專利名稱：一種igbt驅(qū)動保護電路的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電路技術領域，尤其涉及一種IGBT驅(qū)動保護電路。
背景技術：
IGBT在變頻器、伺服驅(qū)動器、變流器及等電力電子設備中得到了廣泛應用。在這些 設備中，IGBT是價值高(價格高)的關鍵器件，而且它的性能也也很大程度的影響了這個 設備的性能和工作可靠性。因此，IGBT的驅(qū)動保護電路是非常關鍵的難點和重點，是設備 運行的關鍵環(huán)節(jié)。 為解決IGBT的高性能和可靠驅(qū)動問題，國內(nèi)外一些廠家開發(fā)了專用的IGBT驅(qū)動 厚模模塊，如國內(nèi)常見的日本富士公司的EXB841厚模電路，三菱公司生產(chǎn)的M57962厚模電 路等。它們的優(yōu)點是，功能較齊全，集成度較高，穩(wěn)定性好。相對不足的是需要正負電源，參 數(shù)不能調(diào)整，使用靈活性不高。由于集成的光耦的速度限制(不能更換為更高速的光耦)， 一般工作頻率都在30kHz以下。而且體積大、價格高。特別是價格高的因素，造成難以在中 小功率領域和成本敏感的產(chǎn)品中推廣使用。 近來，國外一些廠家開發(fā)了一些低成本的IGBT驅(qū)動光耦，如TLP250、 PC925、 HCPL-3120、HCPL-3150、HCPL-316J、PC929等，優(yōu)點是集成度高，穩(wěn)定性好，外圍元件少。另一 方面，它們一般都需要雙電源，有的功能非常少，如TLP250和PC925無電源欠壓和VCE保護 功能，HCPL-3120和HCPL-3150無VCE保護功能，功能功能較齊全的如HCPL-316和PC929， 價格高而且性能指標有制約，如驅(qū)動電流小(小于2A，只能驅(qū)動75A/1200以下的IGBT)，在 高的dv/dt下容易誤保護，PCB設計難度大。 下面以目前在市場上應用比較廣泛，功能較齊全的M57962為例進行分析 該電路需雙電源供電，最高工作頻率為40kHz。高速光耦隔離、具備過流軟關斷、欠 壓鎖定、故障信號輸出等功能。M57962的應用電路原理圖如圖1所示 該電路的工作原理 該電路采用+15V和-10V供電。當INPUT有10mA電流通過時、5腳輸出的高電平 通過RG給IGBT柵極充電，使IGBT導通；當INPUT無輸入時，5腳輸出負電壓。IGBT的柵極 電荷通過RG放電，IGBT截止。 當IGBT的電流過大時，IGBT的導通VCE電壓高( 一般會超過5V) ， M57962通過1 腳連接的快恢復二極管Dl檢測到該電壓超過內(nèi)部設定的保護門限時，立刻將5腳電平由 +15V降為-IOV，同時8腳輸出低電平，故障反饋光耦導通。 穩(wěn)壓管DZ1的作用是防止通過VCE檢測二極管耦合過來的高電壓損壞該驅(qū)動電 路。 DZ2和DZ3的作用是防止門極浪涌電壓擊穿IGBT。 一般IGBT的柵極擊穿電壓為 20V。 在這里RG的取值比較關鍵，其大小直接決定IGBT的開通和關斷時間，影響IGBT 的開關損耗。取值小使得開關時間短，IGBT開關過程中產(chǎn)生的dv/dt高，由于引線的雜散電感，IGBT的CE極間會產(chǎn)生較高的電壓浪涌，過高的電壓浪涌尖峰會使IGBT擊穿損壞；取 值大使得開關時間長，開關損耗大。IGBT關斷時，由于密勒效應，IGBT柵極有電流反向流過 RG，從而在柵極上疊加正電壓，使得IGBT的柵極電位上升。若電壓超過導通閥值電壓，將使 IGBT誤導通。所以驅(qū)動電路一般采用負壓驅(qū)動，以防止IGBT的誤導通。 現(xiàn)有技術的缺陷是 1、關斷時采用負壓驅(qū)動，因此為雙電源供電方式，電路復雜，成本高； 2、為了保護IGBT柵極，需要使用由DZ2和DZ3構(gòu)成的鉗位電路。DZ2和DZ3使用
普通穩(wěn)壓管時，由于穩(wěn)壓管的內(nèi)阻大鉗位效果較差，常見的采用18V的穩(wěn)壓管的作法在高
的dv/dt情況下無法保證柵極電壓小于20V，實際測試時IGBT柵極會出現(xiàn)30V以上的電壓。
DZ2和DZ3采用16V/1W的TVS管效果雖然好但成本很高； 3、參數(shù)基本不能調(diào)整，使用靈活性不高； 4、由于內(nèi)部集成的光耦速度的限制(集成1Mbps的光耦，無法更換為速度更快的 光耦)，一般工作頻率都在20 30kHz以下，在15kHz以上使用時脈寬失真較大。

實用新型內(nèi)容本實用新型要解決的技術問題是提供一種IGBT驅(qū)動保護電路。 為解決上述技術問題，本實用新型的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的。 —種IGBT驅(qū)動保護電路，包括開通電路(101)、關斷電路(102) 、VCE檢測過流保 護電路(103)、欠壓保護電路(104)、光耦(Ul) 、IGBT(Q10)、柵極電阻(RG1)，開通電路(101) 一端與欠壓保護電路(104)相連，另一端經(jīng)柵極電阻(RG1)與IGBT(QIO)的柵極相連， IGBT(QIO)的源極和漏極分別與關斷電路(102)和VCE檢測過流保護電路(103)相連，光耦 (Ul)與欠壓保護電路(104)相連，VCE檢測過流保護電路(103)分別與開通電路(101)、關 斷電路(102)和欠壓保護電路(104)相連。 其中，所述開通電路(101)包括電阻R2、電阻R5、電阻R6、三極管Q1、三極管Q4、 鉗位二極管Dl，電阻R2與電阻R5串聯(lián)后一端與電阻R3相連，另一端與鉗位二極管Dl的陰 極相連，電阻R2與電阻R5的中點與三極管Ql基極相連，Ql的集電極經(jīng)電阻R6與三極管 Q4的基極相連。 其中，所述關斷電路(102)包括三極管Q2、三極管Q3、三極管Q5、三極管Q6、電阻 R3、電阻R4、電阻R8、電阻R9、電容C4，三極管Q2的基極與鉗位二極管Dl的陰極相連，三極 管Q2的發(fā)射極與電阻R3的另一端相連，三極管Q2的集電極經(jīng)電阻R9接地，三極管Q3的基 極與三極管Q2的集電極相連，三極管Q3的發(fā)射極接地，三極管Q3的集電極與三極管Q6的 基極相連，三極管Q6的集電極與VCE檢測過流保護電路(103)相連，電容C4一端與三極管 Q6的發(fā)射極相連，另一端經(jīng)電阻R8與三極管Q6的集電極相連，三極管Q5的基極與三極管 Q4的基極相連，三極管Q5的集電極接地，三極管Q5的發(fā)射極與三極管Q4的發(fā)射極相連。 其中，所述欠壓保護電路(103)包括D2穩(wěn)壓管、二極管D15、電阻R2、電阻R5、三 極管Ql、鉗位二極管Dl，光耦Ul經(jīng)D2穩(wěn)壓管與二極管D15的陰極相連，D2穩(wěn)壓管的陰極 與VCE檢測過流保護電路(103)相連，二極管D15的陽極與鉗位二極管D1的陰極相連。 其中，VCE檢測過流保護電路(103)包括第二光耦U2、三極管Q7、三極管Q8、三極 管Q9、二極管D6、二極管D4、電阻Rl、電阻R7、電阻RIO、電阻R12、電阻R13、電阻R14、電阻R15、電阻R16、電阻R17、電阻R18、電容C2、電容C5、電容C7、電阻R10、電阻R12串聯(lián)后一端 與三極管Q7的基極相連，另一端與三極管Q8的集電極相連，電阻R1并聯(lián)在三極管Q7的基 極與發(fā)射極之間，三極管Q7的集電極經(jīng)二極管D6與二極管Dl的陰極相連，第二光耦U2的 一端與電阻RIO和R12的中點相連，電阻Rll與電阻R18串聯(lián)后一端與三極管Q7的集電極 相連，另一端經(jīng)電阻R14與穩(wěn)壓管D5的陽極相連，穩(wěn)壓管D5的陰極經(jīng)電阻R15與二極管D7 的陽極相連，二極管D7的陰極與IGBT Q6的漏極相連，電阻R13并聯(lián)在三極管Q8的基極與 發(fā)射極之間，三極管Q9的發(fā)射極經(jīng)電阻R7與二極管D6的陰極相連，三極管Q9的基極與穩(wěn) 壓管D2的陰極相連，三極管Q9的集電極接在電阻R18與電阻R14的中點，電容C7并聯(lián)在 電阻Rll的兩端，電容C2并聯(lián)在電阻R13的兩端，電容C5的一端接地，另一端與穩(wěn)壓管D5 的陰極相連。 本實用新型的有益效果如下 1、功能齊全，具備高速光耦隔離，欠壓保護，VCE檢測過流保護及故障信號反饋輸 出等功能。 2、單電源供電，只需要一路^+15￥的電源，成本低。而且可寬電壓范圍工作(向 上延展)，在采用自舉方式供電的應用中具有獨到的價值。采用自舉方式供電時，供電電壓 隨IGBT負載電流和載波頻率變化，驅(qū)動電路紋波達高達1 2V，若采用15V供電，輸出驅(qū)動 信號的幅值將會小于13V，導致IGBT損耗增大，開關速度變慢。若使用該電路，只需將供電 電壓提高到17 18V，即可得到穩(wěn)定的輸出驅(qū)動電壓)。 3、在無負壓的情況下耐固性好(即防止dv/dt帶來的誤導通)，無需IGBT柵極鉗 位電路大幅節(jié)省成本。 4、成本低，從下面的三個方面實現(xiàn)了低成本。 1)除高速光耦外，其余都由廉價的普通分立元器件構(gòu)成； 2)單電源供電； 3)無IGBT柵極鉗位電路。 實際總成本與M57962相比，價格僅為M57962的1/6。
圖1為現(xiàn)有的IGBT驅(qū)動保護電路原理圖； 圖2為本實用新型IGBT驅(qū)動保護電路原理圖。
具體實施方式為便于對本實用新型電路的進一步理解，現(xiàn)結(jié)合附圖及具體實施例對本實用新型 的電路原理進行詳細描述。 請參閱圖2所示，包括開通電路101、關斷電路102、 VCE檢測過流保護電路103、 欠壓保護電路104、光耦U1、IGBT Q10、柵極電阻RG1，開通電路101—端與欠壓保護電路104 相連，另一端經(jīng)柵極電阻RG1與IGBT Q10的柵極相連，IGBT Q10的源極和漏極分別與關斷 電路102和VCE檢測過流保護電路103相連，光耦Ul與欠壓保護電路104相連，VCE檢測 過流保護電路103分別與開通電路101、關斷電路102和欠壓保護電路104相連。 開通電路101包括電阻R2、R5、R6、三極管Q1、Q4、鉗位二極管Dl，電阻R2與電阻R5串聯(lián)后一端與電阻R3相連，另一端與鉗位二極管D1的陰極相連，電阻R2與電阻R5的中 點與三極管Ql基極相連，Ql的集電極經(jīng)電阻R6與三極管Q4的基極相連； 關斷電路102包括:三極管Q2、Q3、Q5、Q6、電阻R3、R4、R8、R9、電容C4，三極管Q2 的基極與鉗位二極管Dl的陰極相連，三極管Q2的發(fā)射極與電阻R3的另一端相連，三極管 Q2的集電極經(jīng)電阻R9接地，三極管Q3的基極與三極管Q2的集電極相連，三極管Q3的發(fā)射 極接地，三極管Q3的集電極與三極管Q6的基極相連，三極管Q6的集電極與VCE檢測過流 保護電路103相連，電容C4 一端與三極管Q6的發(fā)射極相連，另一端經(jīng)電阻R8與三極管Q6 的集電極相連，三極管Q5的基極與三極管Q4的基極相連，三極管Q5的集電極接地，三極管 Q5的發(fā)射極與三極管Q4的發(fā)射極相連。 欠壓保護電路103包括穩(wěn)壓管D2、二極管D15、電阻R2、 R3、 R5、三極管Ql、鉗位 二極管Dl，光耦Ul經(jīng)穩(wěn)壓管D2與二極管D15的陰極相連，穩(wěn)壓管D2的陰極與VCE檢測過 流保護電路103相連，二極管D15的陽極與鉗位二極管Dl的陰極相連。 VCE檢測過流保護電路103包括光耦U2、三極管Q7、 Q8、 Q9、二極管D4、 D6、穩(wěn)壓 管D5、電阻Rl、 R7、 RIO、 Rll、 R12、 R13、 R14、 R15、 R16、 R17、 R18、電容C2、 C5、 C7、電阻RIO、 R12串聯(lián)后一端與三極管Q7的基極相連，另一端與三極管Q8的集電極相連，電阻R1并聯(lián)在 三極管Q7的基極與發(fā)射極之間，三極管Q7的集電極經(jīng)二極管D6與二極管D1的陰極相連， 光耦U2的一端與電阻R10和R12的中點相連，電阻Rll與電阻R18串聯(lián)后一端與三極管Q7 的集電極相連，另一端經(jīng)電阻R14與穩(wěn)壓管D5的陽極相連，穩(wěn)壓管D5的陰極經(jīng)電阻R15與 二極管D7的陽極相連，二極管D7的陰極與IGBT Q10的漏極相連，電阻R13并聯(lián)在三極管 Q8的基極與發(fā)射極之間，三極管Q9的發(fā)射極經(jīng)電阻R7與二極管D6的陰極相連，三極管Q9 的基極與穩(wěn)壓管D2的陰極相連，三極管Q9的集電極接在電阻R18與電阻R14的中點，電容 C7并聯(lián)在電阻Rll的兩端，電容C2并聯(lián)在電阻R13的兩端，電容C5的一端接地，另一端與 穩(wěn)壓管D5的陰極相連。 電路工作原理如下 1、正常開通過程 INPUT開通時，光耦原邊有驅(qū)動電流(10mA 25mA)時，光耦Ul導通。A點電壓迅 速下降，穩(wěn)壓二極管D2齊納擊穿，B點被拉低，Q1導通，C點電位上升(上升斜率由R6和C4 確定)。使得Q4和Q5的射極也上升，并通過柵極電阻RG1給IGBT提供開通需要的電流。 可見IGBT的上升時間可以通過調(diào)節(jié)R6和C4值(由于RG1取值小，一般不需調(diào)節(jié))來實現(xiàn)。 2、正常關斷過程 當INPUT關斷時，光耦原邊沒有電流流過。光耦Ul不通，A點電位上升，D2關斷。 Ql關斷；Q2， Q3關斷，Q6導通，C點電位被拉低，使得Q4和Q5的射極電位也下降，并通過柵 極電阻RG1給IGBT提供關斷需要的抽取電流。IGBT柵極電位下降，IGBT關斷。關斷時間 可以通過調(diào)節(jié)R8和C4值(由于RG1取值小，一般不需調(diào)節(jié))來實現(xiàn)。 3、保護動作原理 1)欠壓保護原理 光耦U1開通時，若電源VCC〈 (D2穩(wěn)壓值+2X0. 6)V時。此時D2仍處于關斷狀 態(tài)。Q1和Q4關斷。Q6，Q5導通。IGBT柵極被鎖定為低電平。IGBT—直處于關斷狀態(tài)。可 見D2選擇不同的穩(wěn)壓值時，欠壓保護的值也不同。[0050] 2) VCE檢測過流保護電路原理 IGBT在正常工作情況(VCE電壓小于2. 5V)下，D點電位穩(wěn)定在3V，D5關斷，Q8截 止。此時，若發(fā)生短路，IGBT承受大電流，使得VCE電壓迅速上升。當VCE電壓高于8V(由 D5穩(wěn)壓值、電阻R17和R14確定)時，D5擊穿。VCC通過R14和C2回路充電，經(jīng)過4uS延 時(由電阻R17和C5確定)后，Q8導通，光耦U2導通，將故障信號輸出，同時Q7導通。E 點為高電平，通過D6將B點嵌位為高電平。此高電位維持的時間T = C7*R18。在此時間內(nèi) Ql Q4截止，Q5， Q6導通，柵極為低電位，IGBT關斷。當故障消除時，恢復驅(qū)動輸出。 Q7、Q8、D6和C7、R11、R18形成的單穩(wěn)電路可產(chǎn)生時間間隔為T(由C7*R18確定， 一般取2 10ms)的故障封鎖信號。 由D6、 D15、 Q9、 R7構(gòu)成的電路可確保在輸入有持續(xù)開通信號時IGBT過流能持續(xù) 關斷，直到輸入開通信號關斷為止。 以上對本實用新型所提供的一種IGBT驅(qū)動保護電路進行了詳細介紹，本文中應
用了具體個例對本實用新型的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫 助理解本實用新型的核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據(jù)本實用新型的思
想，在具體實施方式
及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應理解為對 本實用新型的限制。
權利要求一種IGBT驅(qū)動保護電路，其特征在于，包括開通電路(101)、關斷電路(102)、VCE檢測過流保護電路(103)、欠壓保護電路(104)、光耦(U1)、柵極電阻(RG1)，開通電路(101)一端與欠壓保護電路(104)相連，另一端經(jīng)柵極電阻(RG1)與IGBT(Q10)的柵極相連，IGBT(Q10)的源極和漏極分別與關斷電路(102)和VCE檢測過流保護電路(103)相連，光耦(U1)與欠壓保護電路(104)相連，VCE檢測過流保護電路(103)分別與開通電路(101)、關斷電路(102)和欠壓保護電路(104)相連。
2. 根據(jù)權利要求1所述的IGBT驅(qū)動保護電路，其特征在于，所述開通電路(101)包括 電阻R2、電阻R5、三極管Ql、鉗位二極管Dl、電阻R6、三極管Q4，電阻R2與電阻R5串聯(lián)后 一端與電阻R3相連，另一端與鉗位二極管Dl的陰極相連，電阻R2與電阻R5的中點與三極 管Ql基極相連，Ql的集電極經(jīng)電阻R6與三極管Q4的基極相連。
3. 根據(jù)權利要求2所述的IGBT驅(qū)動保護電路，其特征在于，所述關斷電路(102)包括 三極管Q2、三極管Q3、三極管Q5、三極管Q6、電阻R3、電阻R4、電阻R8、電阻R9、電容C4，三 極管Q2的基極與鉗位二極管D1的陰極相連，三極管Q2的發(fā)射極與電阻R3的一端相連，三 極管Q2的集電極經(jīng)電阻R9接地，三極管Q3的基極與三極管Q2的集電極相連，三極管Q3 的發(fā)射極接地，三極管Q3的集電極與三極管Q6的基極相連，三極管Q6的基極又和電阻R4 相連至開通電路(101)，三極管Q6的集電極與VCE檢測過流保護電路(103)相連，電容C4 一端與三極管Q6的發(fā)射極相連，另一端經(jīng)電阻R8與三極管Q6的集電極相連，三極管Q5的 基極與三極管Q4的基極相連，三極管Q5的集電極接地，三極管Q5的發(fā)射極與三極管Q4的 發(fā)射極相連。
4. 根據(jù)權利要求3所述的IGBT驅(qū)動保護電路，其特征在于，所述欠壓保護電路(103) 包括D2穩(wěn)壓管、二極管D15、電阻R2、電阻R5、三極管Ql、鉗位二極管Dl，光耦Ul經(jīng)D2穩(wěn) 壓管與二極管D15的陰極相連，D2穩(wěn)壓管的陰極與VCE檢測過流保護電路(103)相連，二 極管D15的陽極與鉗位二極管Dl的陰極相連。
5. 根據(jù)權利要求4所述的IGBT驅(qū)動保護電路，其特征在于，VCE檢測過流保護電路 (103)包括第二光耦U2、三極管Q7、三極管Q8、三極管Q9、二極管D6、二極管D4、電阻Rl、 電阻R7、電阻RIO、電阻R12、電阻R14、電阻R13、電阻R15、電阻R16、電阻R17、電阻R18、電 容C2、電容C5、電容C7、電阻RIO、電阻R12串聯(lián)后一端與三極管Q7的基極相連，另一端與 三極管Q8的集電極相連，電阻R1并聯(lián)在三極管Q7的基極與發(fā)射極之間，三極管Q7的集電 極經(jīng)二極管D6與二極管Dl的陰極相連，第二光耦U2的一端與電阻R10和R12的中點相 連，電阻Rll與電阻R18串聯(lián)后一端與三極管Q7的集電極相連，另一端經(jīng)電阻R14與穩(wěn)壓 管D5的陽極相連，穩(wěn)壓管D5的陰極經(jīng)電阻R15與二極管D7的陽極相連，二極管D7的陰極 與IGBT Q10的漏極相連，電阻R13并聯(lián)在三極管Q8的基極與發(fā)射極之間，三極管Q9的發(fā) 射極經(jīng)電阻R7與二極管D6的陰極相連，三極管Q9的基極與穩(wěn)壓管D2的陰極相連，三極管 Q9的集電極接在電阻R18與電阻R14的中點，電容C7并聯(lián)在電阻Rll的兩端，電容C2并聯(lián) 在電阻R13的兩端，電容C5的一端接地，另一端與穩(wěn)壓管D5的陰極相連。
專利摘要本實用新型公開了一種IGBT驅(qū)動保護電路，其特征在于，包括開通電路、關斷電路、VCE檢測過流保護電路、欠壓保護電路、光耦、IGBT、柵極電阻，開通電路一端與欠壓保護電路相連，另一端經(jīng)柵極電阻與IGBT的柵極相連，IGBT的源極和漏極分別與關斷電路和VCE檢測過流保護電路相連，光耦與欠壓保護電路相連，VCE檢測過流保護電路分別與開通電路、關斷電路和欠壓保護電路相連。本實用新型電路功能齊全，具備高速光耦隔離，欠壓保護，VCE檢測過流保護及故障信號反饋輸出等功能。單電源供電，只需要一路≥+15V的電源，成本低。在無負壓的情況下耐固性好，無需IGBT柵極鉗位電路大幅節(jié)省成本。
文檔編號H03K17/567GK201533295SQ20092020581
公開日2010年7月21日 申請日期2009年10月21日 優(yōu)先權日2009年10月21日
發(fā)明者李樹白 申請人:深圳市麥格米特驅(qū)動技術有限公司