一种IGBT驱动电路的制作方法

本实用新型涉及集成电子电路技术领域,具体涉及一种IGBT驱动电路。

背景技术：

目前IGBT在应用过程中，IGBT通常处于大电流和高电压的环境中，再加上高速的电流和电压变化率，IGBT运行条件恶劣，极易造成损坏，良好的IGBT驱动及保护，是IGBT及设备正常运行的前提。目前IGBT驱动通常采用的是专用的IGBT驱动芯片，集成了IGBT的驱动及短路保护功能，使用时只需在外部添加少量的电阻电容外围电路即可，但是专用的IGBT驱动芯片价格高，而且规格相对固定，不能完全根据IGBT或者使用情况做最优的设计。另一种是采用分立元件搭建的IGBT驱动及保护电路，这种搭建的电路成本相对于专用的驱动芯片的成本较低。但是在驱动信号由光耦到达IGBT控制极时，通常会经过RC电路延时及运放等电路，电路复杂，且会因为复杂的电路导致较大的延时。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种IGBT驱动电路，该保护电路具可靠性高、选型容易的优点。

为实现上述发明目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种IGBT驱动电路，包括信号产生及处理部分和IGBT驱动及保护部分；所述信号产生及处理部分由控制芯片U和电平转换芯片U1构成，所述IGBT驱动及保护部分由N路光耦隔离IGBT驱动及保护电路构成；所述控制芯片U的N个PWM信号输出引脚分别与电平转换芯片U1的N个PWM信号输入引脚连接；所述电平转换芯片U1的N个PWM信号输出引脚分别与N路光耦隔离IGBT驱动及保护电路的PWM信号输入端连接，N路所述光耦隔离IGBT驱动及保护电路的Fault信号输出端均同时与控制芯片U和电平转换芯片U1的Fault信号输入引脚连接；

所述光耦隔离IGBT驱动及保护电路包括光耦U2，所述电平转换芯片U1的PWM信号输出引脚接至光耦U2的ANODE引脚，电阻R1的两端分别接至光耦U2的CATHODE引脚和GND；光耦U2的VCC引脚和VEE引脚分别接至电源VCC和电源VEE；电阻R2上端接至光耦U2的V₀引脚，下端接至二极管D2上端；二极管D2下端接至电阻R4的下端，电阻R4的上端接至电源VCC；电容C3上端接至电阻R4下端，下端接至GNDE；电阻R5左端接至光耦U2的V₀引脚，右端接至IGBT单元Q1的左端；TVS管Z1的上端接至R5右端，下端接至GNDE；电阻R7上端接至R5右端，下端接至GNDE；IGBT单元Q1的下端接至GNDE，上端接至二极管D1右端；二极管D1右端接至电阻R3左端，电阻R3左端接至电阻R4下端；稳压管D3上端接至电阻R4下端，上端接至光耦U3的1引脚，光耦U3的2引脚接至GNDE，3引脚接至电阻R6的左端，4引脚接至电源VCC1；电阻R6右端接至GND，左端与Fault信号输入引脚连接。

优选的，所述IGBT驱动及保护部分由6路光耦隔离IGBT驱动及保护电路构成。

优选的，所述电平转换芯片U1采用SN74LVC4245A芯片，所述电平转换芯片U1的21引脚、20引脚、19引脚、18引脚、17引脚、16引脚为PWM信号输入引脚,3-8引脚为PWM信号输出引脚，22引脚为Fault信号输入引脚，电平转换芯片U1的23引脚和24引脚接至电源VCC1,1引脚接至电源VCC2，11引脚、12引脚和13引脚接至GND；电容C1的两端分别接至电源VCC2和GND，电容C4的两端分别接至电源VCC1和GND。

优选的，所述控制芯片U采用DSP芯片。

本实用新型具有以下有益效果：

1、采用分立元件构建驱动及保护，极大的节省成本，而且能做到对使用的IGBT进行最优的驱动设计，采用的分立元件，规格，数量，及电路形式都可以根据不同的IGBT或者应用进行最优的设计。

2、简单的驱动电路，减少了驱动环节硬件产生的延时，从而减少了因为延时带来的负面影响。

3、简单有效的IGBT短路检测电路，及时检测短路故障，及时关断所有的IGBT，防止在故障发生时其他IGBT仍在工作的现象，对所有的IGBT进行保护。

附图说明

图1为本实用新型结构框图；

图2为信号产生及处理部分的电路图；

图3为光耦隔离IGBT驱动及保护电路的电路图。

具体实施方式

结合图1-3所示的一种IGBT驱动电路，包括信号产生及处理部分1和IGBT驱动及保护部分2。所述信号产生及处理部分1由控制芯片U和电平转换芯片U1构成，所述控制芯片U通常采用DSP芯片，所述电平转换芯片U1通常采用SN74LVC4245A芯片。所述IGBT驱动及保护部分2由N路光耦隔离IGBT驱动及保护电路构成，所述N为自然数，可根据实际情况进行具体设置，例如N可以是3、4、5、6等，此处以所述IGBT驱动及保护部分2由6路光耦隔离IGBT驱动及保护电路构成为例。

所述控制芯片U的6个PWM信号输出引脚分别与电平转换芯片U1的6个PWM信号输入引脚连接。通过控制芯片U向电平转换芯片U1输出PWM信号A，也就是输出PWM1A-PWM6A信号，电平转换芯片U1将PWM1A-PWM6A信号转换为PWM信号B，也就是PWM1B-PWM6B，各组信号一一对应，也就是PWM1A与PWM1B对应，PWM6A与PWM6B对应，以此类推。所述电平转换芯片U1的6个PWM信号输出引脚分别与6路光耦隔离IGBT驱动及保护电路的PWM信号输入端连接，6路所述光耦隔离IGBT驱动及保护电路的Fault信号输出端均同时与控制芯片U和电平转换芯片U1的Fault信号输入引脚连接。

如图2所示为信号产生及处理部分1采用SN74LVC4245A芯片时的详细电路图，所述电平转换芯片U1的21引脚、20引脚、19引脚、18引脚、17引脚、16引脚为PWM信号输入引脚,3-8引脚为PWM信号输出引脚，22引脚为Fault信号输入引脚，电平转换芯片U1的23引脚和24引脚接至电源VCC1,1引脚接至电源VCC2，11引脚、12引脚和13引脚接至GND。电容C1的两端分别接至电源VCC2和GND，电容C4的两端分别接至电源VCC1和GND。

如图3所述，为单路光耦隔离IGBT驱动及保护电路的电路图，因光耦隔离IGBT驱动及保护电路为六个结构完全相同的电路，故本实用新型只针对第一路光耦隔离IGBT驱动及保护电路进行详细说明。所述光耦隔离IGBT驱动及保护电路包括光耦U2，所述电平转换芯片U1的PWM信号输出引脚接至光耦U2的ANODE引脚，U2的ANODE引脚用于接收PWM1B信号，电阻R1的两端分别接至光耦U2的CATHODE引脚和GND。光耦U2的VCC引脚和VEE引脚分别接至电源VCC和电源VEE。电阻R2上端接至光耦U2的V₀引脚，下端接至二极管D2上端。二极管D2下端接至电阻R4的下端，电阻R4的上端接至电源VCC。电容C3上端接至电阻R4下端，下端接至GNDE。电阻R5左端接至光耦U2的V₀引脚，右端接至IGBT单元Q1的左端。TVS管Z1的上端接至R5右端，下端接至GNDE。电阻R7上端接至R5右端，下端接至GNDE。IGBT单元Q1的下端接至GNDE，上端接至二极管D1右端。二极管D1右端接至电阻R3左端，电阻R3左端接至电阻R4下端。稳压管D3上端接至电阻R4下端，上端接至光耦U3的1引脚，光耦U3的2引脚接至GNDE，3引脚接至电阻R6的左端，4引脚接至电源VCC1。电阻R6右端接至GND，左端与Fault信号输入引脚连接。

本实用新型工作原理如下：控制芯片U通过软件发出6路PWM信号，分别为PWM1A、PWM2A、PWM3A、PWM4A、PWM5A、PWM6A，其电平均为VCC1，电平转换芯片U1将PWM1A～PWM6A转换成PWM1B～PWM6B，电平均为VCC2。PWM1A与PWM1B信号除了电平幅值不一样和可以忽略不计的延时之外，其他相同，对后面的电路作用也一样。同样的PWM2A与PWM2B对应，PWM3A与PWM3B对应，PWM4A与PWM4B对应，PWM5A与PWM5B对应，PWM6A与PWM6B对应。如果用PWM1A～PWM6A直接作用于后面的光耦电路，则会因为后面负载过重，导致控制芯片U发热严重，甚至不能工作，所以采用此电平转换芯片U1进行缓冲。电平转换芯片U1的22脚为SN74LVC4245A的使能端，为低时，芯片将PWM1A～PWM6A即时转换为PWM1B～PWM6B输出。为高时，则不转换，即使有PWM1A～PWM6A信号输入，也不会有PWM1B～PWM6B输出。因此该脚用于控制是否将控制芯片U发出的PWM信号转换并输出。该引脚用于连接至后面电路反馈的短路故障Fault信号。Fault信号同时与后面每一路的信号即Fault1～Fault6连接，Fault1～Fault6同时为高时Fault为高，任一个为低时Fault为低。如果Fault为高电平，则SN74LVC4245A封锁输出。如果Fault为低电平，则SN74LVC4245A将PWM1A～PWM6A即时转换为PWM1B～PWM6B输出。同时，Fault信号也作为控制芯片U的一个输入，为低时，控制芯片正常发出PWM1A～PWM6A，为高时，不发出PWM1A～PWM6A，同样可以在产生短路故障时封锁PWM输出，但因为是程序处理，时间较长，所以一般不用来做短路保护，而只是做辅助处理。短路保护主要是靠控制芯片U，也就是SN74LVC4245A直接封锁输出实现的。C1、C4为芯片SN74LVC4245A必须的旁路电容。

由于从SN74LVC4245A出来的PWM1B～PWM6B之后的电路都是完全相同的，这里只用PWM1B来说明。如图3所示：VCC为正电源16V，VEE为负电源-10V，GNDE为VCC及VEE的参考地。当PWM1B为低电平时，光耦U2输出Vo为负电压-10V。经过驱动R5之后，到达IGBT单元Q1的驱动极，也为负电压-10V,根据IGBT单元Q1要正电压才开通的特性，此时IGBT关断，集电极与发射极电阻极大，二极管D1处于截止状态。另一支路，R4-D2-R2，D2下端电压为：

VCC＝16V,VEE＝-10V，0.7为二极管D2的导通压降，设置R4＝15K,R2＝10K，则D2下端电压根据上述公式计算出约为0V，也即稳压管D3上端阴极电压为0V，此时D3处于反向截止状态。于是光耦U3截止，此时，光耦输出Fault1为低电平，SN74LVC4245A使能信号为低，能够正常接收及转换信号，即在IGBT处于关断时，本就不存在短路的情况时，该电路始终处于不保护的状态。同时Fault信号也会传至控制芯片，告诉控制芯片，后面电路正常无故障。

当PWM1B为高电平时，光耦U2输出Vo为正电压16V，二极管D2反向截止，VCC通过R4对电容C3充电。同时，IGBT被驱动，IGBT导通，IGBT集电极与发射极两端压降开始降低，电流开始增加。VCC对C3充电的最终电压受两个支路的控制，一路是R3-D1-Q1整体压降；另一路是D3-U3整体压降。VCC对C3的充电时间由电阻R4及电容C3共同决定，设置这个充电时间一方面是防止瞬间的干扰导致保护电路误动作，另一方面IGBT本身也具有一定时间的短路承受能力。所以充电时间可以根据IGBT短路电流承受时间来设置。D3-U3支路压降为D3固定的击穿电压Vd3及U3中发光二极管相对固定的导通压降Vd之和决定，即Vd3+Vd，这里设定为V1；R3-D1-Q1支路压降为Q1导通压降Vq1、D1导通压降Vd1及电阻R3压降Vr3,该支路电流一般取0.001A,R3取值一般68Ω，所以R3上压降Vr3为0.001*68＝0.068V,而D1压降Vd1约为0.7V,Q1上压降根据具体的IGBT不同，Vq1约在5V左右，所以Vr3可以忽略不计。即支路压降为Vq1+Vd1，这里设定为V2。Vq1在IGBT集电极通过不同电流时值不一样，在Q1没发生短路时，集电极电流相对较小，Vq1较低，在发生短路时，集电极电流急剧加大，Vq1也急剧加大，通过这个特性，我们可以通过检测Vq1来判断IGBT是否发生短路。具体原理是：如果导通时V2小于V1，即Q1正常导通，无短路，此时Vq1较低，电容C3将被充电至V2，因为D3两端电压小于击穿电压，此时D3截止，光耦输出为Fault1为低，SN74LVC4245A的使能信号Fault为低，SN74LVC4245A继续被使能，IGBT继续被导通，设备正常工作。如果导通时V2大于V1，即Q1短路，此时Vq1较高，D3两端压降大于击穿电压，D3反向导通，光耦导通，光耦输出Fault1为电平，返回至SN74LVC4245A的使能信号Fault也为高，SN74LVC4245A使能被禁止，SN74LVC4245A封锁PWM1B～PWM6B输出，关断所有的IGBT,同时控制芯片检测到Fault为高后，停止输出PWM信号，IGBT被保护，设备停止运行。即在开通IGBT过程中，如果检测到IGBT导通压降过高，达到保护条件，IGBT保护；如果检测到IGBT导通压降较小，达不到保护条件，IGBT不保护。

本实用新型与现有技术相比：1、采用分立元件构建驱动及保护，极大的节省成本，而且能做到对使用的IGBT进行最优的驱动设计，采用的分立元件，规格，数量，及电路形式都可以根据不同的IGBT或者应用进行最优的设计。2、简单的驱动电路，减少了驱动环节硬件产生的延时，从而减少了因为延时带来的负面影响。3、简单有效的IGBT短路检测电路，及时检测短路故障，及时关断所有的IGBT，防止在故障发生时其他IGBT仍在工作的现象，对所有的IGBT进行保护。