一种应用于全控型电力电子器件的驱动保护电路的制作方法

本发明涉及一种电子电路技术，特别是一种应用于全控型电力电子器件的驱动保护电路。

背景技术：

全控型电力电子器件(IGBT、MOSFET等)在当今的工业领域应用非常广泛，如高铁、动车组中的能量变换模块、太阳能、风能发电中的电能逆变模块、各类工业伺服驱动中逆变模块等，实现电能变换的核心功率器件就是全控型电力电子器件(IGBT、MOSFET等)。大功率全控型电力电子器件(IGBT、MOSFET等)不同于普通晶体管、晶闸管等，该类器件需要配备专用的驱动保护电路。对大功率全控型电力电子器件的驱动保护中非常重要的一个环节就是对其发生过流时的保护，如何能及时准确的检测到过流情况，并能在过流时安全可靠地关断大功率全控型电力电子器件是驱动保护电路设计的关键。然而，目前市面上的驱动电路或侧重于对过流情况的检测，或没有能实现对大功率全控型电力电子器件进行安全可靠的关断，因此，限制了该类驱动电路的应用范围。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种应用于全控型电力电子器件的驱动保护电路，包括、电源VCC、栅极驱动电路、栅极电阻换挡电路、Vce电压检测保护电路、短路信号FAULT输出电路；其中电源VCC用于提供工作电压；栅极驱动电路输入端接PWM脉冲，用于给电力电子器件提供输出功率和PWM脉冲；栅极电阻换挡电路用于当电力电子器件处于工作状态时电力电子器件具有较小的关断时间，或当电力电子器件处于过流状态时电力电子器件具有较大的关断时间；V_ce电压检测保护电路用于检测电力电子器件在导通器件时是否发生过流；短路信号FAULT输出电路用于在电力电子器件在导通器件发生过流时，输出FAULT信号给控制端。

本发明涉及的电路具有较强的驱动能力，可实现对目标器件发生过流时的检测保护，能够迅速、安全、可靠的关断目标器件，同时给控制侧输出过流信号。本电路具有信号传输延迟小、参数可配置、稳定可靠、成本低、外形尺寸小、适用性强等特点。

下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为本发明实施电路的原理图。

图2为本发明实施电路中输入PWM脉冲在各点的典型时序示意图。

图3为本发明实施电路中Vce电压检测保护电路动作时各点的典型时序示意图。

具体实施方式

结合图1，一种应用于全控型电力电子器件的驱动保护电路，包括、电源VCC、栅极驱动电路、栅极电阻换挡电路、V_ce电压检测保护电路、短路信号FAULT输出电路；其中

电源VCC用于提供工作电压；

栅极驱动电路输入端接PWM脉冲，用于给电力电子器件Q3提供输出功率和PWM脉冲；

栅极电阻换挡电路用于

当电力电子器件Q3处于工作状态时电力电子器件Q3具有较小的关断时间，

当电力电子器件Q3处于过流状态时电力电子器件Q3具有较大的关断时间；

V_ce电压检测保护电路用于检测电力电子器件Q3在导通器件时是否发生过流；

短路信号FAULT输出电路用于在电力电子器件Q3在导通器件发生过流时，输出FAULT信号给控制端.

图2中输入PWM信号的占空比为50％，电源电压为15V，第一稳压二极管DZ1的稳压数值为10V，第二稳压二极管DZ2的稳压数值为10V，第十七电阻R17的阻值为10KΩ。

一个提供工作电压的电源VCC，本实例中VCC选取15V。

栅极驱动电路，由电源电压VCC、第十三电阻R13、第一N沟道场效应管Q1、第二P沟道场效应管Q2、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16。主要作用是给第三电力电子器件Q3提供足够高的输出功率和满足开关特性要求的PWM脉冲。其中，第十三电阻R13的一端接入PWM脉冲，另一端分别接至第一N沟道场效应管Q1和第二P沟道场效应管Q2的栅极，第一N沟道场效应管Q1的漏极接至电源电压VCC，第十四电阻R14的一端接至第一N沟道场效应管Q1的源极，第十四电阻R14的另一端接至第三电力电子器件Q3的栅极，第二P沟道场效应管Q2的源极接至GND，第二P沟道场效应管Q2的漏极分别经过第十五电阻R15和第十六电阻R16后接至第三电力电子器件Q3的栅极。

栅极驱动电路的具体工作过程及原理：正常情况下，第八二极管D8的阴极为高电平电位，因此输入PWM脉冲可以正常控制第一N沟道场效应管Q1和第二P沟道场效应管Q2的导通和关断。当输入PWM脉冲为高电平时，第一N沟道场效应管Q1导通，第二P沟道场效应管Q2关断，此时电源电压VCC经过栅极电阻R14驱动第三电力电子器件Q3导通；当输入PWM脉冲为低电平时，第一N沟道场效应管Q1关断，第二P沟道场效应管Q2导通，而此时第五N沟道场效应管Q5导通，储存在第三电力电子器件Q3栅极上的电荷会经过第五N沟道场效应管Q5、第十五电阻R15和第二P沟道场效应管Q2对GND放电，从而使第三电力电子器件Q3关断。

栅极电阻换挡电路，包括电源电压VCC、第五N沟道场效应管Q5、第二电压比较器U2、第二电阻R2、第三二极管D3、第二电容C2、第二二极管D2、第一电容C1、第一稳压二极管DZ1和第一电阻R1。主要作用是可以根据第三电力电子器件Q3正常工作和发生过流时，提供不同的关断回路电阻，当第三电力电子器件Q3正常工作时，栅极电阻换挡电路会使第五N沟道场效应管Q5处于导通状态，从而使第十六电阻R16被旁路，此时关断回路电阻近似为第十五电阻R15，第三电力电子器件Q3具有较小的关断时间，关断损耗减小；当第三电力电子器件Q3发生过流时，栅极电阻换挡电路会使第五N沟道场效应管Q5处于关断状态，从而使第十六电阻R16处于关断回路中，此时关断回路电阻近似为第十五电阻R15和第十六电阻R16之和，第三电力电子器件Q3具有较大的关断时间，从而更好地抑制了因关断产生di/dt，防止第三电力电子器件Q3因承受过高的电压而被击穿损坏。其中，第二电阻R2一端接至电源电压VCC，第二电阻R2另一端接至第二电压比较器U2的引脚3，第二电压比较器U2的引脚4接至第四二极管D4的阴极，第二电压比较器U2的输出端接至第二二极管D2的阳极，第二二极管D2的阴极接至第三电压比较器U3的输出端，第三二极管D3的阴极接至第三电压比较器U3的输出端，第三二极管D3的阳极接至第二电压比较器U2的引脚3，第二电容C2的一端接至第二电压比较器U2的引脚3，第二电容C2的另一端接至第二电压比较器U2的输出端，第一稳压二极管DZ1的阴极接至第二电压比较器U2的输出端，第一稳压二极管DZ1的阳极经第一电阻R1接至GND，第一电容C1并联在第一稳压二极管DZ1的两端。

栅极电阻换挡电路的具体工作过程及原理：正常情况下，第三电压比较器U3输出端为高电平电位，第三二极管D3会正向截止，因此第二电压比较器U2的引脚3为高电平电位，即第二电压比较器U2的引脚3上的电压为电源电压15V，而因为第二稳压二极管DZ2的稳压数值为10V，所以第二电压比较器U2的引脚4被限制为10V，于是第二电压比较器U2输出高电平电位，第一电容C1、第一稳压二极管DZ1和第一电阻R1构成了一个稳压电路，由于第一稳压二极管DZ1的稳压数值为10V，因此当第二电压比较器U2输出高电平电位时，X2点的电位为5V，所以第五N沟道场效应管Q5导通，于是第十六电阻R16被旁路。当输入PWM脉冲为高电平时，第一N沟道场效应管Q1导通，此时电源电压VCC经过栅极电阻R14驱动第三电力电子器件Q3导通；当输入PWM脉冲为低电平时，第二P沟道场效应管Q2导通，储存在第三电力电子器件Q3栅极上的电荷会经过第五N沟道场效应管Q5、第十五电阻R15和第二P沟道场效应管Q2对GND放电。在此过程中，导通回路阻抗近似为第十四电阻R14的阻值，关断回路的阻抗近似为第十五电阻R15的阻值，结合图2，第三电力电子器件Q3栅极上的电位变化过程如PWM_OUT1所示，此时具有较小的关断时间t_down1。当发生第三电力电子器件Q3在导通器件发生过流情况时，第三电压比较器U3输出端在经过Δt(该时间在V_ce电压检测保护电路的工作原理中详细介绍)时间之后由高电平电位变为低电平电位。此时第三二极管D3会正向导通，因此第二电压比较器U2的引脚3为低电平电位，即第二电压比较器U2的引脚3上的电压为电源电压0V，而因为第二稳压二极管DZ2的存在，所以第二电压比较器U2的引脚4仍为10V，于是第二电压比较器U2输出低电平电位，X2点的电位被第一电阻R1拉低到低电平电位，所以第五N沟道场效应管Q5关断。当输入PWM脉冲为高电平时，第一N沟道场效应管Q1导通，此时电源电压VCC经过栅极电阻R14驱动第三电力电子器件Q3导通；当输入PWM脉冲为低电平时，第二P沟道场效应管Q2导通，储存在第三电力电子器件Q3栅极上的电荷会经过第十六电阻R16、第十五电阻R15和第二P沟道场效应管Q2对GND放电。在此过程中，导通回路阻抗近似为第十四电阻R14的阻值，关断回路的阻抗近似为第十五电阻R15和第十六电阻R16的阻值之和。结合图2，第三电力电子器件Q3栅极上的电位变化过程如PWM_OUT2所示，此时具有较大的关断时间t_down2。在正常情况下和发生过流情况时，第三电力电子器件Q3的导通时间不变，均为t_up。上面的工作机制实现了栅极电阻换挡的功能。

V_ce电压检测保护电路，由第一施密特反相器U1、第一二极管D1、第三电容C3、第四电阻R4、第五电阻R5、第二稳压二极管DZ2、第四电容C4、第四二极管D4、第五二极管D5、第六电阻R6、第五电容C5、第三电阻R3、电源电压VCC、第七电阻R7、第六二极管D6、第七二极管D7、第八电阻R8、第十二电阻R12、第八电容C8、第三电压比较器U3、第六电容C6、第八二极管D8、第十九电阻R19、第四施密特反相器U4、第五施密特反相器U5和第十八电阻R18组成。主要作用是检测第三电力电子器件Q3在导通器件是否发生过流，若发生了过流，V_ce电压检测保护电路就会触发栅极电阻换挡电路，增大第三电力电子器件Q3关断回路的阻抗，同时会立即阻断PWM输入信号，避免给第三电力电子器件Q3造成进一步损坏，最后通过短路信号FAULT输出电路输出FAULT脉冲。其中，第一施密特反相器U1的输入端接入PWM脉冲，第一施密特反相器U1的输出端接至第一二极管D1的阳极，第一二极管D1的阴极通过第三电容C3接至GND，第五电阻R5并联在第三电容C3的两端，第四电阻R4的一端接至第一二极管D1的阴极，第四电阻R4的另一端接至第二稳压二极管DZ2的阴极，第二稳压二极管DZ2的阳极接至GND，第四电容C4并联在第二稳压二极管DZ2的两端，第五二极管D5的阳极接至GND，第五二极管D5的阴极接至第四二极管D4的阳极，第四二极管D4的阴极接至第二稳压二极管DZ2的阴极，第六电阻R6并联在第四二极管D4的两端，第五电容C5并联在第五二极管D5的两端，电源电压VCC经第三电阻R3接至第二稳压二极管DZ2的阴极，第七电阻R7的一端接至第五二极管D5的阴极，第七电阻R7的另一端接至第六二极管D6的阳极，第六二极管D6的阴极接至第七二极管D7的阳极，第七二极管D7的阴极接至第三电力电子器件Q3的发射极，第八电阻R8的一端接至第五二极管D5的阴极，第八电阻R8的另一端接至第三电压比较器U3的引脚1，第六电容C6的一端接至第三电压比较器U3的引脚1，第六电容C6的另一端接至第三电压比较器U3的输出端，第八电容C8的一端接至第三电压比较器U3的引脚1，第八电容C8的另一端接至第三电压比较器U3的引脚2，第十二电阻R12的一端接至第一二极管D1的阴极，第十二电阻R12的另一端接至第三电压比较器U3的引脚2，第十八电阻R18的一端接至GND，第十八电阻R18的另一端接至第四施密特反相器U4的输入端，第四施密特反相器U4的输入端接至第二二极管D2的阴极，第四施密特反相器U4的输出端接至第五施密特反相器U5的输入端，第五施密特反相器U5的输出端接至第八二极管D8的阴极，第八二极管D8的阳极连接PWM脉冲，第十九电阻R19的一端接至GND，第十九电阻R19的另一端接至第五施密特反相器U5的输出端。

V_ce电压检测保护电路的具体工作过程和原理：正常情况下，当输入PWM脉冲为低电平时，第三电力电子器件Q3关断，同时，PWM脉冲经过第一施密特反相器U1后输出高电平，该高电平电位使第一二极管D1正向导通，并且对第三电容C3和第五电阻R5组成的阻容网络充电，由于充电回路的阻抗非常小，而第三电容C3的容值在pF级数值，因此可以认为充电过程为瞬间完成，充电完成后X1点的电位近似为电源电压15V，结合图2，即u_up1值为15V。一般情况下，在第三电力电子器件Q3关断时，加在第三电力电子器件Q3集电极和发射极之间的电压远远大于电源电压15V，结合图2，即u_up2值远远大于15V，因此第六二极管D6和第七二极管D7正向截止。由电源电压VCC、第三电阻R3、第四电容C4、第二稳压二极管DZ2构成一个稳压系统，第二稳压二极管DZ2的稳压数值为10V，因此C点的电位固定为10V，由第六电阻R6和第五电容C5构成了分压阻容电路，由于第五电容C5的直流容抗远大于第六电阻R6的阻抗，并且第六二极管D6和第七二极管D7均正向截止，因此D点的电位近似为10V。由第八电阻R8、第十二电阻R12、第三电压比较器U3构成电压比较器，由于X点的电位近似为15V，D点的电位近似为10V，因此第三电压比较器U3输出高电平。

当输入PWM脉冲为高电平时，第三电力电子器件Q3导通，PWM脉冲经过第一施密特反相器U1后输出低电平，该低电平电位使第一二极管D1正向截止，之前储存在第三电容C3上的电荷通过五电阻R5开始放电，放电过程结束后X1点的电位值由第四电阻R4和第五电阻R5组成的分压网络决定，根据前面的分析可知，C点的电位固定为10V，因此X1点的电位近似为：

放电时间的长短由第三电容C3的容值决定，放电时间常数τ：

τ＝RC

结合图2，放电过程结束后X1点的电位为u_delay1，即v_x1的值。整个放电过程持续时间为t_dealy1。

而此时，第三电力电子器件Q3开始导通，加在集电极和发射极之间的电压迅速下降，结合图2，第三电力电子器件Q3充分导通后，集电极和发射极之间的电压由u_up2降为u_delay2，整个过程持续时间为t_dealy2。

在进行电路设计时，合理配置各器件参数使u_dealy2的数值小于u_deal1的数值，并且t_dealy2的数值小于t_dealy1的数值，即第三电力电子器件Q3在更短的时间内使集电极和发射极之间的电压下降到一个更小的数值，忽略第六二极管D6和第七二极管D7均正向导通压降，则D点的电位始终小于X1点的电位，因此第三电压比较器U3一直输出高电平。

而只要第三电压比较器U3输出高电平就不会触发栅极电阻换挡电路动作，输入PWM脉冲可以正常控制第三电力电子器件Q3导通和关断，FAULT的输出为低电平。

当第三电力电子器件Q3在导通过程中发生过流，此时第三电力电子器件Q3集电极和发射极之间的电压迅速上升，电压值迅速超过电源电压15V，因此第六二极管D6和第七二极管D7均正向截止，则D点的电位开始上升，上升后最终的数值近似等于10V。结合图3做进一步说明，第一个周期是正常情况下的时序变化，实线表示X1点电位的变化过程，虚线表示D点电位的变化过程，由图可知，u_dealy2的数值小于u_deal1的数值，t_dealy2的数值小于t_dealy1的数值，在整个开关周期内D点的电位始终小于X1点的电位。第二个周期是过流情况下的时序变化，在第三电力电子器件Q3导通过程中，在E点发生过流，此后D点的电位开始上升并在F点开始大于X1点的电位，最后上升至接近10V。从第三电力电子器件Q3开始导通到F点之间的时间为Δt。根据前面的分析知，当F点开始D点的电位大于X1点的电位时，则第三电压比较器U3的输出由高电平变为低电平，而这一过程会触发栅极电阻换挡电路动作，并立即封锁输入PWM脉冲，同时触发短路信号FAULT输出电路动作。上面的工作机制实现了对V_ce电压的检测和对目标器件的保护。

短路信号FAULT输出电路，包括第九电阻R9、第七电容C7、电源电压VCC、第十电阻R10、第四PNP晶体管Q4、第十一电阻R11。主要作用是在第三电力电子器件Q3在导通器件发生过流时，输出脉冲FAULT给控制端。其中，第九电阻R9的一端接至电源电压VCC，第九电阻R9的另一端接至第三电压比较器U3的输出端，第七电容C7的一端接至第三电压比较器U3的输出端，第七电容C7的另一端接至第四PNP晶体管Q4的基极，第十电阻R10的一端接至电源电压VCC，第十电阻R10的另一端接至第四PNP晶体管Q4的基极,第四PNP晶体管Q4的发射极接至电源电压VCC，第四PNP晶体管Q4的集电极经第十一电阻R11接至GND，第四PNP晶体管Q4的集电极输出FAULT脉冲。

短路信号FAULT输出电路的具体工作过程和原理：正常情况下，第三电压比较器U3的输出端为高电平电位，而第四PNP晶体管Q4的基极电位近似为电源电压VCC，因此第四PNP晶体管Q4不导通，所以第四PNP晶体管Q4的集电极电位被第十一电阻R11下拉到低电平地位，FAULT为低电平；当第三电力电子器件Q3在导通时发生过流情况，则第三电压比较器U3的输出端由高电平电位变为低电平电位，于是第七电容C7瞬间的交流阻抗非常小，此时第四PNP晶体管Q4的基极电位是第七电容C7与第十电阻R10对电源电压VCC分压之后的值，而此值必然小于电源电压VCC，因此第四PNP晶体管Q4会瞬间导通，同时，电源电压VCC经第十电阻R10对第七电容C7充电，充电过程结束后，第四PNP晶体管Q4的基极电位重新近似为电源电压VCC，此时第四PNP晶体管Q4由导通变为截止。在这个过程中，第十一电阻R11上出现一个高电平脉冲，脉冲的宽度与第七电容C7充电时间有关。上述工作机制实现了在发生过流时，短路信号FAULT输出电路对外输出故障FAULT脉冲的功能。

栅极保护电路，由第九电容C9和第十七电阻R17组成，其中第九电容C9用作平滑电容，尤其是全控型电力电子器件发生短路时，可以减小栅极的振荡，第十七电阻R17用于在供电电压VCC在被关断的情况下，确保全控型电力电子器件处于可靠的关断状态。第九电容C9的一端接至第三电力电子器件Q3的栅极，第九电容C9的另一端接至第三电力电子器件Q3的发射极，第十七电阻R17并联在第九电容C9的两端。

栅极保护电路的具体工作过程和原理：选择阻值为10KΩ的第十七电阻R17置于第三电力电子器件Q3的栅极和发射极之间，可以在供电电压VCC在被关断的情况下，防止在第三电力电子器件Q3的栅极形成电荷积累而导致电位升高，最终导致第三电力电子器件Q3的意外导通。第九电容C9可以在第三电力电子器件Q3正常到导通时有效的过滤掉栅极电位出现的高频振荡，减小第三电力电子器件Q3被栅极和发射极之间的高幅值脉冲损坏的几率。