IGBT的驱动电路的制作方法

本发明涉及车辆技术领域，尤其涉及igbt的驱动电路。

背景技术：

在车辆技术中，尤其是电动汽车，绝缘栅双极晶体管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)的驱动电路是涉及到电动车安全性与可靠性的关键性技术。推挽电路常用于对于igbt进行驱动，然而，推挽电路自身不具有故障检测与保护功能。此外，专用的集成电路芯片也被设计和开发，以用于igbt的驱动。然而，集成电路芯片成本较高，并且一旦设计定型后，很难及时做出调整。集成电路芯片难以适用于不同的igbt，也难以适用于igbt的不同应用环境。

技术实现要素：

本发明的实施例提供一种igbt的驱动电路。

根据本发明的一个方面，igbt的驱动电路包括：隔离电路，电流源电路，推挽电路，保护电路。隔离电路与控制信号输入端，以及电流源电路耦接。隔离电路被配置为：接收来自控制信号输入端的控制信号，并向电流源电路输出控制信号。电流源电路与推挽电路耦接。电流源电路被配置为向推挽电路传输控制信号。推挽电路与igbt，以及保护电路耦接。推挽电路被配置为基于来自电流源电路的控制信号，控制igbt的导通和截止。推挽电路还被配置为基于来自保护电路的保护信号，控制igbt截止。保护电路与igbt耦接。保护电路被配置为：检测igbt的工作状态，并且在igbt故障的情况下，向推挽电路输出保护信号。

在本发明的实施例中，隔离电路包括：磁耦合隔离元件。磁耦合隔离元件的第一电压端与第一电源耦接，第一地端与第一电源地耦接。第二电压端与第二电源耦接，第二地端与第二电源地耦接。第一输入端与状态获取电路耦接，第一输出端与状态信号输出端耦接。第二输入端与控制信号输入端耦接，第二输出端与电流源电路耦接。

在本发明的实施例中，电流源电路包括：第一三极管，第二三极管，第三三极管，第一电阻，第二电阻。第一三极管的第一极与隔离电路耦接，第二极经过第一电阻与第二三极管的第二极耦接，第三极与第二电源地耦接。第二三极管的第一极、第二极与第三三极管的第一极耦接，第三极与第三电源耦接。第三三极管的第二极与推挽电路耦接，并且经过第二电阻与第四电源耦接，第三极与第三电源耦接。

在本发明的实施例中，第一极是基极，第二极是集电极，第三极是发射极。第一三极管是npn型，第二三极管是pnp型，第三三极管是pnp型。

在本发明的实施例中，电流源电路还包括：第四三极管、第五三极管。第四三极管、第五三极管耦接在第三三极管的第二极与推挽电路之间。第三三极管的第二极与第四三极管的第一极、第五三极管的第一极耦接。第四三极管的第二极与第四电源耦接，第三极与推挽电路耦接。第五三极管的第二极与第三电源耦接，第三极与推挽电路耦接。

在本发明的实施例中，第一极是基极，第二极是集电极，第三极是发射极。第四三极管是pnp型，第五三极管是npn型。

在本发明的实施例中，推挽电路包括：第六三极管、第七三极管。第六三极管的第一极与电流源电路耦接，第二极与第三电源耦接，第三极与igbt耦接。第七三极管的第一极与电流源电路耦接，第二极与第四电源耦接，第三极与igbt耦接。

在本发明的实施例中，第一极是基极，第二极是集电极，第三极是发射极。第六三极管是npn型，第七三极管是pnp型。

在本发明的实施例中，推挽电路还包括：第八三极管、第九三极管。第八三极管耦接在第六三极管和第三电源之间。第九三极管耦接在第七三极管和第四电源之间。第八三极管的第一极与第六三极管的第二极耦接，第二极与第六三极管的第三极耦接，第三极与第三电源耦接。第九三极管的第一极与第七三极管的第二极耦接，第二极与第七三极管的第三极耦接，第三极与第四电源耦接。

在本发明的实施例中，第一极是基极，第二极是集电极，第三极是发射极。第八三极管是pnp型，第九三极管是npn型。

在本发明的实施例中，保护电路包括：第一二极管，稳压二极管，第十三极管，第三电阻，第一电容。第一二极管的负极与igbt耦接，正极与稳压二极管的负极耦接。稳压二极管的正极与第十三极管的第一极耦接。第十三极管的第二极经过第三电阻与推挽电路耦接，第三极与第四电源耦接。第一电容耦接在第十三极管的第三极和推挽电路之间。

在本发明的实施例中，第一极是基极，第二极是集电极，第三极是发射极。第十三极管是npn型。

在本发明的实施例中，igbt的驱动电路还包括：状态获取电路。状态获取电路与保护电路，以及隔离电路耦接。状态获取电路被配置为获取保护电路的状态信号，并向隔离电路输出状态信号。隔离电路还与状态信号输出端耦接。隔离电路还被配置为向状态信号输出端输出状态信号。

在本发明的实施例中，状态获取电路包括：第十一三极管，第十二三极管，第四电阻，第五电阻。第十一三极管的第一极与保护电路耦接，第二极经过第四电阻与第十二三极管的第一极耦接，第三极与第三电源耦接。第十二三极管的第一极经过第五电阻与第二电源地耦接，第二极与隔离电路耦接，第三极与第二电源地耦接。

在本发明的实施例中，第一极是基极，第二极是集电极，第三极是发射极。第十一三极管是pnp型，第十二三极管是npn型。

本发明的实施例的igbt的驱动电路，结构简单，并且提供了信号隔离，故障保护等功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施例的技术方案，下面将对实施例的附图进行简要说明，应当知道，以下描述的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制，其中：

图1是本发明的实施例提供的igbt的驱动电路的示意性的框图。

图2是图1中的隔离电路的示意图；

图3是图1中的电流源电路的第一个示意性的电路图；

图4是图1中的电流源电路的第二个示意性的电路图；

图5是图1中的推挽电路的第一个示意性的电路图；

图6是图1中的推挽电路的第二个示意性的电路图；

图7是图1中的保护电路的示意性的电路图；

图8是图1中的状态获取电路的示意性的电路图；

图9是图1的igbt的驱动电路的一个示意性的时序图。

具体实施方式

为了使本发明的实施例的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明的实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，也都属于本发明保护的范围。

图1是本发明的实施例提供的igbt的驱动电路的示意性的框图。

如图1所示，根据本发明的一个方面，igbt的驱动电路可以包括：隔离电路1，电流源电路2，推挽电路3，保护电路5。隔离电路1与控制信号输入端ip，以及电流源电路2耦接。隔离电路1被配置为：接收来自控制信号输入端ip的控制信号，并向电流源电路2输出控制信号。电流源电路2与推挽电路3耦接。电流源电路2被配置为向推挽电路3传输控制信号。推挽电路3与igbt4，以及保护电路5耦接。推挽电路3被配置为基于来自电流源电路2的控制信号，控制igbt4的导通和截止。推挽电路3还被配置为基于来自保护电路5的保护信号，控制igbt4截止。保护电路5与igbt4耦接。保护电路5被配置为：检测igbt4的工作状态，并且在igbt4故障的情况下，向推挽电路3输出保护信号。

应当理解，“耦接”可以是任意形式的、直接或者间接的电连接。

在本发明的实施例中，控制信号输入端ip、状态信号输出端op可以和任意的控制装置(例如，单片机等)耦接。igbt的驱动电路使用隔离电路1对于控制装置进行隔离，分开了低压高压部分，可以提高稳定性和安全性。电流源电路2可以用于对于控制信号进行调整，这有利于igbt驱动电路应用于不同的igbt，或者不同的应用环境。此外，电流源电路2可以提供进一步的隔离功能，例如，使得位于电流源电路2的输出侧的推挽电路3、igbt4的电源地与其它的电源地(例如，位于电流源电路2的输入侧的隔离电路1的电源地)进一步隔离。保护电路5可以实现故障检测和保护功能，提高安全性。上述的电路均可以使用分离电路实现，因此，避免了集成电路芯片的使用。

如图1所述，在本发明的实施例中，igbt4的驱动电路还可以包括：状态获取电路6。状态获取电路6与保护电路5，以及隔离电路1耦接。状态获取电路6被配置为获取保护电路5的状态信号，并向隔离电路1输出状态信号。隔离电路1还与状态信号输出端op耦接。隔离电路1还被配置为向状态信号输出端op输出状态信号。

如果有故障产生，在保护电路5进行保护的同时，控制装置也可以通过状态信号了解到该情况。控制装置可以对于该故障进行记录，并进行必要的处理。

为了便于描述，控制信号输入端ip与隔离电路1耦接的点记为第一节点n1，隔离电路1与电流源电路2耦接的点记为第二节点n2，电流源电路2与推挽电路3耦接的点记为第三节点n3，推挽电路3与igbt4耦接的点记为第四节点n4。

以下，将参照图2-9对于上述各个部分进行进一步详细的描述。

图2是图1中的隔离电路1的示意图。

如图2所示，隔离电路1可以包括：磁耦合隔离元件101。磁耦合隔离元件101的第一电压端vdd1与第一电源vs1耦接，第一地端gnd1与第一电源地gnds1耦接。第二电压端vdd2与第二电源vs2耦接，第二地端gnd2与第二电源地gnds2耦接。第一输入端via与状态获取电路6耦接，第一输出端voa与状态信号输出端op耦接。第二输入端vib与控制信号输入端ip耦接，第二输出端vob与电流源电路2耦接。

磁耦合隔离元件101可以是任意的磁耦合隔离芯片，例如，adum1200系列，adum3211系列等。这些磁耦合隔离芯片可以具有单通道、或者多通道，可以具有单向、或者双向传输能力。磁耦合隔离元件101可以提供良好的隔离效果，并保证信号的良好传输。

作为一个示例，第一电源vs1可以提供5v的电压，并且该电源用于数字器件，即，数字电源。相应地，第一电源地gnds1提供0v的电压，是数字地。第二电源vs2也可以提供5v的电压，但是该电源用于模拟器件，即，模拟电源。相应地，第二电源地gnds2提供0v的电压，是模拟地。对应于电源的电压值，控制装置可以向磁耦合隔离元件101的第二输入端vib提供具有5v的有效电压的控制信号。该控制信号可以是脉冲的形式，或者脉宽调制(pwm)的形式。

在一个实施例中，隔离电路1还可以包括：发光二极管ld1。作为一个示例，发光二极管ld1的正极与第一输出端voa耦接，负极与第一电源地gnds1耦接。此时，在正常工作的情况下，第一输入端via收到来自状态获取电路6的高电平信号，第一输出端voa输出高电平信号，因此，发光二极管ld1被点亮。而在故障的情况下，第一输入端via接收来自状态获取电路6的低电平信号，此低电平信号指示igbt故障。然后，第一输出端voa输出低电平信号，因此，发光二极管ld1熄灭。

根据这样的设置，可以将第一输入端via通过电阻连接到高电平的电源，设置第一输入端via默认为高电平，以指示正常状态。这样，可以防止干扰信号造成的错误警告。

图3是图1中的电流源电路2的第一个示意性的电路图。

如图3所示，电流源电路2可以包括：第一三极管tr201，第二三极管tr202，第三三极管tr203，第一电阻r201，第二电阻r202。第一三极管tr201的第一极与隔离电路1耦接，第二极经过第一电阻r201与第二三极管tr202的第二极耦接，第三极与第二电源地gnds2耦接。第二三极管tr202的第一极、第二极与第三三极管tr203的第一极耦接，第三极与第三电源vs3耦接。第三三极管tr203的第二极与推挽电路3耦接，并且经过第二电阻r202与第四电源vs4耦接，第三极与第三电源vs3耦接。

在本发明的实施例中，作为一个示例，第三电源vs3可以提供15v的电压，第四电源vs4可以提供-7v的电压。

在本发明的实施例中，作为一个示例，对于三极管而言，第一极是基极，第二极是集电极，第三极是发射极。第一三极管tr201是npn型，第二三极管tr202是pnp型，第三三极管tr203是pnp型。应当理解，这并不是对于本发明的限制，在本发明提供的基本电路结构下，三极管的极性以及相对应的电源的电压可以被改变来实现同样的功能。这样的构思也属于本发明的范围。

在来自隔离电路1的高电平的有效控制信号的作用下，第一三极管tr201导通，进而使得第二三极管tr202、第三三极管tr203导通。这样的结构构成了镜像电流源，即，流过第二电阻r202的电流基本上等于流过第一电阻r201的电流，误差主要来源于二个三极管的特征的差异。为了尽量减少差异，可以选择包含多个三极管的芯片，例如，bc857系列。

通过计算流过第一电阻r201的电流即可知第二电阻r202中流过的电流。通过第二电阻r202中流过的电流的大小，即可调节第二电阻r202上的电压。此电压输出给推挽电路3，使得推挽电路3驱动igbt的门极。

此外，电流源电路2可以使得第二电源地gnds2与第四电源vs4分隔开。即，实现了igbt驱动电路的浮地。

图4是图1中的电流源电路2的第二个示意性的电路图。

在本发明的实施例中，电流源电路2还包括：第六电阻r206，第七电阻r207。第六电阻r206耦接在隔离电路1和第一三极管tr201的第一极之间。第七电阻r207耦接在第一三极管tr201的第三极和第二电源地gnds2之间。

通过第六电阻r206，第七电阻r207的选取和调节，可以控制第一三极管tr201集电极的电流大小。选取合适的第六电阻r206，第七电阻r207的值，可以确保第一三极管tr201工作在线性放大区而非饱和区。这样可以避免第一三极管tr201工作在饱和区时产生的由于退饱和时间较长而导致的信号传输延时问题。

作为示例，本发明的实施例中的三极管，例如第一三极管tr201，可以是mmbta系列，或者pbss系列。在控制信号的有效的高电压是5v的情况下，第六电阻r206的阻值可以为1k欧姆，第七电阻r207可以为2.2k欧姆。应当理解，这些具体的设置可以被任意的修改。

在本发明的实施例中，电流源电路2还包括：第四三极管tr204、第五三极管tr205。第四三极管tr204、第五三极管tr205耦接在第三三极管tr203的第二极与推挽电路3之间。第三三极管tr203的第二极与第四三极管tr204的第一极、第五三极管tr205的第一极耦接。第四三极管tr204的第二极与第四电源vs4耦接，第三极与推挽电路3耦接。第五三极管tr205的第二极与第三电源vs3耦接，第三极与推挽电路3耦接。

第三三极管tr203的第二极与第四三极管tr204的第一极、第五三极管tr205的第一极耦接的点记为第五节点n5。

第四三极管tr204可以是pnp型，第五三极管tr205可以是npn型。在第二节点n2为高电平，使得第五节点n5为高电平时，第五三极管tr205导通，以耦接第三电源vs3以及第三节点n3。第三电源vs3可以是15v的电压，以用于驱动推挽电路，以及igbt等器件。因此，第二节点n2为高电平时，第三节点n3也为高电平。从而，第四三极管tr204、第五三极管tr205实现进一步的隔离、以及电压调整的功能。

图5是图1中的推挽电路3的第一个示意性的电路图。

在本发明的实施例中，推挽电路3包括：第六三极管tr306、第七三极管。第六三极管tr306的第一极与电流源电路2耦接，第二极与第三电源vs3耦接，第三极与igbt4耦接。第七三极管tr307的第一极与电流源电路2耦接，第二极与第四电源vs4耦接，第三极与igbt4耦接。

作为一个示例，igbt4的门极g与第六三极管tr306的第三极耦接，发射极e与第二电源地gnds2耦接，集电极c与第五电源vs5耦接。

在本发明的实施例中，第六三极管tr306可以是npn型，第七三极管tr307可以是pnp型。

第三节点n3的高电平使得第六三极管tr306导通，第三电源vs3与第四节点n4耦接，使得igbt4的门极g为高电平，igbt4导通。

图6是图1中的推挽电路3的第二个示意性的电路图。

在本发明的实施例中，推挽电路3还包括：第八三极管tr308、第九三极管tr309。第八三极管tr308耦接在第六三极管tr306和第三电源vs3之间。第九三极管tr309耦接在第七三极管tr307和第四电源vs4之间。第八三极管tr308的第一极与第六三极管tr306的第二极耦接，第二极与第六三极管tr306的第三极耦接，第三极与第三电源vs3耦接。第九三极管tr309的第一极与第七三极管tr307的第二极耦接，第二极与第七三极管tr307的第三极耦接，第三极与第四电源vs4耦接。

在本发明的实施例中，第八三极管tr308是pnp型，第九三极管tr309是npn型。第六三极管tr306、第八三极管tr308构成达林顿管的结构。第七三极管tr307、第九三极管tr309构成达林顿管的结构。推挽电路3的驱动能力可以进一步得到加强。

此外，在第三电源vs3和第八三极管tr308的第一极之间设置第八电阻r308，在第四电源vs3和第九三极管tr309的第一极之间设置第九电阻r309，在第三节点n3和第六三极管tr306的第三极之间设置第十电阻r3010，在第三节点n3和第七三极管tr307的第三极之间设置第十一电阻r3011，在第八三极管tr308的第二极和第四节点n4之间设置并联的第十二电阻r3012和第十三电阻r3013，在第九三极管tr309的第二极和第四节点n4之间设置并联的第十四电阻r3014和第十五电阻r3015。这些电阻用于调节推挽电路3的工作状态，例如，使得第六三极管tr306、第七三极管tr307，第八三极管tr308，第九三极管tr309工作在放大区。作为一个示例性的取值，第八电阻r308是100欧姆，第九电阻r309是100欧姆，第十电阻r3010是10k欧姆，第十一电阻r3011是10k欧姆，第十二电阻r3012是20欧姆，第十三电阻r3013是20欧姆，第十四电阻r3014是10.5欧姆，第十五电阻r3015是10.5欧姆。

此外，推挽电路3还可以包括：第二二极管d302，第三二极管d303。第二二极管d302的正极与第四节点n4耦接，负极与第三电源vs3耦接。第三三极管d303的正极与第四电源vs4耦接，负极与第四节点n4耦接。第二二极管d302，第三二极管d303用于限制第四节点n4上的电压的范围。例如，在第四节点n4上的电压大于第三电源vs3的电压时，第二二极管d302导通，使得第四节点n4上的电压约等于第三电源vs3的电压，而不会过大。在第四节点n4上的电压小于第四电源vs4的电压时，第三二极管d303导通，使得第四节点n4上的电压约等于第四电源vs4的电压，而不会过小。

图7是图1中的保护电路5的示意性的电路图。

在本发明的实施例中，保护电路5包括：第一二极管d501，稳压二极管zd501，第十三极管tr5010，第三电阻r503，第一电容c501。第一二极管d501的负极与igbt4耦接，正极与稳压二极管zd501的负极耦接。稳压二极管zd501的正极与第十三极管tr5010的第一极耦接。第十三极管tr5010的第二极经过第三电阻r503与推挽电路3耦接，第三极与第四电源vs4耦接。第一电容c501耦接在第十三极管tr5010的第三极和推挽电路3之间。

在本发明的实施例中，第十三极管tr5010是npn型。

如果igbt4发生故障，例如短路，则导通压降会明显升高，集电极c的电压增加。该增加的电压使得第一二极管d510的正极电压升高，进而击穿稳压二极管zd501，使得第十三极管tr5010导通。第一电容c501上存储的电量经过第三电阻r503被放电至第四电源vs4。第三节点n3上的电压逐渐减小，使得推挽电路3逐渐停止对于igbt4的驱动。igbt4在短路的情况下可以被缓慢关断，防止短路电流损坏电路，并且能够防止突然关断对于电路的冲击。

保护电路5还可以包括：设置在电流源电路2和稳压二极管zd501的负极之间的第十六电阻r5016，设置在第一二极管d501的正极和稳压二极管zd501的负极之间的第十七电阻r5017。这些电阻可以起到限流，分压的作用。作为一个示例，第十六电阻r5016可以是3.92k欧姆、第十七电阻r5017可以是1k欧姆。

保护电路5还可以包括：第四二极管d504。第四二极管d504的正极与第三节点n3耦接，负极与第一电容c501耦接。第四二极管d504可以实现第三节点n3到放电电路(第三电阻r503、第一电容c501)之间的单向导通。

图8是图1中的状态获取电路6的示意性的电路图。

在本发明的实施例中，状态获取电路6包括：第十一三极管tr6011，第十二三极管tr6012，第四电阻r604，第五电阻r605。第十一三极管tr6011的第一极与保护电路5耦接，第二极经过第四电阻r604与第十二三极管tr6012的第一极耦接，第三极与第三电源vs3耦接。第十二三极管tr6012的第一极经过第五电阻r605与第二电源地gnds2耦接，第二极与隔离电路1耦接，第三极与第二电源地gnds2耦接。

在本发明的实施例中，第十一三极管tr6011是pnp型，第十二三极管tr6012是npn型。

具体而言，第十一三极管tr6011的第一极与保护电路5中的放电电路(第三电阻r503、第一电容c501)耦接。即，一旦该放电电路工作，使得第三节点n3的电压降低后，该降低的电压使得第十一三极管tr6011导通，第三电源vs3的高电压经过第四电阻r604、第五电阻r605分压后施加到第十二三极管tr6012的第一极，使得第十二三极管tr6012导通，表示igbt4故障的低电压的状态信号被传递到隔离电路1。

作为一个示例，第四电阻r604可以是30k欧姆、第五电阻r605可以是10k欧姆。

图9是图1的igbt4的驱动电路的一个示意性的时序图。

如图9所示，在第一节点n1接收到高电平的控制信号之后，第二节点n2、第五节点n5、第三节点n3、第四节点n4的电压依次变为高电压。igbt4被导通。

如图9所示，信号传输延迟可以很低。例如，第一节点n1和第二节点n2之间的延迟可以是约60ns，第二节点n2和第五节点n5之间的延迟可以是约20ns，第五节点n5和第三节点n3之间的延迟可以是约15ns，第三节点n3和第四节点n4之间的延迟可以是约26ns。

根据本发明的实施例，采用隔离电路1可以实现控制装置与igbt4之间低压与高压，数字电路与模拟电路的隔离。采用电流源电路2可以实现推挽电路3、igbt4等的浮地功能以及igbt4的驱动电压的可调节，并且减少信号传输的延迟。采用保护电路5、状态获取电路6实现对igbt4开关状态的诊断与反馈。保护电路5还可以实现igbt4故障时的缓关断。

根据本发明的实施例，未使用集成电路，结构简单、可靠、成本低，并且匹配性好，可针对不同的igbt进行内部参数调整。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。