通和关断，且信号调理电路103产生的第三控制电压Vout3可以进行配置，那么可以通过配置信号调理电路103产生的第三控制电压Vout3，使IGBT驱动电路能适用不同功率范围内的IGBT，扩大IGBT驱动电路的适用范围。

图2是本发明实施例另一种IGBT驱动电路的结构图。

如图2所示，信号隔离电路101为光电耦合器U1。放大电路102为晶体管VT3。光电耦合器U1的输入端接入前级电路的控制电压，光电耦合器U1的输出端耦接晶体管VT3的基极，以控制晶体管VT3的通断。例如，光电耦合器U1的输入PIN脚1和输入PIN脚2接入前级电路的控制电压，输出PIN脚3耦接晶体管VT3的基极。晶体管VT3可以用于对控制IGBT开通和关断所需要的基极脉冲进行初级功率放大。

具体地，晶体管VT3的基极通过电阻连接至电源电压(也即供电电压)VCC，晶体管VT3的发射极接地。当光电耦合器U1输出的第一控制电压使得晶体管VT3导通时，晶体管VT3的集电极电位为0，第二控制电压为低电平，A点电位为0；当光电耦合器U1输出的第一控制电压使得晶体管VT3关断时，晶体管VT3的集电极电位为电源电压VCC，第二控制电压为高电平，A点电位为电源电压VCC。

本实施例中，信号调理电路103可以包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一晶体管VT1和第二晶体管VT2。

其中，第一电阻R1的第一端接入电源电压；第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4依次串联，所述第二电阻R2的第一端耦接所述第一电阻R1的第二端，所述第四电阻R4的第二端接地；第一晶体管VT1的基极耦接所述第一电阻R1的第二端，其发射极接入所述电源电压VCC，其集电极作为所述信号调理电路103的输出端，输出所述第三控制电压；第二晶体管VT2，其基极耦接所述第三电阻R3的第二端，其集电极耦接所述第一晶体管的另一端，其发射极接地。具体地，信号调理电路103的输出端可以对应图2所示电路中的B点。

具体实施中，电压调理电路103的输出端可以为IGBT的导通和关断提供适当的电压。具体而言，当A点电位为低电平(例如电压值为0)时，所述第二晶体管VT2截止，所述第一电阻R1与所述第二电阻R2的分压使得所述第一晶体管VT1的基极与所述电源电压VCC之间存在压差，所述第一晶体管VT1导通，电源电压VCC经由第一晶体管VT1为IGBT提供基极电压，控制IGBT导通。当A点电位为电源电压VCC时，所述第一晶体管VT1截止，所述第三电阻R3与所述第四电阻R4通过分压使所述第二晶体管VT2的基极与地之间存在压差，所述第二晶体VT2管导通，IGBT的基极经由第二晶体VT2释放电荷至地，控制IGBT关断。

本实施例中，当A点电位为0时，电压调理电路103的输出端(也即B点)的电位为电源电压VCC；当A点电位为电源电压VCC时，其电位为0。也就是说，可以通过配置电源电压VCC来为不同功率的IGBT提供导通电压。

本领域技术人员应当理解，晶体管VT3、第一晶体管VT1和第二晶体管VT2的类型(例如PNP三极管和NPN三极管)可以根据实际的应用环境进行选取和配置；晶体管VT3、第一晶体管VT1和第二晶体管VT2也可以被替换为具体任意可实施的开关功能的开关管。

由于晶体管(第一晶体管VT1和第二晶体VT2)允许通过的电流比较小，为了进一步提高IGBT驱动电路的驱动能力，在图2所示的IGBT驱动电路的基础上，可以对电压调理电路103做进一步的改进。

请参照图3，图3是本发明实施例又一种IGBT驱动电路的结构图。

一并参照图2，本实施例的信号调理电路103可以包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一晶体管VT1和第二晶体管VT2；信号调理电路103还可以包括第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第一二极管Z1和第二二极管Z2。

其中，第五电阻R5第一端耦接电源电压VCC；第六电阻R6第一端耦接所述第五电阻R5的第二端，其第二端接地；第七电阻R7第一端接入所述电源电压VCC；第一二极管Z1阴极耦接所述第七电阻R7的第二端，并作为所述信号调理电路103的第一输出端；第二二极管Z2阴极耦接所述第一二极管Z1的阳极，其阳极耦接所述第五电阻R5的第二端并作为所述信号调理电路103的第二输出端。

本实施例中，IGBT驱动电路还包括开关控制电路301。开关控制电路301适于耦接所述信号调理电路103的第一输出端和第二输出端，并根据所述信号调理电路103的第一输出端和第二输出端输出的电压分别产生第四控制电压和第五控制电压，以分别控制IGBT的导通和关断。具体地，信号调理电路103的第一输出端和第二输出端分别对应图3所示电路中的C点和D点。

具体实施中，所述开关控制电路301可以包括第一MOS管Q1和第二MOS管Q2；其中，所述第一MOS管Q1的栅极耦接所述信号调理电路103的第一输出端，所述第一MOS管Q1的一端耦接电源电压VCC，所述第一MOS管Q1的另一端耦接IGBT的基极；所述第二MOS管Q2的栅极耦接所述信号调理电路103的第二输出端，所述第二MOS管Q2的一端接地，所述第二MOS管Q2的另一端耦接IGBT的基极。

具体地，当放大电路102输出的第二控制电压为高电平时，也即A点电位为高电平时，所述第一晶体管VT1截止，所述第三电阻R3与所述第四电阻R4通过分压使所述第二晶体管VT2的基极与地之间存在压差，也即F点电压使得所述第二晶体管VT2导通，所述第一二极管Z1的阳极经由所述第二晶体管VT2接地，所述第一二极管Z1被击穿，C点电压为第一二极管Z1的稳压值Vz1，C点电压控制所述第一MOS管Q1导通，所述电源电压VCC经由所述第一MOS管Q1为IGBT提供基极电压，控制IGBT导通；当A点电位为低电平时，所述第二晶体管VT2截止，所述第一电阻R1与所述第二电阻R2的分压使得所述第一晶体管VT1的基极与所述电源电压VCC之间存在压差，也即E点电压使得所述第一晶体管VT1导通，所述第二二极管Z2的阴极经由所述第一晶体管VT1接入所述电源电压VCC，所述第二二极管Z2被击穿，D点电压为电源电压与第二二极管Z2的稳压值之差VCC-Vz2，D点电压控制所述第二MOS管Q2导通，IGBT的基极经由所述第二MOS管释放电荷至地，控制IGBT关断。

本实施例中，电压调理电路103的第一输出端，也即C点，在A点电位为高电平时，其电压为第一二极管Z1的稳压值Vz1；电压调理电路103的第二输出端，也即D点在A点电位为低电平时，其电压为电源电压与第二二极管Z2的稳压值之差VCC-Vz2。也就是说，可以通过配置电源电压VCC、第一二极管Z1的稳压值和第二二极管Z2的稳压值，来控制第一MOS管Q1和第二MOS管Q2的导通，进而为不同功率的IGBT提供导通电压。

本领域技术人员应当理解的是，图3所示的第一MOS管Q1为PMOS管，第二MOS管Q2为NMOS管；而在具体的应用场景中，第一MOS管Q1和第二MOS管Q2还可以配合信号调理电路选取不同的组合，例如第一MOS管Q1为NMOS管，第二MOS管Q2为PMOS管，本发明实施例对此不做限制。

进一步而言，可以通过选取第一MOS管Q1和第二MOS管Q2的型号，使之能够适用不同功率范围内的IGBT。进而，可以选择第一二极管Z1和第二二极管Z2适当的稳压值，使之能控制具备不同驱动功率的MOS管的开通和关断。更近一步地，MOS管的开通和关断电压值一般要求为负十几伏至正十几伏；如果选择第一二极管Z1和第二二极管Z2适当的稳压值后，信号调理电路能提供正负10V左右的驱动电压，那么就可以满足大部分的MOS管的通断需求，从而可以使IGBT驱动电路能够驱动不同功率等级的IGBT，扩大了IGBT驱动电路的适用范围。

由于晶体管的开通速度更慢一些，因此图2所示IGBT驱动电路对IGBT的开关速度有一定的限制，所以在对IGBT的开关速度要求不高的应用场景中，可以采用图2所示的IGBT驱动电路。在图3所示的IGBT驱动电路中，采用第一MOS管Q1和第二MOS管Q2控制IGBT的通断，由于MOS管的驱动功率高，开关速度快，可以进一步提升IGBT驱动电路的性能。

对于IGBT驱动电路，需要提供给IGBT合适的基极驱动电压。基极正向驱动电压的大小将对IGBT性能影响大。当正向驱动电压增大时，IGBT的导通电阻下降，则导通损耗减小。如果正向驱动电压过大，易造成IGBT损坏；若正向驱动电压过小，易使IGBT退出饱和导通区而进入线性放大区，IGBT易过热损坏。另外，IGBT驱动电路还需要提供给IGBT足够的驱动电流。由于IGBT三极的两两之间存在着较大的寄生电容，在驱动脉冲电压的上升及下降沿期间，存在较大的充放电电流。为了满足其导通和关断的动态要求，则要求其驱动电路要具有一定的峰值电流输出能力，使IGBT在正常工作及过载情况下不致于退出饱和导通区而损坏。本发明实施例中图2和图3所示的IGBT驱动电路均能满足上述要求。

本实施例中的信号隔离电路101(光电耦合器U1)、放大电路102(晶体管VT3)的具体实施方式可参照图2所示的IGBT驱动电路，此处不再赘述。

图4是本发明实施例再一种IGBT驱动电路的结构图。

一并参照图2和图3，相比于图3所示的IGBT驱动电路，信号调理电路103还包括第三二极管A1、第一电容C1、第八电阻R8、第九电阻R9和第二电容C2和第四二极管A2，以抑制信号调理电路103中存在的浪涌，以保护信号调理电路103。

其中，第三二极管A1阴极接入所述电源电压VCC；第一电容C1第一端耦接所述第三二极管A1的阳极；第八电阻R8第一端耦接所述第一电容C1的第二端，其第二端耦接所述放大电路102的输出端；第九电阻R9第一端耦接所述放大电路102的输出端；第二电容C2第一端耦接所述第九电阻R9的第二端；第四二极管A2阴极耦接所述第二电容C2的第二端，其阳极接地。

具体地，第九电阻R9和第二电容C2在晶体管VT3关断瞬间为第二晶体管VT2提供基极电流通路，以避免影响IGBT的工作状态；类似地，第八电阻R8和第一电容C1在晶体管VT3导通瞬间为第一晶体管VT1提供基极电流通路。当第三电阻R3和第四电阻R4中间电位，也即F点，误出现负压时(例如瞬时浪涌等)，第四二极管A2导通，可以将第二晶体管VT2的发射极电压钳位在-0.7V，防止此负压过高反向击穿第二晶体管VT2。类似地，当第一电阻R1和第二电阻R2中间电位，也即E点，误出现负压时(例如瞬时浪涌等)，第三二极管A1导通，可以将第一晶体管VT1的发射极电压钳位在-0.7V，防止此负压过高反向击穿第一晶体管VT1。

图4所示的IGBT驱动电路还包括监测电路401，监测电路401耦接IGBT的集电极，适于对IGBT的集电极和发射极之间的电压进行检测，并在检测到IGBT异常时，采取保护操作。该保护操作可以是预设的任何适当操作。

具体实施中，监测电路401可以包括：第五二极管Z3、第三晶体管VT4、第十电阻R10、第六二极管A3和第十一电阻R11。其中，晶体管VT3经由第十一电阻R11接入电源电压VCC。

其中，第五二极管Z3阴极经由负载电阻(图未示)耦接IGBT的集电极；第三晶体管VT4基极耦接所述第五二极管Z3的阳极，其一端接地；第十电阻R10第一端耦接所述第三晶体管VT4的另一端；第六二极管A3阴极耦接所述第十电阻R10的第二端；第十一电阻R11，其第一端耦接所述第六二极管A3的阳极，其第二端接入电源电压VCC。

具体地，IGBT正常导通时，IGBT工作在饱和状态，集电极与发射极间的电压降很小，IGBT发射极电压稳定，IGBT集电极的电位很低。IGBT退出饱和时，其基极和发射极之间的电压高于其导通电压，其集电极和发射极之间的电压升高，故IGBT集电极电压升高，第五二极管Z3阴极耦接IGBT的集电极，导致所述第五二极管Z3的阴极电位上升，所述第五二极管Z3被击穿，所述第三晶体管VT4导通，所述第十电阻R10的第一端作为输出PIN脚P5，输出低电平，用以表示IGBT驱动电路的电路工作状态异常；通过所述第十电阻R10和所述第十一电阻R11的分压，使得A点电位为低电平，IGBT的基极释放电荷至地，IGBT关断。

进一步而言，输出PIN脚P5可以表示IGBT驱动电路的工作状态，若IGBT正常导通和关断，则输出PIN脚P5一直输出高电平；若IGBT工作异常，退出饱和状态，则第三晶体管VT4被击穿，输出PIN脚P5输出矩形波。

具体地，在IGBT正常导通和关断时，第三电容C3、第四电容C4和第十三电阻R13构成的电路可以使得第五二极管Z3的阴极电位不会升高，以避免第五二极管Z3被击穿。由此，在监测电路401中，通过对第十电阻R10和所述第十一电阻R11进行阻值配比，可以使此时的A点电位保持一个较低的值，从而第一电阻R1和第二电阻R2的分压使得第一晶体管VT1导通，第三电阻R3和第四电阻R4的分压使得第一晶体管VT2截止，第二二极管Z2被击穿，第一MOS管Q1截止，第二MOS管Q2导通，从而使IGBT的基极电荷通过第二MOS管Q2迅速释放，IGBT截止，避免IGBT退出饱和状态时集电极产生大的噪声导致IGBT损坏。

更近一步地，由于在对第十电阻R10和所述第十一电阻R11进行阻值配比时，第十电阻R10的阻值较小；而第三晶体管VT4的导通电流通常为几十毫安，为了避免电流过大对第三晶体管VT4造成损害，在对第十电阻R10和所述第十一电阻R11进行阻值配比的同时，还可以通过第十二电阻R12进行分流，以实现对第三晶体管VT4的限流。

本实施例中的信号隔离电路101(光电耦合器U1)、放大电路102(晶体管VT3)的具体实施方式可参照图2所示的IGBT驱动电路，此处不再赘述。

需要说明的是，本文中“低电平(或者低电位)”与“高电平(或者高电位)”是相对的概念，两者的具体范围并不做限定，只要低电平的电压值低于高电平的电压值即可。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。