专利名称:一种igbt驱动保护电路的制作方法
技术领域:
本发明涉及一种IGBT(IGBT,绝缘栅双极晶体管的英文首字母,hsulated Gate Bipolar Transistor)驱动保护电路,特别是一种在变频器、开关电源、UPS(不间断电源) 等设备中作为功率开关器件的绝缘栅双极晶体管IGBT的驱动保护电路。
背景技术:
目前,由于绝缘栅双极晶体管IGBT具有容易驱动且能以高的开关频率处理大电流和高电压的特点,因而国内外大功率变频器、开关电源、UPS等设备中,广泛使用IGBT作为功率开关器件,因此IGBT驱动保护电路就成为关系到变频器等整机工作可靠性的重要电路。
现有变频器等所采用的IGBT驱动保护电路,因设计思想不同而使该电路具有多种多样的形式,其中中国专利申请(申请号01130045.0,公开号CN13M561A)公开的电路结构,具有驱动电源欠压保护、IGBT集射电压Vce过高保护、故障锁存及状态传送到控制电路的功能。
但全面分析目前的各种电路方案,可以看到现有的各种电路方案,分别有其自己的设计侧重点,其中包括保护功能较全面的上述专利申请的方案,都存在如下不足之处1、 驱动电源欠压保护的状态没有指示,也未能传递到控制电路,不适合故障自检的要求;2、 IGBT集射电压Vce过高保护电路在电压Vce高于保护阈值以上时,无论高多少,从导通到关断的延时时间是固定的,不能根据电压Vce的高低动态调节延时时间;3、软关断功能不完善。如果来自控制电路的信号变为关断信号,或者IGBT栅极驱动电压迅速下降,软关断被提前终止,或者电路在保护时IGBT栅极驱动电压迅速下降到0. 2V-0. 4V。而对于软关断而言,行业推荐的方法是IGBT栅极驱动电压按一定速率下降到负值。
可见,没有一种驱动电路方案具有非常完善的保护功能,给变频器等设备的可靠运行带来不利的影响。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题,提供一种保护功能完善、状态指示直观、软关断符合行业推荐方法的IGBT驱动保护电路,其主要包括
一个用于提供双路恒压的正电源+VA、参考地GAG、负电源-VB ;
一个用于控制负载通断的绝缘栅双极晶体管IGBT(为说明本发明线路与IGBT的连接关系而引入,非本发明线路的组成部分);
一个信号隔离光耦U1,输入端串联电阻与来自控制电路的差分信号连接,所述光耦Ul的地端(芯片5脚)连接到负电源-VB上,电源端(芯片8脚)经R2连接到参考地 GAG上,电源端、地端两端并联有稳压电路和电容Cl ;当差分信号为大于3V的正电压,光耦 Ul输出端导通到负电源,当差分信号为小于IV的正电压或负电压时,光耦Ul输出端开路;
一个开关三极管控制电路,用于产生一个开关信号作为信号放大电路的输入电压,其主要由电阻R11、NPN开关三极管Q3、电阻R7构成,其中开关三极管Q3的基极经过电阻Rll连接到上述光耦Ul的输出端(芯片6脚),发射极接负电源,集电极接一个可控恒流源的输出端,电阻R7并接在三极管Q3的集电极、负电源之间;
上述一个可控恒流源电路,由PNP三极管Q2、稳压基准DW4、电阻R6构成,其中三极管Q2的集电极作为可控恒流源的输出端,发射极通过电阻R6连接到正电源上,基极连接到稳压基准DW4的低压端,稳压基准DW4的高压端与正电源相连;
一个信号放大电路,用于产生一个栅压并将其提供给受控IGBT的栅极,其输入端与开关三极管Q3的集电极相连,其输出端与所述IGBT的栅极相连;
一个状态反馈隔离光耦U2,用于将驱动电路的状态反馈到控制电路,其主要由光耦U2、电阻似6构成,其中光耦U2输入二极管的阳极通过电阻似6连接到正电源,阴极连接到稳压基准DW4的低压端;
一个IGBT集电极-发射极电压Vce检测及检测复位电路,用于检测IGBT集射电压并判断是否启动软关断电路,其主要由阈值电压发生电路、比较器U3D、Vce电压取样及积分电路、检测复位电路构成,其中阈值电压连接到比较器U3D的正输入端,Vce电压取样后再经过电阻R15、电容C4积分传递到比较器U3D的负输入端,检测复位电路在光耦Ul的输出端未导通且不在软关断期间,将积分电容C4两端短接,使Vce检测电路复位,为下一次检测做好准备。当IGBT导通期间,其集电极-发射极电压Vce经过取样与积分后,若超过阈值电压,比较器U3D输出端导通到负电源,启动软关断过程。
一个软关断电路,在比较器U3D输出端导通到负电源时,产生从正电源下降到负电源的缓降电压,作用到信号放大电路的输入端,使驱动受控IGBT栅极的电压按同样的规律变化。软关断电路主要由电阻R19、电容C2、PNP三极管Q8、二极管Dl组成,其中电阻R19 一端通过电容C2接到负电源,另一端接比较器U3D的输出端,三极管Q8的基极、集电极并联于电容C2两端,集电极接负电源,发射极接二极管Dl的阴极,所述二极管Dl的阳极连接到开关三极管Q3的集电极。软关断的速率和时间由电阻R19、电容C2调节。
其特征在于,还包括一个软关断过程识别电路,主要由比较器U3B、电阻R17、R18、 R20、R21构成,电阻R17、R18分压取样正电源、Vce检测电路中比较器U3D的输出端之间的电压,送到比较器U3B的正输入端,电阻R20、R21分压取样软关断电路中电容C2两端的电压,送到比较器U3B的负输入端,比较器U3B的输出端连接光耦Ul的输出端。当软关断过程正在进行中,识别电路送出一个锁定信号,将光耦Ul的输出端导通到负电源,使软关断结束前,受控IGBT栅极电压的变化不受来自控制电路信号的影响,确保软关断的实现。
其特征还在于,还包括一个故障保持电路,主要由比较器U3A、比较器U3C、PNP三极管Q11、二极管D4、定时电阻R22、定时电容C3、分压电阻R23、分压电阻R24、电阻R25、PNP 三极管Q9构成,其中比较器U3C正、负输入端与上述比较器U3B的正、负输入端对应并接, 输出端连接三极管Qll的基极,所述三极管Qll的发射极、集电极对应并接到比较器U3A的负输入端、负电源上,所述分压电阻RM并联在比较器U3A的负输入端、负电源之间,分压电阻R23则并联在比较器U3A的负输入端、正电源之间,所述定时电阻R22、定时电容C3都并联在正电源、比较器U3A的正输入端之间,所述比较器U3A的正、负输入端对应连接二极管 D4的阳极、阴极,输出端经过电阻R25连接到三极管Q9的基极,三极管Q9的发射极、集电极对应接到稳压基准DW4的高、低压端上。[0018]当识别出一次集电极-发射极Vce过电压,启动一次软关断,故障保持电路便触发一次定时,在定时结束之前,三极管Q9饱和导通,使稳压基准DW4两端电压为零,从而关闭可控恒流源,使开关三极管Q3的集电极因无上拉和电阻R7下拉到负电源而输出负电压,经过信号放大电路,输出负的驱动电压到IGBT的栅极,关断IGBT,同时状态反馈隔离光耦U2 的输入端失去正偏,其输出端不导通,将故障信号传递到控制电路。故障保持时间由定时电阻R22、定时电容C3确定,时间在微秒到秒级之间设定。
其特征还在于,还包括一个电源欠压保护电路,作用是在信号隔离光耦Ul的供电电源进入正常范围之前、或正负电源的电压差低于设定值,都将关闭可控恒流源,输出负的驱动电压,关断IGBT。该电源欠压保护电路由稳压管DW1、稳压管DW2、NPN三极管Q1、电阻 R3、R4、R5组成,其中电阻R3并联在三极管Ql的基极、发射极之间,稳压管DWl的阴极连接光耦Ul的电源端,阳极接三极管Ql的基极,所述三极管Ql的发射极接负电源,集电极依次串联稳压管DW2、电阻R4至正电源,稳压管DW2的阴极连接电阻R4,所述电阻R5并联在DW2 的阴极、稳压基准DW4的低压端之间。
其特征还在于,可控恒流源中的稳压基准DW4使用发光二极管,既作为稳压基准, 又作为工作正常的状态指示,在电源欠压保护、故障保持期间都将熄灭。
其特征还在于,IGBT集电极-发射极电压Vce取样检测电路由电阻R16、电阻R15、 电容C4、二极管D3构成,正电源依次串联电阻R16、电阻R15、电容C4到参考地,电阻R16、 电阻R15的连接点与二极管D3的阳极相连,所述二极管D3的阴极连接到IGBT的集电极, 电阻R15、电容C4的连接点与比较器U3D的负输入端相连,所述电阻R15是电阻R16三倍以上。
下面结合附图和具体实施例进一步对本发明进行详细说明。
图1是本发明图的电原理图。
具体实施方式
如图1所示,本发明的一种IGBT驱动保护电路,其主要包括
一个用于提供双路恒压的正电源+VA如+18V、参考地GAG、负电源-VB如-8V ;
一个用于控制负载通断的绝缘栅双极晶体管IGBT(为说明本发明线路与IGBT的连接关系而标注于图中,非本发明线路的组成部分);
一个信号隔离光耦U1,可以选用高速光耦如6N137等,输入端二极管的阳极串联电阻R1、阴极分别与来自控制电路决定IGBT开通、关断的差分信号ON+、ON-连接,输出端经过电阻Rll连接到一个开关三极管Q3的基极,其中光耦Ul的地端(芯片5脚)连接到负电源-VB上,电源端(芯片8脚)经R2连接到参考地GAG上,光耦Ul的电源端、地端两端并联有电容Cl和稳压电路,稳压值决定于NPN三极管Ql的基极-发射极正向导通电压 (约0. 7V)、稳压管DWl反向击穿电压数值之和;
一个开关三极管Q3控制电路,用于产生一个开关信号作为信号放大电路的输入电压,其主要由电阻R11、NPN开关三极管Q3、电阻R7构成,其中三极管Q3的集电极接一个可控恒流源的输出端,发射极接负电源,基极经过电阻Rll连接到光耦Ul的输出端(芯片
66脚),电阻R7并接在三极管Q3的集电极、负电源之间;
上述一个可控恒流源,由PNP三极管Q2、稳压基准DW4、电阻R6构成,所述三极管 Q2的发射极通过电阻R6连接到正电源+VA上,基极连接到稳压基准DW4的低压端,集电极作为可控恒流源的输出,与开关三极管Q3的集电极相连,所述稳压基准DW4的高压端与正电源+VA相连;
一个信号放大电路,用于产生一个栅压并将其提供给受控IGBT的栅极,其输入端与开关三极管Q3的集电极相连,其输出端与所述IGBT的栅极相连。所述信号放大电路由两级射极跟随器级联和二极管D2、电阻R8、R9、RlO组合网络构成,第一级射极跟随器由三极管Q4、Q6构成,第二级射极跟随器由三极管Q5、Q7构成,所述二极管D2的阴极连接三极管Q5的发射极,阳极串联电阻R8后与IGBT的栅极相连,所述电阻R9并联在三极管Q5的发射极、IGBT的栅极之间,电阻RlO并联在IGBT的栅极、发射极之间;
一个状态反馈隔离光耦U2,用于将驱动电路的状态(如过流保护、电源欠压保护、 工作正常等)反馈到控制电路,其主要由光耦U2、电阻以6构成,其中光耦U2输入二极管的阳极通过电阻似6连接到正电源+VA,阴极连接到稳压基准DW4的低压端;
一个IGBT集电极-发射极电压Vce检测及检测复位电路,用于检测IGBT导通期间集射电压并判断是否启动保护极软关断电路,其主要由阈值电压发生电路、比较器U3D、 Vce电压取样及积分电路、检测复位电路构成,其中阈值电压由电阻R14、稳压管DW3产生, 稳压管DW3阴极、阳极对应并联在比较器U3D的正输入端、参考地GAG,电阻R14并联在稳压管DW3阴极、正电源+VA之间;集电极-发射极电压Vce取样及积分电路由电阻R16、电阻 R15、电容C4、二极管D3构成,正电源依次串联电阻R16、电阻R15、电容C4到参考地,电阻 R16、电阻R15的连接点与二极管D3的阳极相连,所述二极管D3的阴极连接到IGBT的集电极,电阻R15、电容C4的连接点与比较器U3D的负输入端相连,所述电阻R15是电阻R16三倍以上。检测复位电路由电阻R12、R13、三极管QlO组成,正电源依次串联电阻R12、R13连接到信号隔离光耦Ul的输出端,电阻R12、R13的连接点与三极管QlO的基极相连,所述三极管QlO的集电极、发射极对应并联在电容C4两端,发射极接参考地GAG。
一个软关断电路,在比较器U3D输出端导通到负电源时,产生从正电源下降到负电源的缓降电压,作用到信号放大电路的输入端,使IGBT栅极驱动电压按同样的规律变化。软关断电路主要由电阻R19、电容C2、PNP三极管Q8、二极管Dl组成,其中电阻R19 — 端串联电容C2后连接到负电源,另一端连接比较器U3D输出端,所述三极管Q8的基极、集电极并联于电容C2两端,集电极连接负电源,发射极连接二极管Dl的阴极,二极管Dl的阳极连接到开关三极管Q3的集电极。软关断的速率和时间由电阻R19、电容C2调节。
其特征在于,还包括一个软关断过程识别电路,当软关断过程正在进行中,识别电路送出一个锁定信号,将信号隔离光耦Ul的输出端导通到负电源,使软关断过程结束前, IGBT栅极电压的变化不受来自控制电路信号的影响,确保软关断的实现。软关断过程识别电路主要由比较器U3B、电阻R17、R18、R20、R21构成,电阻R17、R18分压取样正电源、上述比较器U3D的输出端之间的电压,送到比较器TOB的正输入端,电阻R20、R21分压取样上述电容C2两端的电压,送到比较器TOB的负输入端,比较器TOB的输出端连接光耦Ul的输出端,其中电阻R21 —端接负电源,电阻R17 —端接正电源。
其特征还在于,还包括一个故障保持电路,当识别出一次集电极-发射极电压Vce过电压,启动一次软关断,故障保持电路便触发一次定时,在定时结束之前,关闭可控恒流源,使开关三极管Q3集电极因无上拉和电阻R7下拉到负电源而输出负电压,经过信号放大电路,输出负驱动电压,从而关断IGBT,同时状态反馈隔离光耦U2的输入端无正偏,其输出端(FB+、FB_)之间不导通,将故障信号传递到控制电路。该故障保持电路主要由比较器 U3A、比较器U3C、定时电阻R22、定时电容C3、分压电阻R23、分压电阻R24、电阻R25、PNP三极管Q11、PNP三极管Q9、二极管D4构成,其中比较器U3C的正、负输入端与上述比较器U3B 的正、负输入端对应并接,输出端连接三极管Qll的基极,其中定时电阻R22、定时电容C3都并联在正电源、比较器U3A的正输入端之间,所述二极管D4的阳极、阴极对应并联在比较器 U3A的正、负输入端之间,所述三极管Qll的发射极、集电极并联在比较器U3A的负输入端、 负电源之间,集电极连接负电源,电阻RM并联在比较器U3A的负输入端、负电源之间,电阻 R23并联在比较器U3A的负输入端、正电源之间,所述比较器U3A的输出端经过电阻R25连接到三极管Q9的基极,三极管Q9的发射极、集电极对应连接稳压基准DW4的高压端、低压端。故障保持时间由定时电阻R22、定时电容C3确定,时间在微秒到秒级之间设定。
IGBT集电极-发射极电压Vce检测及检测复位电路,软关断电路,软关断过程识别电路、故障保持电路,组成的整体称为IGBT过流保护电路,因为IGBT通过的电流与其导通期间集电极-发射极电压Vce是正比例关系,电压Vce超过阈值,说明通过的电流过大(电流过大简称“过流”)。
其特征还在于,还包括一个电源欠压保护电路,在信号隔离光耦Ul的供电电源进入正常范围之前、或正负电源的电压差低于设定值,都将关闭可控恒流源,输出负驱动电压,关断IGBT。该电源欠压保护电路由稳压管DW1、稳压管DW2、NPN三极管Q1、电阻R3、R4、 R5组成,其中电阻R3并联在三极管Ql的基极、发射极之间,稳压管DWl的阴极连接信号隔离光耦Ul的电源端,阳极接三极管Ql的基极,所述三极管Ql的发射极接负电源,集电极依次串联稳压管DW2、电阻R4至正电源,稳压管DW2的阴极连接电阻R4,所述电阻R5并联在 DW2的阴极、稳压基准DW4的低压端。
其特征还在于,可控恒流源中的稳压基准DW4使用发光二极管,既作为稳压基准, 又作为工作正常的状态指示,在电源欠压保护、故障保持期间都将熄灭。
其特征还在于,IGBT集电极-发射极电压Vce电压取样及积分电路由电阻R16、电阻R15、电容C4、二极管D3构成,正电源依次串联电阻R16、电阻R15、电容C4到参考地,电阻R16、电阻R15的连接点与二极管D3的阳极相连,所述二极管D3的阴极连接到IGBT的集电极,电阻R15、电容C4的连接点与比较器U3D的负输入端相连,所述电阻R15是电阻R16 三倍以上。
上述所提到的所有比较器、信号隔离光耦都是集电极开路(OC)输出形式。
为叙述方便,未指定参考点的电压均指相对于参考地GAG而言的,忽略饱和导通的电压降而认为是零。
下面结合附图4,详细介绍本发明实施例的各种工作过程
1、电源正常状态的建立
本发明所述的一种IGBT驱动保护电路,在通电之初,参考地GAG、负电源-VB通过电阻R2给并联在信号隔离光耦Ul电源、地端之间的电容Cl充电,在达到稳压管DWl反向击穿电压和三极管Ql的基极、发射极正向导通电压的和之前,三极管Ql不导通,稳压基准
8DW4没有正向电流通路而为零电压。当电容Cl充电到稳压管DWl反向击穿电压和三极管 Ql的基极、发射极正向导通电压的和之后,由于二者的稳压作用而不再上升,三极管Ql导通。三极管Ql导通后,如果正负电源之间的压差小于稳压管DW2的反向击穿电压,稳压基准DW4仍没有正向电流通路而继续为零电压。
稳压基准DW4两端为零电压时,可控恒流源截止,开关三极管Q3的集电极因电阻 R7下拉到负电源而呈现负电压,经过信号放大电路跟随后,输出负的驱动电压到IGBT栅极,IGBT截止。此时,电路处于欠压保护状态,状态反馈光耦U2输入端无正向偏置,输出端 FB+、FB-不导通,将此状态反馈给控制电路,稳压基准DW4对应的发光二极管也熄灭,指示电路异常。
在信号隔离光耦Ul电源建立即三极管Ql导通后,如果此时正负电源之间的压差大于稳压管DW2的反向击穿电压,电阻R4两端将获得电压,经过电阻R5给稳压基准DW4提供正向偏置,可控恒流源输出恒定的电流,同时给状态反馈光耦U2输入端提供正向偏置, 输出端FB+、FB-导通,将电源正常信号隔离传递给控制电路。稳压基准DW4选用发光二极管,则可以用点亮来指示电源正常状态已经建立。
2、IGBT过流保护电路的初始化
当来自控制电路决定IGBT开通、关断的差分信号0Ν+、0Ν-之间电压为小于+IV或负值时,信号隔离光耦Ul的输入二极管没有正向电流流过,其输出端处于开路状态,正电源通过电阻R12给三极管QlO的基极、发射极之间提供正偏,使三极管QlO饱和导通,再顺次通过电阻R13、Rll给三极管Q3的基极、发射极之间提供正偏,使三极管Q3饱和导通。
三极管Q3饱和导通后,其集电极下拉到负电源而呈现负电压,经过信号放大电路跟随后,输出负驱动电压,IGBT截止。
三极管QlO饱和导通后,自正电源经过电阻R16、R15而来对积分电容C4的充电电流被三极管QlO旁路到参考地,即将比较器U3D的负输入端下拉到参考地,而比较器U3D 正输入端对参考地为正电压,数值为稳压管DW3的反向击穿电压,也是IGBT集电极-发射极电压Vce检测的阈值电压,所以比较器U3D的输出端为开路。此时的状态称为IGBT集电极-发射极电压Vce检测电路的复位状态。信号隔离光耦Ul的输出端未被下拉到负电源端,立即进入电压Vce检测电路的复位状态,电容C4储存电荷被释放,比较器U3D的输出端为开路。
所述比较器U3D的输出端为开路时,正电源依次通过电阻R17、R18、R19对电容C2 充电,电容C2两端电压经过电阻R20、R21分压接到比较器U3B的负输入端,比较器U3B的正输入端接电阻R17、R18的连接点。对电容C2充电直至其两端电压逐渐上升到终点值为止,所述终点值=正负电源压差*(R20+R21)/(R17+R18+R19+R20+R21),由于R20+R21远大于R17+R18+R19,所以终点值接近于正负电源压差。由于比较器TOB的正输入端电压一直高于负输入端电压,其输出端处于开路状态。充电完成后,电容C2两端的电压要大于开关控制三极管Q3集电极-发射极之间的峰值电压,此时三极管Q8的基极-发射极之间、二极管 Dl处于反偏状态而截止,不对三极管Q3集电极电压产生影响。
同样,故障状态保持电路中的比较器U3C的正负输入端与比较器TOB对应连接,其输出端也处于开路状态,三极管Qll的发射极-基极之间没有正向偏置电流而截止。电阻 R23、RM分压为比较器U3A提供负输入端电压,正输入端通过电阻R22上拉到正电源而获得比负输入端高的电压,比较器U3C的输出端也处于开路状态,三极管Q9的发射极-基极之间没有正向偏置电流而截止,不对光耦U2的输入端、稳压基准DW4的正向偏置造成影响。
3、正常开关状态下的驱动电路工作过程
电源正常状态的建立、信号隔离光耦Ul的输入二极管没有正向电流流过,整个驱动保护电路处于预备状态可控恒流源开通,三极管Q2输出上拉电流(自正电源流出的电流,具有把电压向上拉升的作用);信号隔离光耦Ul的输入端无正向电流,输出端开路;开关三极管Q3因有正向偏置而饱和导通,上拉电流被旁路到负电源,三极管Q3集电极呈现负电压,经过信号放大电路两级跟随后,依然输出负的驱动电压,促使IGBT关断。
当来自控制电路决定IGBT开通、关断的差分信号0Ν+、0Ν-之间有3V以上正电压, 信号隔离光耦Ul的输入端有正向电流通过,光耦Ul的输出端饱和导通到负电源,三极管 Q3的基极-发射极失去正向偏置而截止,集电极被可控恒流源上拉电流作用,电压上升到恒流源输出电流*R7 (约+16V)左右,经过两级跟随,输出正电压(约+14V)驱动IGBT的栅极,使IGBT开通。
光耦Ul的输出端饱和导通到负电源,合理选择电阻R12、R13的数值,使三极管QlO 的基极-发射极处于反偏而截止,绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极-发射极电压Vce检测电路开始检测,在IGBT开通期间,取样IGBT的集电极-发射极电压Vce后,通过电阻R15 对电容C4充电,若电容C4的两端电压始终不超过阈值电压,比较器U3D的输出端处于开路状态,其它比较器的输出端都处于开路状态,对开关三极管Q3、可控恒流源的工作不产生影响。在IGBT开通期间、电容C4的两端电压始终不超过阈值电压的情况称为正常开关状态。
正常开关状态下,信号隔离光耦Ul的输入端正向电流受控减少到0后,其输出端开路,开关三极管Q3、QlO因有正向偏置而饱和导通,上拉电流被迅速旁路到负电源而输出负电压(约-8V),经过信号放大电路两级跟随,迅速输出负电压(约-6V),驱动IGBT截止。 三极管QlO饱和导通,释放积分电容C4存储的电荷,为下一次Vce检测创造统一的起始条件,自零开始积分。
4、IGBT出现过流情况下的驱动电路工作过程
在IGBT开通期间,正电源通过电阻R16、二极管D3来取样绝缘栅双极晶体管IGBT 的集电极-发射极之间的电压Vce(获得比Vce高一个二极管正向导通电压约0. 7V的电压, 如果Vce超过正电源电压,就获得正电源电压,一般情况下Vce不超过正电源电压),再通过电阻Rl5对积分电容C4充电,Vce电压越高,电容C4的两端电压上升越快。电阻Rl5的取值是电阻R16的三倍以上,决定电容C4的充电速度主要取决于电阻R15。当电容C4的两端电压超过比较器U3D的正输入端阈值电压时,整体电路将进入IGBT过流保护状态,因为 IGBT导通期间的集电极-发射极之间的电压Vce与其通过的电流是正比例关系,电压Vce 超过阈值,说明电流过大,也即出现过流情况。
已知技术中,电阻R15短路或很小,积分电容C4主要由R16来充电。当IGBT的集电极-发射极之间的电压Vce低于阈值电压,是属于正常开关状态;当电压Vce超过阈值电压时,在电容C4电压积分到阈值电压前,二极管D3是不导通的,所以电容C4的充电速度与电压Vce高低无关,也就是说已知技术不能根据电压Vce动态调节保护检测的延时时间。
本发明电路中,当电容C4的两端电压超过比较器U3D的正输入端阈值电压时,整体电路进入IGBT过流保护状态,比较器U3D的输出端导通至负电源,电路进入软关断过程,电容C2通过电阻R19放电,形成按要求速率缓降的电压,电容C2的两端电压经过三极管 Q8、二极管Dl缓冲,在放大电路输入端产生同步缓降的电压,驱动到IGBT栅极的电压也同步缓降,实现IGBT过流软关断。
比较器U3D的输出端导通至负电源的同时,比较器U3B的正输入端对负电源的电压为R18/(R17+R18)*正负电源压差,负输入端对负电源的电压为R21/(R20+R21) *电容C2 两端电压,选择R17 (如IOK欧)、R18 (如200欧)、R20 (如200K欧)、R21 (如200K欧)的数值,使电容C2的两端电压下降到约IV前,即软关断结束前,比较器U3B的正输入端电压都小于负输入端,其输出端导通到负电源,将信号隔离光耦Ul的输出端导通到负电源,确保软关断过程不受控制信号0Ν+、0Ν-的影响。调整电阻R19、电容C2可以调整软关断的时间, 如2到5微妙。当电容C2的两端电压为IV时,驱动电压约为-4. 2V(即_VB+l+4*0. 7,-VB 为-8V,0. 7为发射极-基极PN结正向导通压降,正向导通的PN结包括三极管Q8、Q6、Q7和二极管Dl共4个)。
比较器U3C的输入端与比较器TOB的输入端对应正对正、负对负连接,所以软关断期间,比较器U3C的输出端导通至负电源,通过三极管Q11、二极管D4快速对定时电容C3充电,使其两端电压达到正负电源差值-2*0. 7V(0. 7V为PN结正向导通压降),这期间二极管 D4处于正向导通,比较器U3A的正、负输入端对应连接在二极管D4的阳极、阴极之间,正输入端电压高于负输入端电压,所以比较器U3A的输出端为开路状态,三极管Q9无基极电流而关断,不影响可控恒流源的工作,对驱动电压也没有影响。
当电容C2的两端电压下降到约IV,软关断结束,比较器TOB和U3C的正输入端电压大于负输入端,输出端变为开路状态。此后,如果控制信号ON+、ON-变为+IV以下或负值,信号隔离光耦Ul的输出端为开路状态,三极管Q10、Q3通过电阻R12、R13、Rll而获得基极-发射极正向偏置,三极管Q10、Q3都饱和导通,比较器U3D的负输入端被旁路到参考地,小于正输入端电压,输出端为开路状态,同时正电源通过电阻R17、R18、R19给电容C2充电,直至上述终点值为止,为下一次检测Vce电压、可能出现过流情况而实施软关断做好准备。
比较器U3C输出端变为开路状态后,三极管Qll失去基极电流而截止,比较器U3A 的负输入端被迅速拉升到R24/(R23+RM)*正负电源压差,由于定时电容C3的储能作用,比较器U3A的负输入端电压将高于其正输入端电压,其输出端导通到负电源,通过电阻R25使三极管Q9基极获得电流而饱和导通,将稳压基准DW4两端短路,从而使可控恒流源截止,状态反馈光耦U2输入端失去正向偏置,其输出端变为开路状态,给控制电路报故障,同时稳压基准DW4对应的发光二极管不发光,指示电路处于故障保持状态,此时开关三极管Q3的集电极失去上拉且由于电阻R7下拉到负电源的作用,输出负驱动电压。
此状态维持期间,定时电容C3通过定时电阻R22放电,比较器U3A的正输入端电压上升,直至上升到高于负输入端的电压,故障保持阶段结束,比较器U3A输出端开路,故障保持阶段结束。
故障保持阶段结束后,三极管Q9截止,稳压基准DW4、状态光耦U2输入端获得正向偏置,可控恒流源工作,稳压基准DW4点亮,电路重新进入预备状态,已经可以接受控制电路信号而产生相应的动作。
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权利要求
1. 一种IGBT驱动保护电路,包括一个用于提供双路恒压的正电源、参考地、负电源;一个信号隔离光耦第一光耦(Ul),输入端串联第一电阻(Rl)与来自控制电路的差分信号连接,输出端为集电极开路形式;一个开关三极管控制电路,用于产生一个开关信号作为信号放大电路的输入电压,其主要由第十一电阻(Rll)、第三三极管(Q3)、第七电阻(R7)构成,其中第三三极管0^3)是 NPN开关三极管,其基极经过第十一电阻(Rll)连接到第一光耦(Ul)的输出端,其发射极接负电源,集电极接一个可控恒流源的输出端,第七电阻(R7)连接在第三三极管的集电极、负电源之间;上述可控恒流源电路,由第二三极管、稳压基准(DW4)、第六电阻(R6)构成,其中 第二三极管是PNP三极管,其集电极是所述可控恒流源的输出端,发射极经第六电阻 (R6)连接到正电源上,基极连接到稳压基准(DW4)的低压端,稳压基准(DW4)的高压端与正电源相连;一个信号放大电路,用于产生一个栅压并将其提供给受控IGBT的栅极,其输入端与第三三极管的集电极相连,其输出端与受控IGBT的栅极相连;一个状态反馈隔离光耦第二光耦(U2),用于将驱动电路的状态反馈到控制电路,其主要由第二光耦(U2)、第二十六电阻(R26)构成,其中第二光耦(U2)输入二极管的阳极经第二十六电阻(R26)连接到正电源,阴极连接到稳压基准(DW4)的低压端;一个IGBT集电极-发射极电压Vce检测及检测复位电路,用于检测IGBT集射电压并判断是否启动软关断电路,其主要由阈值电压发生电路、第四比较器(U3D)、Vce电压取样及积分电路、检测复位电路构成,其中阈值电压连接到第四比较器(U3D)的正输入端,Vce电压取样后经过第十五电阻(R15)、第四电容(C4)积分再传递到第四比较器(U3D)的负输入端,检测复位电路在第一光耦(Ul)的输出端未导通且不在软关断期间,将第四电容(C4)两端短接,使Vce检测电路复位,为下一次检测做好准备;当IGBT导通期间,其集电极-发射极电压Vce经过取样与积分后,若超过阈值电压,第四比较器(U3D)输出端导通到负电源, 启动软关断过程;所述第四电容(C4)是积分电容;一个软关断电路,在第四比较器(U3D)输出端导通到负电源时,产生从正电源下降到负电源的缓降电压,作用到信号放大电路的输入端,使驱动受控IGBT栅极的电压按同样的规律变化,软关断电路主要由第十九电阻(R19)、第二电容(C2)、第八三极管(Q8)、第一二极管(Dl)组成,其中第十九电阻(R19) —端连接第四比较器(U3D)输出端,另一端经第二电容(C2)连接到负电源,第八三极管0^8)的基极、集电极分别连接第二电容(C2)两端, 集电极连接负电源,发射极连接第一二极管(Dl)的阴极,所述第一二极管(Dl)的阳极连接到第三三极管0^3)的集电极;软关断的速率和时间由第十九电阻(R19)、第二电容(C2)调节;第八三极管0^8)是PNP三极管; 其特征在于,还包括一个软关断过程识别电路,主要由第二比较器(U;3B)、第十七电阻(R17)、第十八电阻 (R18)、第二十电阻(R20)、第二十一电阻(R21)构成,第十七电阻(R17)、第十八电阻(R18) 分压取样正电源、上述第四比较器(U3D)输出端之间的电压,送到第二比较器(U3B)的正输入端,第二十电阻(R20)、第二十一电阻(R21)分压取样上述第二电容(以)两端的电压,送到第二比较器(TOB)的负输入端,第二比较器(TOB)的输出端连接第一光耦(Ul)的输出端,其中第十七电阻(R17)的一端接正电源,第二十一电阻(R21)的一端接负电源;所述比较器都采用集电极开路输出形式。
2.根据权利要求
1所述的IGBT驱动保护电路,其特征还在于,还包括一个故障保持电路,主要由第一比较器(U3A)、第三比较器(U3C)、第二十二电阻(R22)、第三电容(C3)、 第二十三电阻(R23)、第二十四电阻(RM)、第二十五电阻(R25)、第十一三极管0^11)、第九三极管(Q9)、第四二极管(D4)构成,其中第三比较器(U3C)正、负输入端与第二比较器(U3S)的正、负输入端分别正对正连接、负对负连接,输出端连接第十一三极管oai)的基极,第十一三极管Oai)的发射极接第一比较器(U3A)的负输入端,集电极接负电源,第二十四电阻(R24)连接在第一比较器(U3A)的负输入端、负电源之间,第二十三电阻(R23) 连接在第一比较器(U3A)的负输入端、正电源之间,第二十二电阻(R22)、第三电容(C3)都并联在正电源、第一比较器(U3A)的正输入端之间,第一比较器(U3A)的正、负输入端对应连接第四二极管(D4)的阳极、阴极,输出端经过第二十五电阻¢2 连接到第九三极管 (Q9)的基极,第九三极管0^9)的发射极、集电极对应并接到稳压基准(DW4)的高、低压端上;所述第二十二电阻(R22)、第三电容(C3)用于定时,所述第二十三电阻(R23)、第二十四电阻(R24)用于分压,所述第十一三极管toll)、第九三极管0^9)是PNP三极管。
3.根据权利要求
1或2所述的IGBT驱动保护电路,其特征还在于,还包括一个电源欠压保护电路,由第一稳压管(DWl)、第二稳压管(DW2)、第一三极管(Ql)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)组成,其中第一稳压管(DWl)的阳极接第一三极管Oil)的基极,阴极连接第一光耦(Ul)的电源端,第三电阻(旧)连接在第一三极管Oil)的基极、发射极之间,第一三极管Oil)的发射极接至负电源,集电极依次串联第二稳压管(DW2)、第四电阻(R4)接至正电源,第二稳压管(DW2)的阴极连接第四电阻(R4),第五电阻(R5)连接在第二稳压管(DW2)的阴极、稳压基准(DW4)的低压端之间;所述第一三极管Oil)是NPN三极管。
4.根据权利要求
3所述的IGBT驱动保护电路,其特征还在于,所述稳压基准(DW4)是发光二极管。
5.根据权利要求
4所述的IGBT驱动保护电路,其特征还在于,IGBT集电极-发射极电压Vce电压取样检测电路由第十六电阻(R16)、第十五电阻(R15)、第四电容(C4)、第三二极管(D3)构成,正电源依次串联电阻第十六电阻(R16)、第十五电阻(R15)、第四电容(C4) 到参考地,第十六电阻(R16)与第十五电阻(R15)间的连接点与第三二极管(D3)的阳极相连,第三二极管(D3)的阴极连接到受控IGBT的集电极,第十五电阻(R15)与第四电容(C4) 间的连接点与第四比较器(U3D)的负输入端相连,第十五电阻(R15)是第十六电阻(R16) 三倍阻值以上。
专利摘要
一种IGBT驱动保护电路,包括正、负电源;信号及反馈光耦;信号放大电路;欠压检测及指示电路;IGBT过流检测及复位电路;软关断电路;故障锁存及保持电路等。欠压检测电路检测信号光耦接收端供电、正/负电源供电是否欠压,若不欠压则点亮LED,使能驱动电路。IGBT过流检测电路能取样IGBT导通期间的集射压降,根据其高低动态调节检测延时,当集射压降超过设定阈值时,启动软关断过程并自我锁定,确保软关断,并对过流故障状态进行保持,保持期间关断IGBT,将状态传递给控制电路,保持时间可以在毫秒到秒级之间设定。
文档编号H03K17/08GKCN101686044 B发布类型授权 专利申请号CN 200910166288
公开日2011年10月26日 申请日期2009年8月18日
发明者范家闩 申请人:深圳市科陆变频器有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan专利引用 (3), 非专利引用 (1),