專利名稱：抑制igbt過電流的驅(qū)動電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
抑制IGBT過電流的驅(qū)動電路技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實用新型涉及電源技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種抑制IGBT過電流的驅(qū)動電路。
技術(shù)背景[0002]IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型功率管)作為不間斷電源(UPS)或其他電器設(shè)備的功率部件，是關(guān)系到設(shè)備是否正常運行和可靠運行的關(guān)鍵功率器件，IGBT的器件性能直接關(guān)系到設(shè)備是否能正常運行及其使用壽命。根據(jù)IGBT的工作特性，開通時，最佳的驅(qū)動電壓為15V士 10%，15V的驅(qū)動電壓使IGBT處于充分飽和狀態(tài)， 通態(tài)壓降也比較低，高于15V的驅(qū)動電壓難以實現(xiàn)IGBT的過流、短路等保護，IGBT承受過電流的時間大大縮短，影響IGBT的可靠工作，驅(qū)動電壓低于15V時，IGBT的通態(tài)損耗有所增加，但是IGBT承受過電流或短路電流的時間有所延長，且IGBT的關(guān)斷時產(chǎn)生的應(yīng)力也較小。所以為使IGBT工作在最佳狀態(tài)，正常驅(qū)動電壓控制在15V士 10%，異常時可利用IGBT的特性進行適當保護。[0003]造成IGBT損壞的原因有多種，如過電流、過電壓、過溫度、柵極過電壓、功率循環(huán)疲勞等多種因素，應(yīng)用實踐表明，過電流是IGBT電力電子線路中經(jīng)常發(fā)生的故障，也是損壞IGBT的主要原因之一，所以過流保護在IGBT應(yīng)用中應(yīng)優(yōu)先考慮。IGBT對過電流或短路的承受時間一般在IOus以內(nèi)，所以要求IGBT的過電流保護響應(yīng)速度必須要快。而目前常用的過電流保護一般有如下兩種對于因負載過載等因素引起的過電流通常采用電流霍爾傳感器偵測，由控制電路實行保護。而對于因負載短路或IGBT上下橋臂直通引起的過電流保護，如此的保護方法響應(yīng)時間是不夠的，在控制電路從檢測到過流到發(fā)出信號，再到信號的傳輸執(zhí)行，這個時間可能會超出IGBT短路所能承受的時間，很顯然這種短路保護采用上述方法已經(jīng)存在弊端。所以類似的保護業(yè)界通常采用檢測IGBT飽和壓降的方法進行保護，因IGBT的特性是當IGBT過流時，其飽和壓降將隨著電流的增大而增大，利用IGBT這一特性可以實現(xiàn)通過檢測飽和壓降Vce來實現(xiàn)IGBT的過電流保護。比如目前市場上常見的 M57962AL、HC316J等集成電路都是采用這種檢測飽和壓降Vce實現(xiàn)過電流保護，如圖1、圖 2所示。但這些電路都是集成IC器件，需要配合外圍電路方能實現(xiàn)作用，使用靈活性差，電路實現(xiàn)成本高，保護過程復(fù)雜等。實用新型內(nèi)容[0004]針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本實用新型的目的在于提供一種抑制IGBT過電流的驅(qū)動電路，其可以減少IGBT的關(guān)斷應(yīng)力，延長IGBT短路承受時間，延長保護電路動作時間，且實現(xiàn)成本低，靈活性高，電路簡單，實用性強。[0005]為達到上述目的，本實用新型采用以下技術(shù)方案[0006]一種抑制IGBT過電流的驅(qū)動電路，包括隔離驅(qū)動電路、降柵壓鉗位電路、推挽放大電路、報警輸出電路、以及過電壓檢測電路，其中，隔離驅(qū)動電路的輸出端、降柵壓鉗位電路的第一輸出端與推挽放大電路的輸入端連接，推挽放大電路的輸出端與IGBT驅(qū)動回路連接，過電壓檢測電路的輸入端與IGBT驅(qū)動回路連接、輸出端與降柵壓鉗位電路的輸入端連接，降柵壓鉗位電路的第二輸出端與報警輸出電路的輸入端連接。[0007]根據(jù)上述本實用新型方案，其可以實現(xiàn)對IGBT過電流的有效抑制，不僅可以減少 IGBT過電流時的關(guān)斷應(yīng)力，還可延長IGBT短路承受時間，增強IGBT短路電流承受能力，且實現(xiàn)成本低，靈活性高，電路簡單，實用性強。


[0008]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的一種對IGBT過電流保護的電路示意圖。[0009]圖2是現(xiàn)有技術(shù)中的另一種IGBT過電流保護的電路示意圖。[0010]圖3是本實用新型的抑制IGBT過電流的驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)示意圖。[0011]圖4是本實用新型的驅(qū)動電路實施例的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
[0012]以下結(jié)合其中的較佳實施例對本實用新型方案進行詳細說明。[0013]參見圖3所示，是本實用新型的抑制IGBT過電流的驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)示意圖，其包括有隔離驅(qū)動電路、降柵壓鉗位電路、推挽放大電路、報警輸出電路、以及過電壓檢測電路，其中，隔離驅(qū)動電路的輸出端、降柵壓鉗位電路的第一輸出端與推挽放大電路的輸入端連接，推挽放大電路的輸出端與IGBT驅(qū)動回路連接，過電壓檢測電路的輸入端與IGBT驅(qū)動回路連接、輸出端與降柵壓鉗位電路的輸入端連接，降柵壓鉗位電路的第二輸出端與報警輸出電路的輸入端連接。[0014]如圖4所示，是在一個具體示例中本實用新型的抑制IGBT過電流的驅(qū)動電路的電路結(jié)構(gòu)示意圖。[0015]圖4所示中，對本實用新型的隔離驅(qū)動電路、降柵壓鉗位電路、推挽放大電路、報警輸出電路、過電壓檢測電路的具體示例分別進行了說明。圖4所示中，隔離驅(qū)動電路主要由TLP光電耦合器U1、電阻R1、電容Cl和二極管Dl組成，降柵壓鉗位電路由三極管Ql、三極管Q2、二極管02、電阻1 4、1 5、1 6、1 3、1 9、電容C3及微分電容C4組成，推挽放大電路由三極管Q3、Q4組成，圖4中所示的推挽放大電路是目前市場上通用的電路，報警輸出電路由穩(wěn)壓二極管DZ2、限流電阻R8和光電耦合器U2組成，過電壓檢測電路由高壓二極管D3、D4、電阻R2、電容C2以及穩(wěn)壓二極管DZl等組成。[0016]圖4所示的具體實施方式
中，正電源+VCC接入TLP光電耦合器Ul的8腳、電容Cl、 電阻R5、電容C4、穩(wěn)壓二極管DZ2的負極以及三極管Q4的集電極，TLP光電耦合器Ul的7 腳、6腳相接后與電阻R1、二極管Dl的負極連接，并通過電阻R6與三極管Q2的發(fā)射極、電阻R7、電容C5、三極管Q3的基極、三極管Q4的基極連接，電阻Rl的另一端、二極管Dl的正極與電阻R2、穩(wěn)壓二極管DZl的負極以及電容C2連接，電阻R2的另一端與高壓二極管D3 的正極連接，高壓二極管D3的負極與高壓二極管D4的正極連接，高壓二極管D4的負極與 IGBT的集電極連接，穩(wěn)壓二極管DZl的正極與電阻R3、電容C3以及三極管Ql的基極連接， 三極管Ql的集電極通過電阻R4與二極管D2的負極、電阻R5的另一端、電容C4的另一端以及以及電阻R8連接，電阻R8的另一端通過光電耦合器U2與穩(wěn)壓二極管DZ2的正極連接， 通過光電耦合器U2輸出故障輸出信號。二極管D2的正極與三極管Q2的基極連接，三極管Q2的集電極與電阻R9連接，TLP光電耦合器Ul的5腳、電容Cl的另一端、電容C2的另一端、電阻R3的另一端、電容C3的另一端、三極管Ql的發(fā)射極、電阻R9的另一端、電阻R7的另一端、電容C5的另一端以及三極管Q3的集電極接入負電源-VEE。三極管Q3的發(fā)射極與三極管Q4的發(fā)射極連接后，通過電阻Rg接入IGBT驅(qū)動回路。圖4所示中，Rg、Rge、Cge 等是IGBT驅(qū)動的外圍器件，不在本實用新型方案之內(nèi)，在此不予贅述。[0017]其中，圖4所示中，C3、C5為雜訊濾波電容，以消除噪音，在沒有必要時可省略，R3、 R7為輸入信號為低時的低電平(鉗位到地)的下拉電阻，以保證輸入信號為低時三極管Ql 和Q3不導(dǎo)通，進行誤動作保護，無必要時也可以省略。[0018]正常工作時，IGBT開通，正常開通時IGBT的飽和壓降較低，正驅(qū)動電壓通過R1、 R2施加在過流檢測二極管D3、D4的正極而使得D3、D4D導(dǎo)通，+VCC通過Rl、R2、D3、D4和 IGBT的Vce (即圖中的C點電壓)構(gòu)成分壓回路在R2端分得的B點電壓Ul鉗位在穩(wěn)壓二極管DZl的擊穿電壓以下，三極管Ql處于截止狀態(tài)。PWM(Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制)信號通過Q4和驅(qū)動電阻Rg正常開通和關(guān)斷IGBT。電容C2提供一個IGBT開通過程Vce下降過程中防止誤動作的作用，調(diào)整C2可以調(diào)整電路的響應(yīng)速度和靈敏度。C2不宜過大或過小，過大則會引起響應(yīng)速度變慢，起不到保護效果，過小則會提高電路動作的靈敏度，易發(fā)生誤保護的可能，所以C2需依據(jù)具體情況合理選擇。[0019]當IGBT開通過程中發(fā)生過流和短路故障時，IGBT的飽和壓降Vce迅速上升，C點電位迅速上升，設(shè)置好IGBT過電流時的Vce值，保證在過電流發(fā)生時+VCC通過R1、R2、D3、 D4和IGBT的Vce構(gòu)成分壓回路在R2端分得的B點電壓超出DZl的穩(wěn)定擊穿電壓時，B點電壓就會由Rl給C2充電，B點電位從正常開通時的Ul開始上升，當升到DZl的額定擊穿電壓時，DZl擊穿，Ql開通，由C4和R4組成的微分電路開始動作，A點電壓由原+Vcc開始下降，當電壓下降幅度超過D2和Q2的Vbe壓降之和時，Q4的基極電壓即被D2的負極電壓鉗位，并隨著D2負極電壓的下降而下降，因Q4采用的是共集電極接法(射極跟隨器)，依據(jù)晶體管的特性，Q4的射極驅(qū)動電壓信號也將跟隨Q4的基極電位下降，從而實現(xiàn)降低IGBT 驅(qū)動電壓來抑制過電流的目的，微分電容C4充電是一個緩慢的過程，所以IGBT的柵極電壓也是緩慢下降的，實現(xiàn)了過流的軟關(guān)斷，提高IGBT的短路電流承受能力和時間。改變R5和 R4的比值，可改變柵極電壓下降“幅度”，改變R4C4的值，可以改變柵極電壓下降的“速度”。 實際使用可依據(jù)需要進行適當調(diào)整。和微分電容C4并聯(lián)的DZ2、U2、R8為過流故障輸出信號，當A點電壓降至一定值時，DZ2擊穿，光耦U2導(dǎo)通，輸出一個故障信號給主控電路進行封鎖PWM信號或執(zhí)行驅(qū)動保護，過電流故障輸出信號的時間可設(shè)置不同的DZ2值，來實現(xiàn)柵極電壓下降到何值時輸出故障信號。當在延時保護過程中，過流信號消失了，則B點電壓降低，Ql恢復(fù)截止，C4通過R5放電，A點電壓持續(xù)升高至+VCC，Vge逐漸恢復(fù)，直至Q2恢復(fù)截止，IGBT的Vge恢復(fù)正常的+VCC驅(qū)動電壓，電路恢復(fù)正常工作狀態(tài)。[0020]當PWM信號變低時，C2上的電壓通過Dl迅速放電，保證DZl不擊穿，Ql不導(dǎo)通，直至下一個PWM高電平到來時，C2重復(fù)被充電，執(zhí)行下一個循環(huán)。[0021]在一個具體的實現(xiàn)方式中，在正常工作過程中，令+VCC=15V，-VEE=_5V。[0022]當Ul的2、3腳有PWM高電平信號時，Ul導(dǎo)通，Ul的6腳輸出高電平15V，Q4正常導(dǎo)通。C點電位正常在2V左右，B點電位被鉗位在IOV左右，DZl不導(dǎo)通，Ql截止。電路正常工作。C2提供的延時時間為t=ln(15-10)/15=2. 4uSo[0023]正常關(guān)斷過程為[0024]當Ul的2、3腳有PWM低電平信號時，Ul截止，Ul的6腳輸出低電平_5V，Q3截止， IGBT關(guān)斷。C2通過Dl迅速放電至-VEE+0. 7V左右，DZl不導(dǎo)通，Ql截止。電路正常關(guān)斷。[0025]保護關(guān)斷過程為[0026]當Ul的2、3腳有PWM高電平信號時，Ul導(dǎo)通，Ul的6腳輸出高電平15V，Q4正常導(dǎo)通。期間出現(xiàn)短路等引起的過流時，C點電位迅速上升，D3、D4截止，C2被充電，由IOV充電至DZl擊穿電壓13V時的時間是[0027]13=15 (1-e-t/T)+10e-t/T[0028]T=R1C2[0029]t=l. 5us[0030]Ql導(dǎo)通，C4開始充電，A點由20V下降至R4和R5的分壓的5. 7V (這里設(shè)置柵極電壓下降到6. 5V的門檻點，設(shè)D2、Q2的Ube、Q4的Ube均為0. 7V)時間約為[0031]5.7=20 (1-e-t/T)[0032]T=R4C4[0033]t=l. 4us[0034]IGBT柵極驅(qū)動電壓由+15V降至6. 5V的時間為1. 4us左右(假設(shè)D2、Q2、Q4的壓降均為0.7V)，同時U2輸出故障信號封鎖IGBT驅(qū)動。整個保護時間小于10us，IGBT在整個過流過程中不至于損壞，實現(xiàn)保護效果。[0035]作為其中一種較佳的實施方式，上述電阻1 1、1 2、1 3、1 4、1 5、1 6、1 7、1 8、1 9的取值可分別為 2. 2K、18K、1K、4. 12Κ、10Κ、30、30Κ、100、3. 3Κ 歐姆(Ω )，上述 Cl、C2、C3、C4、C5 的取值可分別為104、102、102、102、471法拉(F)，穩(wěn)壓二極管DZl、DZ2的額定電壓可分別設(shè)定為13V、10V，高壓二極管D3、D4可選用BYV26E型號的高壓二極管。[0036]上述本實用新型的抑制IGBT過電流的驅(qū)動電路，是利用IGBT過流時飽和壓降Vce 升高的特點，利用低成本的分立器件設(shè)計出的一種新的抑制IGBT過電流的電路。當過流或短路發(fā)生時，通過快速檢測IGBT的飽和壓降Vce，保護電路在極短時間里采取先降柵壓的方法，實現(xiàn)軟關(guān)斷過程，不但可以減少IGBT的關(guān)斷應(yīng)力，還可延長IGBT短路承受時間，及延長保護電路動作時間，增強IGBT短路電流承受能力，防止誤動作等。實現(xiàn)成本低，靈活性高，電路簡單、實用等特點。[0037]上述本實用新型的抑制IGBT過電流的驅(qū)動電路，電路簡單、實用、可靠，成本低廉，參數(shù)可依據(jù)需要調(diào)整，并可以直接將虛線框內(nèi)的電路(除D3、D4、Rg、Rge, Cge)統(tǒng)一封裝成電路模塊，適當改變外圍的參數(shù)，如D3、D4，即可實現(xiàn)在任何地方均可應(yīng)用。[0038]以上所述的本實用新型實施方式，并不構(gòu)成對本實用新型保護范圍的限定。任何在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的權(quán)利要求保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種抑制IGBT過電流的驅(qū)動電路，其特征在于，包括隔離驅(qū)動電路、降柵壓鉗位電路、推挽放大電路、報警輸出電路、以及過電壓檢測電路，其中，隔離驅(qū)動電路的輸出端、降柵壓鉗位電路的第一輸出端與推挽放大電路的輸入端連接，推挽放大電路的輸出端與IGBT驅(qū)動回路連接，過電壓檢測電路的輸入端與IGBT驅(qū)動回路連接、輸出端與降柵壓鉗位電路的輸入端連接，降柵壓鉗位電路的第二輸出端與報警輸出電路的輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制IGBT過電流的驅(qū)動電路，其特征在于，所述隔離驅(qū)動電路包括TLP光電耦合器Ul、電阻Rl、電容Cl以及二極管Dl，電容Cl連接在TLP光電耦合器Ul的8腳與5腳之間，TLP光電耦合器Ul的7腳與6腳相接后與電阻Rl以及二極管Dl的負極連接，電阻Rl的另一端與二極管Dl的正極相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制IGBT過電流的驅(qū)動電路，其特征在于，所述降柵壓鉗位電路包括三極管Q1、三極管Q2、二極管D2、電阻R4、電阻R5、電阻R6、電阻R9及微分電容C4，三極管Ql的集電極接電阻R4后與二極管D2的負極、電阻R5以及電容C4連接，電阻R5、電容C4的另一端接入正電源，三極管Ql的基極與過電壓檢測電路連接，三極管Ql的發(fā)射極接負電源，三極管Q2的集電極接電阻R9后接入負電源，三極管Q2的基極與二極管D2的正極連接，三極管Q2的發(fā)射極與電阻R6及推挽放大電路連接
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的抑制IGBT過電流的驅(qū)動電路，其特征在于，還包括連接于三極管Ql的基極與發(fā)射極之間的電阻R3 ；和/或連接于三極管Ql的基極與三極管Ql的發(fā)射極之間的電容C3。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的抑制IGBT過電流的驅(qū)動電路，其特征在于，還包括電阻R7、電容C5，電阻R7與電容C5并聯(lián)后，一端與三極管Q2的基極連接，一端接入負電源。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制IGBT過電流的驅(qū)動電路，其特征在于，所述報警輸出電路包括依次串聯(lián)的電阻R8、光電耦合器U2、穩(wěn)壓二極管DZ2，穩(wěn)壓二極管DZ2的正極與光電耦合器U2連接，光電耦合器U2的負極接入正電源。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制IGBT過電流的驅(qū)動電路，其特征在于，所述過電壓檢測電路包括高壓二極管D3、高壓二極管D4、電阻R2、電容C2、穩(wěn)壓二極管DZl，高壓二極管D4的負極與IGBT連接、正極與高壓二極管D3的負極連接，高壓二極管D3的正極通過電阻R2與電容C2、穩(wěn)壓二極管DZl的負極連接，穩(wěn)壓二極管DZl的正極以及電容C2的另一端與降柵壓鉗位電路連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制IGBT過電流的驅(qū)動電路，其特征在于，該抑制IGBT過電流的驅(qū)動電路包括TLP光電耦合器Ul，光電耦合器U2，電阻Rl、R2、R4、R5、R6、R8、R9，二極管 Dl、D2，高壓二極管 D3、D4，穩(wěn)壓二極管 DZ1、DZ2，三極管 Ql、Q2、Q3、Q4，電容 Cl、C2、C4，TLP光電耦合器Ul的8腳、電容Cl、電阻R5、電容C4、穩(wěn)壓二極管DZ2的負極以及三極管Q4的集電極接入正電源，TLP光電耦合器Ul的7腳、6腳相接后與電阻R1、二極管Dl的負極連接，并通過電阻R6與三極管Q2的發(fā)射極、三極管Q3的基極、三極管Q4的基極連接，電阻Rl的另一端、二極管Dl的正極與電阻R2、穩(wěn)壓二極管DZl的負極以及電容C2連接，電阻R2的另一端與高壓二極管D3的正極連接，高壓二極管D3的負極與高壓二極管D4的正極連接，高壓二極管D4的負極與IGBT的集電極連接，穩(wěn)壓二極管DZl的正極與三極管Ql的基極連接，三極管Ql的集電極通過電阻R4與二極管D2的負極、電阻R5的另一端、電容C4的另一端以及電阻R8連接，電阻R8的另一端通過光電耦合器U2與穩(wěn)壓二極管DZ2的正極連接，二極管D2的正極與三極管Q2的基極連接，三極管Q2的集電極與電阻R9連接，TLP光電耦合器Ul的5腳、電容Cl的另一端、電容C2的另一端、三極管Ql的發(fā)射極、電阻R9的另一端、三極管Q3的集電極接入負電源，三極管Q3的發(fā)射極與三極管Q4的發(fā)射極連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的的抑制IGBT過電流的驅(qū)動電路，其特征在于還包括電阻R3、電阻R7、電容C3、電容C5中的任意一個或者任意組合，電阻R3連接于三極管Ql的基極與發(fā)射極之間，電阻R7連接于三極管Q3的基極與集電極之間，電容C3連接于三極管Ql的基極與發(fā)射極之間，電容C5連接于三極管Q3的基極與集電極之間。
專利摘要一種抑制IGBT過電流的驅(qū)動電路，包括隔離驅(qū)動電路、降柵壓鉗位電路、推挽放大電路、報警輸出電路、以及過電壓檢測電路，其中，隔離驅(qū)動電路的輸出端、降柵壓鉗位電路的第一輸出端與推挽放大電路的輸入端連接，推挽放大電路的輸出端與IGBT驅(qū)動回路連接，過電壓檢測電路的輸入端與IGBT驅(qū)動回路連接、輸出端與降柵壓鉗位電路的輸入端連接，降柵壓鉗位電路的第二輸出端與報警輸出電路的輸入端連接。根據(jù)本實用新型方案，可以實現(xiàn)對IGBT過電流的有效抑制，不僅可以減少IGBT過電流時的關(guān)斷應(yīng)力，還可延長IGBT短路承受時間，增強IGBT短路電流承受能力，且實現(xiàn)成本低，靈活性高，電路簡單，實用性強。
文檔編號H02H9/02GK202333786SQ20112039025
公開日2012年7月11日 申請日期2011年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月14日
發(fā)明者戴寶鋒 申請人:廣東易事特電源股份有限公司