一种高可靠性的低成本IGBT开关管控制电路的制作方法

本实用新型涉及电力电子技术，特别涉及一种高可靠性的低成本IGBT开关管控制电路。

背景技术：

绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)，是由双极型三极管和绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有绝缘栅型场效应管的高输入阻抗和双极型三极管的低导通压降两方面的优点，驱动功率小而饱和压降低，非常适合应用于变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

为使IGBT能可靠工作，需要设计IGBT的驱动电路，以确保能够向IGBT提供适当的正向栅压，使IGBT处于导通状态，并当IGBT需要处于截止状态时，停止向IGBT提供正向栅压。现有IGBT的驱动电路一般采用专用于IGBT驱动的芯片进行IGBT的驱动，然而其电路结构较复杂，成本较高。所以设计一款具有成本优势、高安全性的IGBT驱动电路是十分必要的。

技术实现要素：

为解决上述现有技术中提到的不足，本实用新型提供一种高可靠性的低成本IGBT开关管控制电路，包括IGBT、驱动电路和单片机；其中：

所述驱动电路包括光电耦合器OP1、三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、电容C1和稳压管ZD1；所述光电耦合器OP1中发光二极管的阳极连接至单片机，所述光电耦合器OP1中发光二极管的阴极连接至地线；所述光电耦合器OP1中光敏三极管的集电极分别通过电阻R10连接至第一直流电源、通过的电阻R13连接至三极管Q1的基极；所述光电耦合器OP1中光敏三极管的发射极连接至地线；

所述三极管Q1的发射极连接至地线；所述三极管Q1的集电极分别与所述三极管Q2的基极、所述三极管Q3的基极以及电阻R11的一端相连接；所述电阻R11的另一端连接至所述第一直流电源；

所述三极管Q2的集电极通过电阻R12连接至所述第一直流电源；所述三极管Q2的发射极与所述三极管Q3的发射极相连接，所述三极管Q2的发射极还通过电阻R2连接至IGBT的栅极；所述三极管Q3的集电极连接至地线；

所述稳压管ZD1的负极分别通过电阻R1连接至第一直流电源、通过电阻R3连接至所述IGBT的栅极，所述稳压管ZD1的负极还连接至所述IGBT的发射极；所述电容C1与所述稳压管ZD1并联连接；

所述IGBT的集电极和发射极串联连接在工作负载的供电回路上。

进一步地，所述三极管Q1和所述三极管Q2为NPN型三极管；所述三极管Q3为PNP型三极管。

进一步地，所述三极管Q1的基极还通过电容C2连接至地线。

进一步地，所述三极管Q2的集电极还通过电容C3连接至所述第一直流电源。

进一步地，所述第一直流电源的输出电压为+24V。

进一步地，还包括过流保护电路；所述过流保护电路包括三极管Q4、三极管Q5和过流侦测电路；所述三极管Q5的集电极和发射极串联连接在所述光电耦合器OP1中发光二极管的阴极与地线的连接线上；所述三极管Q5的基极通过电阻R5连接至第二直流电源；所述三极管Q5的基极还与所述三极管Q4的集电极相连接；所述三极管Q4的发射极连接至地线，所述三极管Q4的基极连接至所述过流侦测电路；所述过流侦测电路用于根据所述工作负载的供电回路上通过的电流值大小，向所述三极管Q4的基极输出高电平电压或者低电平电压。

进一步地，所述过流侦测电路包括电流采样电阻RH和电压比较器；所述电流采样电阻RH串联连接在所述工作负载的供电回路上，电容C4和电阻R14串联连接后与所述电流采样电阻RH并联连接；所述电压比较器的反相输入端连接至所述电容C4与所述电阻R14的公共端，所述电压比较器的正相输入端通过电阻R15连接至基准电源；所述电压比较器的输出端连接至所述三极管Q4的基极。

本实用新型提供的高可靠性的低成本IGBT开关管控制电路，通过驱动电路向IGBT栅极输出大于+15V的正电压信号或者小于-5V负电压信号；可靠的实现IGBT开关管的打开和关闭功能，有效防止IGBT受到电路中电压噪声的影响；同时通过光电耦合器实现单片机与驱动电路的电气隔离，提高控制电路的安全性。本实用新型提供的高可靠性的低成本IGBT开关管控制电路，无需使用特定的IGBT驱动芯片，电路结构简单，生产成本低，且IGBT的打开和关闭功能都稳定可靠，不会被电路中的噪声所干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的一种高可靠性的低成本IGBT开关管控制电路的电路原理图；

图2为图1中过流侦测电路的电路原理图。

附图标记：

10单片机 20工作负载 30第一直流电源

40过流侦测电路 41电压比较器 42基准电源

50第二直流电源

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用于区分不同的组成部分。“一端”、“另一端”等类似词语，仅是指示装置或元件的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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。“包括”或者“包含”等类似词语意指出在该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似词语并非限定于物理或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

图1为本实用新型实施例提供的一种高可靠性的低成本IGBT开关管控制电路的电路原理图，如图1所示，本实用新型提供的高可靠性的低成本IGBT开关管控制电路，包括IGBT、驱动电路和单片机10；其中：

驱动电路包括光电耦合器OP1、三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、电容C1和稳压管ZD1；所述光电耦合器OP1中发光二极管的阳极连接至单片机10，所述光电耦合器OP1中发光二极管的阴极连接至地线；所述光电耦合器OP1中光敏三极管的集电极分别通过电阻R10连接至第一直流电源30、通过的电阻R13连接至三极管Q1的基极；所述光电耦合器OP1中光敏三极管的发射极连接至地线；

所述三极管Q1的发射极连接至地线；所述三极管Q1的集电极分别与所述三极管Q2的基极、所述三极管Q3的基极以及电阻R11的一端相连接；所述电阻R11的另一端连接至所述第一直流电源30；

所述三极管Q2的集电极通过电阻R12连接至所述第一直流电源30；所述三极管Q2的发射极与所述三极管Q3的发射极相连接，所述三极管Q2的发射极还通过电阻R2连接至IGBT的栅极；所述三极管Q3的集电极连接至地线；

所述稳压管ZD1的负极分别通过电阻R1连接至第一直流电源30、通过电阻R3连接至所述IGBT的栅极，所述稳压管ZD1的负极还连接至所述IGBT的发射极；所述电容C1与所述稳压管ZD1并联连接；

所述IGBT的集电极和发射极串联连接在工作负载20的供电回路上。

具体实施时，如图1所示，光电耦合器OP1的输入侧为发光二极管，发光二极管的阳极连接至单片机10，发光二极管的阴极连接至地线；光电耦合器OP1的输出侧为光敏三极管，光敏三极管的集电极通过电阻R10连接至第一直流电源30，光敏三极管的发射极连接至地线；当单片机10向光电耦合器输出高电平信号时，光电耦合器OP1的发光二极管有工作电流，因此光电耦合器OP1的集电极和发射极之间导通；当单片机10向光电耦合器输出低电平信号时，光电耦合器OP1的发光二极管没有工作电流，因此光电耦合器OP1的集电极和发射极之截止。

三极管Q1为NPN型三极管，三极管Q1的基极通过电阻R13、电阻R10连接至第一直流电源30，三极管Q1的集电极通过电阻R11连接第一直流电源30，三极管Q1的发射极接地；三极管Q2为NPN型三极管，三极管Q2的基极与三极管Q1的集电极相连接，三极管Q2的集电极通过电阻R12连接至第一直流电源30，三极管Q2的发射极和三极管Q3的发射极相连接；三极管Q3为PNP型三极管，三极管Q3的基极也与三极管Q1的集电极相连接，三极管Q3的集电极接地；如图1所示，三极管Q2的发射极和三极管Q3的发射极相连接处通过电阻R2连接节点OUT+，节点OUT+与IGBT的栅极线连接；

如图1所示，第一直流电源30还通过电阻R1、电容C1连接至地线，电容C1并联连接有稳压管ZD1，本实用新型实施例中，第一直流电源30的输出电压为+24V，稳压管ZD1的稳压值为7.5V；稳压管ZD1的正极接地，稳压管ZD1的负极连接节点OUT-；节点OUT-与IGBT的发射极相连接；节点OUT-还通过电阻R3与节点OUT+相连接；

本实用新型实施例提供的高可靠性的低成本IGBT开关管控制电路，具体工作原理描述如下：

当单片机10向光电耦合器OP1输出低电平信号时，光电耦合器OP1的集电极和发射极之截止；第一直流电源30经过电阻R10、电阻R13给三极管Q1提供基极偏置电流，三极管Q1的集电极和发射极饱和导通到地线，此时三极管Q2的基极和三极管Q3的基极导通到地线，即三极管Q2的基极电压和三极管Q3的基极电压接近为0V；此时三极管Q2截止，三极管Q3导通；第一直流电源30的另外一个回路经过电阻R1给电容C1充电，由于稳压管ZD1并联在电容C1两端，电容C1的充电电压稳定在7.5V左右，也就是节点OUT-的输出电压为7.5V左右；此时节点OUT+通过电阻R2、三极管Q3极导通到地，也就是节点OUT+的输出电压接近为0V；节点OUT+相对节点OUT-的电压＝0V-7.5V＝-7.5V，即IGBT的栅极相对于发射极的电压差为-7.5V，确保IGBT在哪怕是栅极出现开关噪声的情况下仍然能够可靠截止；

当单片机10向光电耦合器输出高电平信号时，光电耦合器OP1的集电极和发射极之间导通；三极管Q1的基极导通到地线，三极管Q1截止；此时第一直流电源30为三极管Q2的基极和三极管Q3的基极供电，即三极管Q2的基极电压和三极管Q3的基极电压接近为+24V；此时三极管Q2导通，三极管Q3截止；此时节点OUT+通过电阻R2、三极管Q2、电阻R12导通到第一直流电源30，也就是节点OUT+的输出电压接近为24V；节点OUT+相对节点OUT-的电压＝24V-7.5V＝16.5V，即IGBT的栅极相对于发射极的电压差为+16.5V，确保IGBT在哪怕是栅极出现开关噪声的情况下仍然稳定导通。

本实用新型实施例提供的高可靠性的低成本IGBT开关管控制电路，通过驱动电路向IGBT栅极输出大于+15V的正电压信号或者小于-5V负电压信号；可靠的实现IGBT开关管的打开和关闭功能，有效防止IGBT受到电路中电压噪声的影响；同时通过光电耦合器实现单片机与驱动电路的电气隔离，提高控制电路的安全性。本实用新型实施例提供的高可靠性的低成本IGBT开关管控制电路，无需使用特定的IGBT驱动芯片，电路结构简单，生产成本低，且IGBT的打开和关闭功能都稳定可靠，不会被电路中的噪声所干扰。

优选地，所述三极管Q1的基极还通过电容C2连接至地线。具体实施时，三极管Q1的基极还通过电容C2连接至地线，确保光电耦合器OP1的光敏三极管在导通时，三极管Q1的基极电压稳定地维持在低电平，确保三极管Q1处于截止状态。

优选地，所述三极管Q2的集电极还通过电容C3连接至所述第一直流电源30。

优选地，还包括过流保护电路；所述过流保护电路包括三极管Q4、三极管Q5和过流侦测电路40；所述三极管Q5的集电极和发射极串联连接在所述光电耦合器OP1中发光二极管的阴极与地线的连接线上；所述三极管Q5的基极通过电阻R5连接至第二直流电源50；所述三极管Q5的基极还与所述三极管Q4的集电极相连接；所述三极管Q4的发射极连接至地线，所述三极管Q4的基极连接至所述过流侦测电路40；所述过流侦测电路40用于根据所述工作负载20的供电回路上通过的电流值大小，向所述三极管Q4的基极输出高电平电压或者低电平电压。

优选地，所述过流侦测电路40包括电流采样电阻RH和电压比较器41；所述电流采样电阻RH串联连接在所述工作负载20的供电回路上，电容C4和电阻R14串联连接后与所述电流采样电阻RH并联连接；所述电压比较器41的反相输入端连接至所述电容C4与所述电阻R14的公共端，所述电压比较器41的正相输入端通过电阻R15连接至基准电源42；所述电压比较器41的输出端连接至所述三极管Q4的基极。

具体实施时，如图1所示，本实用新型实施例提供的高可靠性的低成本IGBT开关管控制电路还包括过流保护电路；过流保护电路包括三极管Q4、三极管Q5和过流侦测电路40，如图2所示，流侦测电路包括电流采样电阻RH和电压比较器41；电流采样电阻RH串联连接在工作负载20的供电回路上，电容C4和电阻R14串联连接后与电流采样电阻RH并联连接；通过采样电阻RH的电流值即工作负载20的供电回路流过的电流，电容C4与电阻R14的公共端处检测到的电压值与流过采用电阻RH的电流值成正比。

电压比较器41的反相输入端连接至电容C4与电阻R14的公共端，电压比较器41的正相输入端通过电阻R15连接至基准电源42；电压比较器41的输出端连接至三极管Q4的基极；三极管Q4的发射极连接至地线，三极管Q4的集电极与三极管Q5的基极相连接；三极管Q5的集电极和发射极串联连接在光电耦合器OP1中发光二极管的阴极与地线的连接线上；三极管Q5的基极通过电阻R5连接至第二直流电源50；

电压比较器41的反相输入端的输入电压与流过采样电阻RH的电流值成正比，根据工作负载20允许通过的电流值设置基准电源42的输出电压，从而调节电压比较器41的正相输入端的输入的电压，即可使流过采样电阻RH的电流值在正常允许范围之内时，电压比较器41向三极管Q4输出低电平，三极管Q4截止，三极管Q5导通，光电耦合器OP1的集电极和发射极之间导通，进而使IGBT处于导通状态，使工作负载20的供电回路导通，工作负载20工作；而当流过采样电阻RH的电流值过大时，电压比较器41向三极管Q4输出高电平，三极管Q4导通，进而三极管Q5截止，光电耦合器OP1的集电极和发射极之间截止，进而使IGBT处于截止状态，使工作负载20的供电回路端口，工作负载20停止工作。

通过设置过流保护电路，实时监测通过工作负载20的供电回路的电流大小，并在通过的电流值过大时，使IGBT处于截止状态，从而断开工作负载20的供电，有效提高控制电路的稳定性和安全性。

尽管本文中较多的使用了诸如、单片机、工作负载、过流侦测电路、电压比较器、电源、IGBT、栅极、集电极、发射极等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。