專利名稱：一種絕緣柵雙極晶體管igbt驅動保護電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種絕緣柵雙極晶體管IGBT(IGBT--Insulated GateBipolar Transistor)的驅動保護電路，特別是一種在變頻器中作為功率開關器件的絕緣柵雙極晶體管IGBT的驅動保護電路。
其中為進一步完善本發明的功能，使本發明具有驅動電源欠壓保護和驅動信號互鎖的功能，驅動光耦U501與開關三極管Q504之間設有一個欠壓保護電路，該欠壓保護電路由穩壓二極管D502組成，該穩壓二極管D502的正極接驅動光耦U501的輸出端，其負極接開關三極管Q504的基極。上下橋驅動信號電路由互鎖的上橋信號驅動電路和下橋信號驅動電路組成，其中上橋信號驅動電路包括三極管Q501、電阻R501、R502，下橋信號驅動電路包括三極管Q601、電阻R601、R602，三極管Q501的發射極接光耦U501的原邊電源VDD，其集電極與下橋驅動信號X1連接，其基極串接電阻R502后與上橋驅動信號U1連接、電阻R501并聯在光耦U501的原邊電源VDD與上橋驅動信號U1之間，三極管Q601的發射極接第二光耦U601的原邊電源VDD集電極接上橋驅動信號U1，其基極串接電阻R602后與下橋驅動信號X1連接，電阻R601并聯在第二光耦U601的原邊電源VDD與下橋驅動信號X1之間。
以下結合附圖
詳細說明本發明的基本結構組成和工作原理
圖2是現有技術方案II的電原理示意圖；圖3是本發明的電路框圖；圖4是本發明的電原理示意圖。
其主要特點在于所述三極管開關電路與放大電路及所述絕緣柵雙極晶體管IGBT之間設有一個IGBT集電極-發射極電壓Vce檢測調節保護電路，該Vce檢測調節保護電路包括短路保護電路、故障鎖存電路，其中，短路保護電路的其中一輸入端與開關三極管Q504的集電極連接，其另一輸入端接絕緣柵雙極晶體管IGBT的集電極——發射極電壓Vce反饋信號，其一輸出端通過故障鎖存電路與開關三極管Q504的基極連接，其另一輸出端與放大電路的輸入端連接，且所述Vce檢測調節保護電路在檢測到絕緣柵雙極晶體管IGBT的集電極——發射極電壓Vce異常時，通過短路保護電路控制放大電路將所述絕緣柵雙極晶體管IGBT的柵極電壓調低到小于其門限低壓值，以使所述絕緣柵雙極晶體管IGBT截止，并通過故障鎖存電路迅速拉低開關三極管Q504的基極電壓，維持開關三極管Q504導通，實現閉合鎖存，保證在CPU接受到故障信號并封鎖驅動信號前能可靠地封鎖所述絕緣柵雙極晶體管IGBT。其中短路保護電路包括第二開關三極管Q511、二極管D501、D505、D506、D508、D509、電容C504、C506及電阻R508、R509、R510、R511，其中第二開關三極管Q511集電極通過若干電阻、電容與電源連接，其發射極接地，其基極與二極管D509的正極連接，電容C506與電阻R511并聯在所述第二開關三極管Q511的基極與地之間，二極管D506、電阻R509、二極管D508、D509依序串接，且二極管D506的正極接開關三極管Q504的集電極，二極管D501與D505串聯，二極管D505的正極通過二極管D533和電阻R508與二極管D508的正極連接，二極管D501負極與所述絕緣柵雙極晶體管IGBT的集電極連接，電容C504一端與二極管D508的正極連接，其另一端接地，電阻R510一端與二極管D506的負極連接，另一端接地。故障鎖存電路包括電容C502、電阻R504、R505，其中電容C502與電阻R505并聯后，其一端接上述第二開關三極管Q511的集電極，其另一端串接電阻R504后與開關三極管Q504的基極連接。為了使IGBT在故障時實現軟關斷，避免過大的 造成過壓損壞IGBT模塊，本發明IGBT集電極——發射極電壓Vce檢測調節保護電路還包括故障軟關斷電路，該軟關斷電路包括電阻R512、二極管D510，其中電阻R512與二極管D510串接后，電阻R512的另一端與第二開關三極管Q511的集電極連接，二極管D510的正極與放大電路的輸入端連接。為保證可及時將故障信號送到CPU，由CPU來控制驅動信號而封鎖IGBT，絕緣柵雙極晶體管IGBT的集電極——發射極Vce檢測調節保護電路還包括有送出故障信號給CPU的故障信號驅動電路，該故障信號驅動電路包括光耦U502、二極管D512、電阻R503、R524，其中電阻R523、R524并聯后，其一端接驅動電源，其另一端與光耦U502的第2腳連接，二極管D512的正極與光耦U502的第2腳連接，其負極端與第二開關三極管Q511的集電極連接，光耦U502的第3腳接地，其第6腳輸出故障信號給CPU。為進一步完善本發明的功能，使本發明在具有短路保護、故障鎖存、故障軟關斷等功能的基礎上還具有驅動電源欠壓保護和驅動信號互鎖功能，驅動光耦U501與開關三極管Q504之間設有一個欠壓保護電路，該欠壓保護電路由穩壓二極管D502組成，該穩壓二極管D502的正極接驅動光耦U501的輸出端，其負極接開關三極管Q504的基極。上下橋驅動信號電路由互鎖的上橋信號驅動電路和下橋信號驅動電路組成，其中上橋信號驅動電路包括三極管Q501、電阻R501、R502，下橋信號驅動電路包括三極管Q601、電阻R601、R602，三極管Q501的發射極接光耦U501的原邊電源VDD，其集電極與下橋驅動信號X1連接，其基極串接電阻R502后與上橋驅動信號U1連接、電阻R501并聯在光耦U501的原邊電源VDD與上橋驅動信號U1之間，三極管Q601的發射極接第二光耦U601的原邊電源VDD，集電極接上橋驅動信號U1，其基極串接電阻R602后與下橋驅動信號X1連接，電阻R601并聯在第二光耦U601的原邊電源VDD與下橋驅動信號X1之間。為配合整個電路多功能的實現，上述放大電路與所述絕緣柵雙極晶體管IGBT之間設有可變門極電阻電路，該可變門極電阻電路由二極管D519、電阻R514、R515、R516組成，其中，二極管D519與電阻R514并聯后與由電阻R515、R516并聯組成的電阻電路串聯，且二極管D519的負極端位于放大電路的輸出端一側。絕緣柵雙極晶體管IGBT的柵極設有一個門極電壓鉗位電路，該門極電壓鉗位電路的兩端分別與電源和地連接，其中間輸出端與絕緣柵雙極晶體管IGBT的柵極連接。
本發明的基本工作原理是U相上橋驅動信號低有效，驅動光耦U501輸出低電平時，D502擊穿，Q504導通，Q515、Q517導通，IGBT開通；反之U501輸出為高電平時，Q504截止，Q516、Q518導通，確保IGBT截止。
該電路具有驅動信號互鎖功能，即U相上橋驅動信號U1低有效時，Q501導通，將U相下橋驅動信號X1拉高，Q601也是同樣作用，確保上下橋臂驅動信號互鎖。電路中，D502為Q504提供固定的開通閾值，可以起到驅動電源欠壓保護作用。其中Vce檢測調節保護電路的工作原理如下首先，短路保護功能是通過采用Vce檢測來進行短路保護，其具體工作過程及原理是驅動光耦輸出低電平時，電路通過D506、R509對C504充電，如果IGBT正常開通，則D505正極電位比較低，D508正極的電位受到限制，不足以擊穿D509，此時Q511截止，IGBT正常驅動；如果IGBT導通時出現短路，則D505正極電平較高，D508正極的電位上升直到D509擊穿，電路對C506充電，C506的電位足夠高時Q511導通，使IGBT截止，實現短路保護功能。同時通過光耦U502送出故障信號到CPU。保護動作的電流閾值與IGBT的Ic-Vce特性、D509的穩壓值、R508阻值等參數有密切關系。可以通過調整D509和R508參數方便的實現保護動作點的調整。由于IGBT加上開通信號后有一個導通過程，因此Vce的下降也有一個的過程，在1-2uS內仍保持比較高的電壓，C504和C506的存在使保護電路不會在正常開通過程中動作，即為保護電路提供一定的延時，同時也構成兩級濾波電路，以避免電路誤動作，C504取1nF時，保護延時為2-3uS。
其次，故障鎖存功能是通過電容C502的存在來迅速拉低Q504的基極電位而使Q504維持導通來實現閉環自鎖，其具體工作過程及原理是如果IGBT導通時出現短路，則D505正極電平較高，D508正極的電位上升直到D509擊穿，電路對C506充電，C506的電位足夠高時Q511導通，此時Q511的集電極電位變為低電平。C502的存在使Q511導通時Q504基極被迅速拉低，Q504維持導通，C506繼續充電，Q511保持導通，保護電路實現閉環自鎖，保證在CPU接受到故障信號并封鎖驅動信號之前，驅動電路本身能可靠封鎖IGBT；同時C502經R504充電，Q504基極電位上升，最后Q504截止，C506放電，Q511截止，驅動電路恢復正常。R505為C502提供放電通道，否則C502上保留的電荷將不利于啟動短路保護電路的閉環自鎖。R505的取值很重要，取值過大，IGBT第一次短路時電路可實現閉環自鎖，但是，如果短路故障沒有排除而IGBT很快再次開通時，由于C502上的電荷未能及時瀉放，電路無法實現自鎖，IGBT將不斷地開關很大的短路電流，嚴重影響其壽命；R505取值過小時，閉環自鎖狀態將無法自行解除。自鎖時間主要由充電時間確定，C502取470nF時，可以提供1.5-2mS的自鎖時間。
再次故障軟關斷的工作原理是IGBT短路時，保護電路動作，調整R512的阻值可以改變加在柵極電阻上的電壓，從而調整IGBT關斷的速度。R512取330Ω時，D519正極相對于IGBT射極的電位為0.2V～0.4V(而非正常工作的關斷電壓-5.6V)。這個電壓可以使IGBT實現一定程度的軟關斷，避免過大的 造成過壓損壞器件。
權利要求
1.一種絕緣柵雙極晶體管IGBT驅動保護電路，其主要包括一個用于提供恒壓的電源U+；一個用于控制負載通斷的絕緣柵雙極晶體管IGBT；一個上下橋驅動信號電路，用于驅動光耦U501；光耦U501，其輸入端與上下橋驅動信號電路連接，其輸出端產生一個控制電壓給開關三極管Q504的基極；一個開關三極管控制電路，用于產生一個開關信號作為放大電路的輸入電壓，其主要由開關三極管Q504和電阻R506組成，其中開關三極管Q504的基極與光耦U501的輸出端連接，其發射極接電源，其集電極與放大電路連接并通過電阻R506接地；一個放大電路，用于產生一個柵壓并將其提供給所述絕緣柵雙極晶體管IGBT的柵極，其輸入端與開關三極管Q504的集電極連接，其輸出端與所述絕緣柵雙極晶體管IGBT的柵極連接；其特征在于所述三極管開關電路與放大電路及所述絕緣柵雙極晶體管IGBT之間設有一個IGBT集電極-發射極電壓Vce檢測調節保護電路，該Vce檢測調節保護電路包括短路保護電路、故障鎖存電路，其中，短路保護電路的其中一輸入端與開關三極管Q504的集電極連接，其另一輸入端接絕緣柵雙極晶體管IGBT的集電極——發射極電壓Vce反饋信號，其一輸出端通過故障鎖存電路與開關三極管Q504的基極連接，其另一輸出端與放大電路的輸入端連接，且所述Vce檢測調節保護電路在檢測到絕緣柵雙極晶體管IGBT的集電極——發射極電壓Vce異常時，通過短路保護電路控制放大電路將所述絕緣柵雙極晶體管IGBT的柵極電壓調低到小于其門限低壓值，以使所述絕緣柵雙極晶體管IGBT截止，并通過故障鎖存電路迅速拉低開關三極管Q504的基極電壓，維持開關三極管Q504導通，實現閉合鎖存，保證在CPU接受到故障信號并封鎖驅動信號前能可靠地封鎖所述絕緣柵雙極晶體管IGBT。
2.根據權利要求1所述的絕緣柵雙極晶體管IGBT驅動保護電路，其特征在于上述短路保護電路包括第二開關三極管Q511、二極管D501、D505、D506、D508、D509、電容C504、C506及電阻R508、R509、R510、R511，其中第二開關三極管Q511集電極通過若干電阻、電容與電源連接，其發射極接地，其基極與穩壓二極管D509的正極連接，電容C506與電阻R511并聯在所述第二開關三極管Q511的基極與地之間，二極管D506、電阻R509、二極管D508、穩壓二極管D509依序串接，且二極管D506的正極接開關三極管Q504的集電極，二極管D501與D505串聯，D505的正極通過二極管D533和電阻R508與二極管D508的正極連接，D501負極與所述絕緣柵雙極晶體管IGBT的集電極連接，電容C504一端與二極管D508的正極連接，其另一端接地，電阻R510一端與二極管D506的負極連接，另一端接地。
3.根據權利要求2所述的絕緣柵雙極晶體管IGBT驅動保護電路，其特征在于上述故障鎖存電路包括電容C502、電阻R504、R505，其中電容C502與電阻R505并聯后，其一端接上述第二開關三極管Q511的集電極，其另一端串接電阻R504后與開關三極管Q504的基極連接。
4.根據權利要求2或3所述的絕緣柵雙極晶體管IGBT驅動保護電路，其特征在于上述IGBT集電極——發射極電壓Vce檢測調節保護電路還包括故障軟關斷電路，該軟關斷電路包括電阻R512、二極管D510，其中電阻R512與二極管D510串接后，電阻R512的另一端與第二開關三極管Q511的集電極連接，二極管D510的正極與放大電路的輸入端連接。
5.根據權利要求1所述的絕緣柵雙極晶體管IGBT驅動保護電路，其特征在于上述放大電路為由三極管Q515、Q516、Q517、Q518組成的雙推挽放大電路。
6.根據權利要求1或5所述的絕緣柵雙極晶體管IGBT驅動保護電路，其特征在于上述放大電路與所述絕緣柵雙極晶體管IGBT之間設有可變門極電阻電路，該可變門極電阻電路由二極管D519、電阻R514、R515、R516組成，其中，二極管D519與電阻R514并聯后與由電阻R515、R516并聯組成的電阻電路串聯，且二極管D519的負極端位于放大電路的輸出端一側。
7.根據權利要求1所述的絕緣柵雙極晶體管IGBT驅動保護電路，其特征在于上述絕緣柵雙極晶體管IGBT的柵極設有一個門極電壓鉗位電路，該門極電壓鉗位電路的兩端分別與電源和地連接，其中間輸出端與絕緣柵雙極晶體管IGBT的柵極連接。
8.根據權利要求1所述的絕緣柵雙極晶體管IGBT驅動保護電路，其特征在于上述驅動光耦U501與開關三極管Q504之間設有一個欠壓保護電路，該欠壓保護電路由穩壓二極管D502組成，該穩壓二極管D502的正極接驅動光耦U501的輸出端，其負極接開關三極管Q504的基極。
9.根據權利要求1所述的絕緣柵雙極晶體管IGBT驅動保護電路，其特征在于上述上下橋驅動信號電路由互鎖的上橋信號驅動電路和下橋信號驅動電路組成，其中上橋信號驅動電路包括三極管Q501、電阻R501、R502、下橋信號驅動電路包括三極管Q601、電阻R601、R602，三極管Q501的發射極接光耦U501的原邊電源VDD，其集電極與下橋驅動信號X1連接，其基極串接電阻R502后與上橋驅動信號U1連接、電阻R501并聯在光耦U501的原邊電源VDD與上橋驅動信號U1之間，三極管Q601的發射極接第二光耦U601的原邊電源VDD，集電極接上橋驅動信號U1，其基極串接電阻R602后與下橋驅動信號X1連接，電阻R601并聯在第二光耦U601的原邊電源VDD與下橋驅動信號X1之間。
10.根據權利要求2或3所述的絕緣柵雙極晶體管IGBT驅動保護電路，其特征在于上述IGBT集電極-發射極電壓Vce檢測調節保護電路還包括有送出故障信號給CPU的故障信號驅動電路，該故障信號驅動電路包括光耦U502、二極管D512、電阻R523、R524，其中電阻R523、R524并聯后，其一端接驅動電源，其另一端與光耦U502的第2腳連接，二極管D512的正極端與光耦U502的第2腳連接，其負極端與第二開關三極管Q511的集電極連接，光耦U502的第3腳接地，其第6腳輸出故障信號給CPU。
全文摘要
一種絕緣柵雙極晶體管IGBT驅動保護電路,其主要包括:電源;絕緣柵雙極晶體管IGBT;一個上下橋驅動信號電路;光耦U
文檔編號H02H7/122GK1354561SQ0113004
公開日2002年6月19日 申請日期2001年12月10日 優先權日2001年12月10日
發明者徐學海, 李玲, 劉玉虎, 杜亞東, 邱文淵 申請人:深圳安圣電氣有限公司