专利名称：抑制igbt过电流的驱动电路的制作方法
技术领域：
抑制IGBT过电流的驱动电路技术领域[0001]本实用新型涉及电源技术领域，特别涉及一种抑制IGBT过电流的驱动电路。
技术背景[0002]IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型功率管)作为不间断电源(UPS)或其他电器设备的功率部件，是关系到设备是否正常运行和可靠运行的关键功率器件，IGBT的器件性能直接关系到设备是否能正常运行及其使用寿命。根据IGBT的工作特性，开通时，最佳的驱动电压为15V士 10%，15V的驱动电压使IGBT处于充分饱和状态， 通态压降也比较低，高于15V的驱动电压难以实现IGBT的过流、短路等保护，IGBT承受过电流的时间大大缩短，影响IGBT的可靠工作，驱动电压低于15V时，IGBT的通态损耗有所增加，但是IGBT承受过电流或短路电流的时间有所延长，且IGBT的关断时产生的应力也较小。所以为使IGBT工作在最佳状态，正常驱动电压控制在15V士 10%，异常时可利用IGBT的特性进行适当保护。[0003]造成IGBT损坏的原因有多种，如过电流、过电压、过温度、栅极过电压、功率循环疲劳等多种因素，应用实践表明，过电流是IGBT电力电子线路中经常发生的故障，也是损坏IGBT的主要原因之一，所以过流保护在IGBT应用中应优先考虑。IGBT对过电流或短路的承受时间一般在IOus以内，所以要求IGBT的过电流保护响应速度必须要快。而目前常用的过电流保护一般有如下两种对于因负载过载等因素引起的过电流通常采用电流霍尔传感器侦测，由控制电路实行保护。而对于因负载短路或IGBT上下桥臂直通引起的过电流保护，如此的保护方法响应时间是不够的，在控制电路从检测到过流到发出信号，再到信号的传输执行，这个时间可能会超出IGBT短路所能承受的时间，很显然这种短路保护采用上述方法已经存在弊端。所以类似的保护业界通常采用检测IGBT饱和压降的方法进行保护，因IGBT的特性是当IGBT过流时，其饱和压降将随着电流的增大而增大，利用IGBT这一特性可以实现通过检测饱和压降Vce来实现IGBT的过电流保护。比如目前市场上常见的 M57962AL、HC316J等集成电路都是采用这种检测饱和压降Vce实现过电流保护，如图1、图 2所示。但这些电路都是集成IC器件，需要配合外围电路方能实现作用，使用灵活性差，电路实现成本高，保护过程复杂等。实用新型内容[0004]针对上述现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种抑制IGBT过电流的驱动电路，其可以减少IGBT的关断应力，延长IGBT短路承受时间，延长保护电路动作时间，且实现成本低，灵活性高，电路简单，实用性强。[0005]为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案[0006]一种抑制IGBT过电流的驱动电路，包括隔离驱动电路、降栅压钳位电路、推挽放大电路、报警输出电路、以及过电压检测电路，其中，隔离驱动电路的输出端、降栅压钳位电路的第一输出端与推挽放大电路的输入端连接，推挽放大电路的输出端与IGBT驱动回路连接，过电压检测电路的输入端与IGBT驱动回路连接、输出端与降栅压钳位电路的输入端连接，降栅压钳位电路的第二输出端与报警输出电路的输入端连接。[0007]根据上述本实用新型方案，其可以实现对IGBT过电流的有效抑制，不仅可以减少 IGBT过电流时的关断应力，还可延长IGBT短路承受时间，增强IGBT短路电流承受能力，且实现成本低，灵活性高，电路简单，实用性强。
[0008]图1是现有技术中的一种对IGBT过电流保护的电路示意图。[0009]图2是现有技术中的另一种IGBT过电流保护的电路示意图。[0010]图3是本实用新型的抑制IGBT过电流的驱动电路的结构示意图。[0011]图4是本实用新型的驱动电路实施例的电路结构示意图。
具体实施方式
[0012]以下结合其中的较佳实施例对本实用新型方案进行详细说明。[0013]参见图3所示，是本实用新型的抑制IGBT过电流的驱动电路的结构示意图，其包括有隔离驱动电路、降栅压钳位电路、推挽放大电路、报警输出电路、以及过电压检测电路，其中，隔离驱动电路的输出端、降栅压钳位电路的第一输出端与推挽放大电路的输入端连接，推挽放大电路的输出端与IGBT驱动回路连接，过电压检测电路的输入端与IGBT驱动回路连接、输出端与降栅压钳位电路的输入端连接，降栅压钳位电路的第二输出端与报警输出电路的输入端连接。[0014]如图4所示，是在一个具体示例中本实用新型的抑制IGBT过电流的驱动电路的电路结构示意图。[0015]图4所示中，对本实用新型的隔离驱动电路、降栅压钳位电路、推挽放大电路、报警输出电路、过电压检测电路的具体示例分别进行了说明。图4所示中，隔离驱动电路主要由TLP光电耦合器U1、电阻R1、电容Cl和二极管Dl组成，降栅压钳位电路由三极管Ql、三极管Q2、二极管02、电阻1 4、1 5、1 6、1 3、1 9、电容C3及微分电容C4组成，推挽放大电路由三极管Q3、Q4组成，图4中所示的推挽放大电路是目前市场上通用的电路，报警输出电路由稳压二极管DZ2、限流电阻R8和光电耦合器U2组成，过电压检测电路由高压二极管D3、D4、电阻R2、电容C2以及稳压二极管DZl等组成。[0016]图4所示的具体实施方式
中，正电源+VCC接入TLP光电耦合器Ul的8脚、电容Cl、 电阻R5、电容C4、稳压二极管DZ2的负极以及三极管Q4的集电极，TLP光电耦合器Ul的7 脚、6脚相接后与电阻R1、二极管Dl的负极连接，并通过电阻R6与三极管Q2的发射极、电阻R7、电容C5、三极管Q3的基极、三极管Q4的基极连接，电阻Rl的另一端、二极管Dl的正极与电阻R2、稳压二极管DZl的负极以及电容C2连接，电阻R2的另一端与高压二极管D3 的正极连接，高压二极管D3的负极与高压二极管D4的正极连接，高压二极管D4的负极与 IGBT的集电极连接，稳压二极管DZl的正极与电阻R3、电容C3以及三极管Ql的基极连接， 三极管Ql的集电极通过电阻R4与二极管D2的负极、电阻R5的另一端、电容C4的另一端以及以及电阻R8连接，电阻R8的另一端通过光电耦合器U2与稳压二极管DZ2的正极连接， 通过光电耦合器U2输出故障输出信号。二极管D2的正极与三极管Q2的基极连接，三极管Q2的集电极与电阻R9连接，TLP光电耦合器Ul的5脚、电容Cl的另一端、电容C2的另一端、电阻R3的另一端、电容C3的另一端、三极管Ql的发射极、电阻R9的另一端、电阻R7的另一端、电容C5的另一端以及三极管Q3的集电极接入负电源-VEE。三极管Q3的发射极与三极管Q4的发射极连接后，通过电阻Rg接入IGBT驱动回路。图4所示中，Rg、Rge、Cge 等是IGBT驱动的外围器件，不在本实用新型方案之内，在此不予赘述。[0017]其中，图4所示中，C3、C5为杂讯滤波电容，以消除噪音，在没有必要时可省略，R3、 R7为输入信号为低时的低电平(钳位到地)的下拉电阻，以保证输入信号为低时三极管Ql 和Q3不导通，进行误动作保护，无必要时也可以省略。[0018]正常工作时，IGBT开通，正常开通时IGBT的饱和压降较低，正驱动电压通过R1、 R2施加在过流检测二极管D3、D4的正极而使得D3、D4D导通，+VCC通过Rl、R2、D3、D4和 IGBT的Vce (即图中的C点电压)构成分压回路在R2端分得的B点电压Ul钳位在稳压二极管DZl的击穿电压以下，三极管Ql处于截止状态。PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号通过Q4和驱动电阻Rg正常开通和关断IGBT。电容C2提供一个IGBT开通过程Vce下降过程中防止误动作的作用，调整C2可以调整电路的响应速度和灵敏度。C2不宜过大或过小，过大则会引起响应速度变慢，起不到保护效果，过小则会提高电路动作的灵敏度，易发生误保护的可能，所以C2需依据具体情况合理选择。[0019]当IGBT开通过程中发生过流和短路故障时，IGBT的饱和压降Vce迅速上升，C点电位迅速上升，设置好IGBT过电流时的Vce值，保证在过电流发生时+VCC通过R1、R2、D3、 D4和IGBT的Vce构成分压回路在R2端分得的B点电压超出DZl的稳定击穿电压时，B点电压就会由Rl给C2充电，B点电位从正常开通时的Ul开始上升，当升到DZl的额定击穿电压时，DZl击穿，Ql开通，由C4和R4组成的微分电路开始动作，A点电压由原+Vcc开始下降，当电压下降幅度超过D2和Q2的Vbe压降之和时，Q4的基极电压即被D2的负极电压钳位，并随着D2负极电压的下降而下降，因Q4采用的是共集电极接法(射极跟随器)，依据晶体管的特性，Q4的射极驱动电压信号也将跟随Q4的基极电位下降，从而实现降低IGBT 驱动电压来抑制过电流的目的，微分电容C4充电是一个缓慢的过程，所以IGBT的栅极电压也是缓慢下降的，实现了过流的软关断，提高IGBT的短路电流承受能力和时间。改变R5和 R4的比值，可改变栅极电压下降“幅度”，改变R4C4的值，可以改变栅极电压下降的“速度”。 实际使用可依据需要进行适当调整。和微分电容C4并联的DZ2、U2、R8为过流故障输出信号，当A点电压降至一定值时，DZ2击穿，光耦U2导通，输出一个故障信号给主控电路进行封锁PWM信号或执行驱动保护，过电流故障输出信号的时间可设置不同的DZ2值，来实现栅极电压下降到何值时输出故障信号。当在延时保护过程中，过流信号消失了，则B点电压降低，Ql恢复截止，C4通过R5放电，A点电压持续升高至+VCC，Vge逐渐恢复，直至Q2恢复截止，IGBT的Vge恢复正常的+VCC驱动电压，电路恢复正常工作状态。[0020]当PWM信号变低时，C2上的电压通过Dl迅速放电，保证DZl不击穿，Ql不导通，直至下一个PWM高电平到来时，C2重复被充电，执行下一个循环。[0021]在一个具体的实现方式中，在正常工作过程中，令+VCC=15V，-VEE=_5V。[0022]当Ul的2、3脚有PWM高电平信号时，Ul导通，Ul的6脚输出高电平15V，Q4正常导通。C点电位正常在2V左右，B点电位被钳位在IOV左右，DZl不导通，Ql截止。电路正常工作。C2提供的延时时间为t=ln(15-10)/15=2. 4uSo[0023]正常关断过程为[0024]当Ul的2、3脚有PWM低电平信号时，Ul截止，Ul的6脚输出低电平_5V，Q3截止， IGBT关断。C2通过Dl迅速放电至-VEE+0. 7V左右，DZl不导通，Ql截止。电路正常关断。[0025]保护关断过程为[0026]当Ul的2、3脚有PWM高电平信号时，Ul导通，Ul的6脚输出高电平15V，Q4正常导通。期间出现短路等引起的过流时，C点电位迅速上升，D3、D4截止，C2被充电，由IOV充电至DZl击穿电压13V时的时间是[0027]13=15 (1-e-t/T)+10e-t/T[0028]T=R1C2[0029]t=l. 5us[0030]Ql导通，C4开始充电，A点由20V下降至R4和R5的分压的5. 7V (这里设置栅极电压下降到6. 5V的门槛点，设D2、Q2的Ube、Q4的Ube均为0. 7V)时间约为[0031]5.7=20 (1-e-t/T)[0032]T=R4C4[0033]t=l. 4us[0034]IGBT栅极驱动电压由+15V降至6. 5V的时间为1. 4us左右(假设D2、Q2、Q4的压降均为0.7V)，同时U2输出故障信号封锁IGBT驱动。整个保护时间小于10us，IGBT在整个过流过程中不至于损坏，实现保护效果。[0035]作为其中一种较佳的实施方式，上述电阻1 1、1 2、1 3、1 4、1 5、1 6、1 7、1 8、1 9的取值可分别为 2. 2K、18K、1K、4. 12Κ、10Κ、30、30Κ、100、3. 3Κ 欧姆(Ω )，上述 Cl、C2、C3、C4、C5 的取值可分别为104、102、102、102、471法拉(F)，稳压二极管DZl、DZ2的额定电压可分别设定为13V、10V，高压二极管D3、D4可选用BYV26E型号的高压二极管。[0036]上述本实用新型的抑制IGBT过电流的驱动电路，是利用IGBT过流时饱和压降Vce 升高的特点，利用低成本的分立器件设计出的一种新的抑制IGBT过电流的电路。当过流或短路发生时，通过快速检测IGBT的饱和压降Vce，保护电路在极短时间里采取先降栅压的方法，实现软关断过程，不但可以减少IGBT的关断应力，还可延长IGBT短路承受时间，及延长保护电路动作时间，增强IGBT短路电流承受能力，防止误动作等。实现成本低，灵活性高，电路简单、实用等特点。[0037]上述本实用新型的抑制IGBT过电流的驱动电路，电路简单、实用、可靠，成本低廉，参数可依据需要调整，并可以直接将虚线框内的电路(除D3、D4、Rg、Rge, Cge)统一封装成电路模块，适当改变外围的参数，如D3、D4，即可实现在任何地方均可应用。[0038]以上所述的本实用新型实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限定。任何在本实用新型的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的权利要求保护范围之内。
权利要求1.一种抑制IGBT过电流的驱动电路，其特征在于，包括隔离驱动电路、降栅压钳位电路、推挽放大电路、报警输出电路、以及过电压检测电路，其中，隔离驱动电路的输出端、降栅压钳位电路的第一输出端与推挽放大电路的输入端连接，推挽放大电路的输出端与IGBT驱动回路连接，过电压检测电路的输入端与IGBT驱动回路连接、输出端与降栅压钳位电路的输入端连接，降栅压钳位电路的第二输出端与报警输出电路的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的抑制IGBT过电流的驱动电路，其特征在于，所述隔离驱动电路包括TLP光电耦合器Ul、电阻Rl、电容Cl以及二极管Dl，电容Cl连接在TLP光电耦合器Ul的8脚与5脚之间，TLP光电耦合器Ul的7脚与6脚相接后与电阻Rl以及二极管Dl的负极连接，电阻Rl的另一端与二极管Dl的正极相连接。
3.根据权利要求1所述的抑制IGBT过电流的驱动电路，其特征在于，所述降栅压钳位电路包括三极管Q1、三极管Q2、二极管D2、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R9及微分电容C4，三极管Ql的集电极接电阻R4后与二极管D2的负极、电阻R5以及电容C4连接，电阻R5、电容C4的另一端接入正电源，三极管Ql的基极与过电压检测电路连接，三极管Ql的发射极接负电源，三极管Q2的集电极接电阻R9后接入负电源，三极管Q2的基极与二极管D2的正极连接，三极管Q2的发射极与电阻R6及推挽放大电路连接
4.根据权利要求3所述的抑制IGBT过电流的驱动电路，其特征在于，还包括连接于三极管Ql的基极与发射极之间的电阻R3 ；和/或连接于三极管Ql的基极与三极管Ql的发射极之间的电容C3。
5.根据权利要求3或4所述的抑制IGBT过电流的驱动电路，其特征在于，还包括电阻R7、电容C5，电阻R7与电容C5并联后，一端与三极管Q2的基极连接，一端接入负电源。
6.根据权利要求1所述的抑制IGBT过电流的驱动电路，其特征在于，所述报警输出电路包括依次串联的电阻R8、光电耦合器U2、稳压二极管DZ2，稳压二极管DZ2的正极与光电耦合器U2连接，光电耦合器U2的负极接入正电源。
7.根据权利要求1所述的抑制IGBT过电流的驱动电路，其特征在于，所述过电压检测电路包括高压二极管D3、高压二极管D4、电阻R2、电容C2、稳压二极管DZl，高压二极管D4的负极与IGBT连接、正极与高压二极管D3的负极连接，高压二极管D3的正极通过电阻R2与电容C2、稳压二极管DZl的负极连接，稳压二极管DZl的正极以及电容C2的另一端与降栅压钳位电路连接。
8.根据权利要求1所述的抑制IGBT过电流的驱动电路，其特征在于，该抑制IGBT过电流的驱动电路包括TLP光电耦合器Ul，光电耦合器U2，电阻Rl、R2、R4、R5、R6、R8、R9，二极管 Dl、D2，高压二极管 D3、D4，稳压二极管 DZ1、DZ2，三极管 Ql、Q2、Q3、Q4，电容 Cl、C2、C4，TLP光电耦合器Ul的8脚、电容Cl、电阻R5、电容C4、稳压二极管DZ2的负极以及三极管Q4的集电极接入正电源，TLP光电耦合器Ul的7脚、6脚相接后与电阻R1、二极管Dl的负极连接，并通过电阻R6与三极管Q2的发射极、三极管Q3的基极、三极管Q4的基极连接，电阻Rl的另一端、二极管Dl的正极与电阻R2、稳压二极管DZl的负极以及电容C2连接，电阻R2的另一端与高压二极管D3的正极连接，高压二极管D3的负极与高压二极管D4的正极连接，高压二极管D4的负极与IGBT的集电极连接，稳压二极管DZl的正极与三极管Ql的基极连接，三极管Ql的集电极通过电阻R4与二极管D2的负极、电阻R5的另一端、电容C4的另一端以及电阻R8连接，电阻R8的另一端通过光电耦合器U2与稳压二极管DZ2的正极连接，二极管D2的正极与三极管Q2的基极连接，三极管Q2的集电极与电阻R9连接，TLP光电耦合器Ul的5脚、电容Cl的另一端、电容C2的另一端、三极管Ql的发射极、电阻R9的另一端、三极管Q3的集电极接入负电源，三极管Q3的发射极与三极管Q4的发射极连接。
9.根据权利要求8所述的的抑制IGBT过电流的驱动电路，其特征在于还包括电阻R3、电阻R7、电容C3、电容C5中的任意一个或者任意组合，电阻R3连接于三极管Ql的基极与发射极之间，电阻R7连接于三极管Q3的基极与集电极之间，电容C3连接于三极管Ql的基极与发射极之间，电容C5连接于三极管Q3的基极与集电极之间。
专利摘要一种抑制IGBT过电流的驱动电路，包括隔离驱动电路、降栅压钳位电路、推挽放大电路、报警输出电路、以及过电压检测电路，其中，隔离驱动电路的输出端、降栅压钳位电路的第一输出端与推挽放大电路的输入端连接，推挽放大电路的输出端与IGBT驱动回路连接，过电压检测电路的输入端与IGBT驱动回路连接、输出端与降栅压钳位电路的输入端连接，降栅压钳位电路的第二输出端与报警输出电路的输入端连接。根据本实用新型方案，可以实现对IGBT过电流的有效抑制，不仅可以减少IGBT过电流时的关断应力，还可延长IGBT短路承受时间，增强IGBT短路电流承受能力，且实现成本低，灵活性高，电路简单，实用性强。
文档编号H02H9/02GK202333786SQ20112039025
公开日2012年7月11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