IGBT的驱动保护电路及电机驱动控制系统的制作方法

本实用新型涉及驱动控制技术领域，特别涉及一种IGBT的驱动保护电路及一种电机驱动控制系统。

背景技术：

在传统的基于1ED020I12FA2驱动芯片的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)驱动电路中，驱动芯片传输延迟时间短，共模抑制能力强，其具有可靠的IGBT短路保护及故障回馈功能，并且可实现上、下桥臂互锁的功能，可以可靠地开启和关断IGBT。

然而在上述的驱动电路中，IGBT及其驱动电路很容易发生损坏，IGBT及其驱动电路的安全性和可靠性还有待提高。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出一种IGBT的驱动保护电路，能够有效地防止IGBT及其驱动电路发生损坏，提高了IGBT及其驱动电路的安全性和可靠性。

本实用新型的第二个目的在于提出一种电机驱动控制系统。

为达到上述目的，本实用新型提出了一种IGBT的驱动保护电路，其包括：驱动芯片，所述驱动芯片用以提供第一驱动电源和第二驱动电源，并输出驱动信号；推挽放大单元，所述推挽放大单元根据所述第一驱动电源和所述第二驱动电源对所述驱动信号进行推挽放大处理以通过输出驱动电压驱动所述IGBT的开通或关断；有源箝位单元，所述有源箝位单元连接在所述IGBT的C极与所述IGBT的G极之间，所述有源箝位单元在所述IGBT的电流下降时对所述IGBT的C极与E极之间的电压进行箝位；推挽箝位单元，所述推挽箝位单位连接在所述IGBT的G极与所述推挽放大单元的输出端之间，所述推挽箝位单元用以限制所述推挽放大单元中三极管所承受的BE反压。

根据本实用新型的IGBT的驱动保护电路，推挽放大单元可根据驱动芯片提供的第一驱动电源和第二驱动电源对驱动芯片输出的驱动信号进行推挽放大处理，以输出驱动电压驱动IGBT的开通或关断，通过设置有源箝位单元，在IGBT的电流下降时能够对IGBT的C极与E极之间的电压进行箝位，并通过设置推挽箝位单元来限制推挽放大单元中三极管所承受的BE反压，能够有效地防止IGBT及其驱动电路发生损坏，提高了IGBT及其驱动电路的安全性和可靠性。

另外，根据本实用新型提出的IGBT的驱动保护电路还可以具有如下附加的技术特征：

具体地，所述有源箝位单元包括：第一双向TVS管，所述第一双向TVS管的一端与所述IGBT的G极相连；第一单向TVS管，所述第一单向TVS管的阳极与所述第一双向TVS管的另一端相连；第二单向TVS管，所述第二单向TVS管的阳极与所述第一单向TVS管的阴极相连，所述第二单向TVS管的阴极与所述IGBT的C极相连。

具体地，所述推挽放大单元包括：第一三极管，所述第一三极管的基极通过第一电阻与所述驱动芯片的输出端相连，所述第一三极管的集电极与所述第一驱动电源相连；第二三极管，所述第二三极管的基极与所述第一三极管的基极相连，所述第二三极管的集电极与所述第二驱动电源相连，所述第二三极管的发射极与所述第一三极管的发射极相连。

进一步地，所述推挽箝位单元包括：第一箝位二极管，所述第一箝位二极管的阳极分别与所述第一三极管的发射极和所述第二三极管的发射极相连，所述第一箝位二极管的阴极与所述IGBT的G极相连；第二箝位二极管，所述第二箝位二极管的阴极分别与所述第一三极管的发射极和所述第二三极管的发射极相连，所述第二箝位二极管的阳极与所述IGBT的G极相连。

进一步地，所述IGBT的驱动保护电路还包括：短路箝位二极管，所述短路箝位二极管的阳极与所述IGBT的G极相连，所述短路箝位二极管的阴极与所述第一驱动电源相连，所述短路箝位二极管在所述IGBT短路时限制所述IGBT的G极与E极之间的电压。

进一步地，所述IGBT的驱动保护电路还包括：短路保护电阻，所述短路保护电阻连接在所述驱动芯片的短路保护端与所述IGBT的C极之间，所述短路保护电阻在所述IGBT导通时降低所述IGBT的CE极饱和压降。

其中，所述短路保护电阻的阻值根据所述IGBT的CE极饱和压降的大小设定。

为达到上述目的，本实用新型还提出了一种电机驱动控制系统，其包括本实用新型提出的IGBT的驱动保护电路。

根据本实用新型的电机驱动控制系统，能够有效地防止IGBT及其驱动电路发生损坏，提高了IGBT及其驱动电路的安全性和可靠性。

附图说明

图1是根据本实用新型实施例的IGBT的驱动保护电路的拓扑图；

图2是根据本实用新型一个实施例的IGBT一类短路的电路图；

图3是根据本实用新型一个实施例的IGBT二类短路的电路图；以及

图4是根据本实用新型一个实施例的IGBT的特性曲线图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

下面参考附图描述本实用新型实施例的IGBT的驱动保护电路及电机驱动控制系统。

图1是根据本实用新型实施例的IGBT的驱动保护电路的拓扑图。

如图1所示，本实用新型实施例的IGBT的驱动保护电路，包括：驱动芯片10、推挽放大单元20、有源箝位单元30和推挽箝位单元40。

其中，驱动芯片10用以提供第一驱动电源和第二驱动电源，并输出驱动信号，推挽放大单元20根据第一驱动电源和第二驱动电源对驱动信号进行推挽放大处理以通过输出驱动电压驱动IGBT的开通或关断，有源箝位单元30连接在IGBT的C极与IGBT的G极之间，有源箝位单元30在IGBT的电流下降时对IGBT的C极与E极之间的电压进行箝位，推挽箝位单位40连接在IGBT的G极与推挽放大单元20的输出端之间，推挽箝位单元40用以限制推挽放大单元20中三极管所承受的BE反压，即三极管的基极和发射极之间承受的反向电压。

在本实用新型的一个具体实施例中，如图1所示，第一驱动电源VCC2可提供+15V的直流电，第二驱动电源VEE2可提供-8V的直流电。驱动信号经驱动芯片10的输出端OUT输出至推挽放大单元20。

具体地，如图1所示，推挽放大单元20可包括第一三极管T701和第二三极管T702，其中，第一三极管T701的基极可通过第一电阻R707与驱动芯片10的输出端OUT相连，第一三极管T701的集电极与第一驱动电源相连，第二三极管T702的基极与第一三极管T701的基极相连，第二三极管T702的集电极与第二驱动电源相连，第二三极管T702的发射极与第一三极管T701的发射极相连。

进一步地，如图1所示，推挽箝位单元40可包括第一箝位二极管D707和第二箝位二极管D709，其中，第一箝位二极管D707的阳极分别与第一三极管T701的发射极和第二三极管T702的发射极相连，第一箝位二极管D707的阴极与IGBT的G极相连，第二箝位二极管D709的阴极分别与第一三极管T701的发射极和第二三极管T702的发射极相连，第二箝位二极管D709的阳极与IGBT的G极相连。另外，在IGBT的G极和E极之间还可连接有相互并联的第二电阻R713、第一电容C708和第二双向TVS管D710。

具体地，如图1所示，推挽放大单元20的第一三极管T701和第二三极管T702的基极和发射极之间承受最大反向电压为7V，在+15V与-8V切换的过程中，由于IGBT的G极与E极之间的第一电容C708的储能作用，第一三极管T701或第二三极管T702关断时推挽放大单元20的第一三极管T701和第二三极管T702的基极和发射极之间承受的最大反向电压可达到23V，因此，第一三极管T701和第二三极管T702均有损坏的风险，在加入第一箝位二极管D707和第二箝位二极管D709后，能够限制第一三极管T701和第二三极管T702的基极和发射极之间的反向电压。换言之，第一箝位二极管D707和第二箝位二极管D709的作用是明确第一三极管T701和第二三极管T702的基极和发射极之间的电压，保证第一三极管T701和第二三极管T702在关断的时刻基极和发射极之间的电压接近，如果未加第一箝位二极管D707和第二箝位二极管D709，会使第一三极管T701和第二三极管T702的基极和发射极之间的电压处于未知状态。

在本实用新型的一个具体实施例中，如图1所示，有源箝位单元30可包括第一双向TVS管D706、第一单向TVS管D703和第二单向TVS管D704，其中，第一双向TVS管D706的一端与IGBT的G极相连，第一单向TVS管D703的阳极与第一双向TVS管D706的另一端相连，第二单向TVS管D704的阳极与第一单向TVS管D703的阴极相连，第二单向TVS管D704的阴极与IGBT的C极相连。

具体地，在C极和G极之间加入了串联的第一双向TVS管D706、第一单向TVS管D703和第二单向TVS管D704，使得在IGBT关断时，IGBT的G极和E极之间的压降VGE下降，C极电流IC也下降，并且C极和E极之间会产生压降VCE尖峰，TVS管会被击穿，并箝位C极和E极之间的压降VCE，当电路中有电流流进IGBT的G极时，会给第一电容C708充电，导致下降的G极和E极之间的压降VGE升高，能够延长IGBT的关断时间，并减小C极和E极之间的压降VCE的尖峰，从而可有效避免IGBT被烧毁。并且，通过设置第一双向TVS管D706，还可防止IGBT的反并联二极管开通时由于其正向恢复行为而造成负序电流通过D706所处的电路，从而可有效地防止该负序电流引起第一驱动电源欠压的问题。在本实用新型的实施例中，有源箝位全程一般不超过300ns，有源箝位发生的时刻也是IGBT的C极电流IC下降的时刻，死区时间通常是3us。有源箝位不会导致直通发生，只要TVS管能承受住电流和频率产生的热量，可以接受每个脉冲都触发有源箝位，但是考虑TVS管寿命问题，在实际的电路应用中还是要尽量避免每个脉冲都触发有源箝位的情况。

根据本实用新型的IGBT的驱动保护电路，推挽放大单元可根据驱动芯片提供的第一驱动电源和第二驱动电源对驱动芯片输出的驱动信号进行推挽放大处理，以输出驱动电压驱动IGBT的开通或关断，通过设置有源箝位单元，在IGBT的电流下降时能够对IGBT的C极与E极之间的电压进行箝位，并通过设置推挽箝位单元来限制推挽放大单元中三极管所承受的BE反压，能够有效地防止IGBT及其驱动电路发生损坏，提高了IGBT及其驱动电路的安全性和可靠性。

此外，在IGBT驱动电路工作的过程中，IGBT短路的情况也时有发生。其中，IGBT短路可分为一类短路和二类短路，一般地，发生一类短路时，短路回路自感为nH级，发生二类短路时，短路回路自感为uH及uH以上。

进一步地，如图2所示，一类短路可包括桥臂内短路(直通)，其可导致电路的硬件失效或者软件失效，并且短路回路中的电感量很小(如100nH)。如图3所示，二类短路可包括桥臂间短路(大电感短路)，其为电路的相间短路或相对地短路，短路回路中的电感稍大(一般为uH级的)。

在发生一类短路时，IGBT的G极和E极之间的压降VGE抑制，限制了短路上限电流。虽然如上所述，在IGBT的G极和E极之间加入了D710即TVS管箝位，但是TVS管的效果高度依赖于所使用的TVS管类型，而且TVS管自身带有离散特性，击穿电压为一个范围值。因此，加入TVS管D710进行箝位的效果不够明显。

鉴于此，在本实用新型的一个实施例中，IGBT的驱动保护电路中还可包括短路箝位二极管D705，其中，短路箝位二极管D705的阳极与IGBT的G极相连，短路箝位二极管D705的阴极与第一驱动电源相连，短路箝位二极管D705在IGBT短路时限制IGBT的G极与E极之间的压降VGE。由此，在发生一类短路时，可以通过限制短路时刻的G极与E极之间的压降VGE而起到降低短路电流上限的作用。

在发生二类短路时，可通过检测C极与E极之间的饱和压降VCEsat来进行保护。短路回路的电流变化率一般较快，电流上升的速度远远小于短路保护电路的响应时间，通过检测C极与E极之间的饱和压降VCEsat，来减小C极与E极之间的饱和压降VCEsat上限，可在一定程度上起到降低短路电流的作用。

因此，在本实用新型的一个实施例中，IGBT的驱动保护电路中还可包括短路保护电阻R701，其中，短路保护电阻R701可连接在驱动芯片10的短路保护端DESAT与IGBT的C极之间，短路保护电阻R701在IGBT导通时降低IGBT的C极与E极之间的饱和压降VCEsat。其中，短路保护电阻R701的阻值可根据IGBT的CE极饱和压降VCEsat的大小设定。在本实用新型的一个实施例中，与短路保护电阻R701相配合的短路保护回路中还可包括连接在短路保护端DESAT与接地端GND之间的消隐电容C702，以及连接在短路保护电阻R701与IGBT的C极之间的第一二极管D701和第二二极管D702。其中，第一二极管D701和第二二极管D702连接在IGBT的高压侧，需要选择高压二极管，可以有效地防止被击穿。

在IGBT关断期间，驱动芯片10内部的MOS管导通，驱动芯片10的CLAMP端口连接到接地端GND，消隐电容C702放电，故障检测电路置为无效，以避免产生错误的故障信号，一旦检测到故障状态，驱动芯片10的输出端OUT将会被禁用。在禁用期间，忽略所有的输入驱动信号，使得能够彻底地关断IGBT。当禁用时间过了之后，原输入驱动信号再次变为高电平，使故障检测电路重新生效。

在驱动电路正常工作时，短路保护回路的压降U＝Ur+2Ud+VCEsat(式1)，其中，Ur为短路保护电阻R701的压降，Ud为第一二极管D701或第二二极管D702的压降。其中，CE极饱和压降VCEsat的大小可参照图4所示的IGBT特性曲线，第一二极管D701或第二二极管D702的压降可根据压降与温度的对照关系得出，由式1可知，短路保护回路的压降还受短路保护电阻R701的压降影响，又由于第一二极管D701或第二二极管D702的压降受温度影响比较大，因此，可通过控制短路保护电阻R701的压降来控制CE极饱和压降，即可通过适当增加短路保护电阻R701的阻值来降低发生二类短路时IGBT的电流保护点。在本实用新型的一个具体实施例中，短路保护电阻R701的阻值可为10K欧姆。

为完善IGBT驱动电路的功能，如图1所示，除上述的IGBT的驱动保护电路外，IGBT驱动电路中还可包括连接在第二驱动电源和IGBT的E极之间的相互并联的第三至第六电容C710-C713、连接在驱动芯片10的CLAMP管脚与IGBT的G极之间的第三电阻R715以及位于第一箝位二极管D707和第二箝位二极管D709后级的多个电阻。上述各元件与本实用新型实施例的IGBT的驱动保护电路共同构成IGBT驱动电路，上述各元件的具体功能在此不一一赘述。

对应上述实施例，本实用新型还提出一种电机驱动控制系统。

本实用新型的电机驱动控制系统，包括本实用新型上述实施例提出的IGBT的驱动保护电路，其具体的实施方式可参照上述实施例，为避免冗余，在此处不再赘述。

根据本实用新型的电机驱动控制系统，能够有效地防止系统中IGBT及其驱动电路发生损坏，系统中IGBT及其驱动电路的安全性和可靠性较高。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。