專利名稱：一種絕緣柵雙極型晶體管驅動電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及電力電子領域，具體涉及一種絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)驅動電路。
背景技術：
在變頻器、照明電路、牽引傳動、不間斷電源(Uninterruptible Power System, UPS)等電力電子裝置中，IGBT作為主要的功率開關器件，其工作(包括驅動和保護)的可靠性將直接影響到整個裝置的可靠性，故關于IGBT驅動行業中出現了很多不同的驅動電路。其中，一種比較典型的IGBT驅動電路是，利用光電隔離器PC929的輸出直接進行IGBT 驅動，即將光電隔離器PC929的輸出直接輸入IGBT柵極進行IGBT驅動。然而，由于光電隔離器PC^9本身的驅動能力有限，上述的IGBT驅動電路也只能適用于小容量的IGBT驅動。
發明內容
針對上述缺陷，本發明提供了一種絕緣柵雙極型晶體管驅動電路，該驅動電路基于光電隔離器進行設計，適用于大容量的IGBT驅動，同時該驅動電路還具備IGBT的 Vce保護功能。一種絕緣柵雙極型晶體管驅動電路，包括光電隔離器PC929，其引腳12、13與恒壓電源的正極電連接，引腳10、14與所述恒壓電源的負極電連接；分壓電路，其兩端分別與所述恒壓電源的正極、負極電連接；所述光電隔離器PC929的引腳11通過限流電阻R4與三極管Ql柵極、三極管Q2 柵極電連接；所述三極管Ql集電極與所述恒壓電源的正極電連接，三極管Q2集電極與所述恒壓電源的負極電連接；所述三極管Ql發射極的輸出信號作為所述絕緣柵雙極型晶體管的開通驅動信號，所述三極管Q2發射極的輸出信號作為所述絕緣柵雙極型晶體管的關斷驅動信號；保護電路，分別與所述恒壓電源的正極、負極電連接，用于接入所述絕緣柵雙極型晶體管的集電極-發射極電壓Vce，當所述Vce到達預設值時，所述保護電路通過所述光電隔離器PC929的引腳9輸入高電平至所述光電隔離器PC929。一個實施例中，所述恒壓電源的正極與所述光電隔離器PC929的引腳8之間依次串聯限流電阻R7、光電耦合器PC1。一個實施例中，所述分壓電路包括穩壓二極管Z1、限流電阻R6、第一電容Cl以及第二電容C2 ；所述穩壓二極管Zl正極與所述限流電阻R6—端電連接，所述穩壓二極管Zl負極與所述恒壓電源的正極電連接，所述限流電阻R6另一端與所述恒壓電源的負極電連接；所述第一電容Cl與所述穩壓二極管Zl并聯，所述第二電容C2與所述限流電阻R6并聯。
一個實施例中，所述保護電路包括限流電阻Rl、R2、R3、R5、穩壓二極管Z2以及第三電容C3 ；所述限流電阻Rl —端與所述恒壓電源的正極電連接，所述限流電阻Rl另一端與限流電阻R2 —端電連接；限流電阻R2另一端分別與限流電阻R3 —端、限流電阻R5 —端以及第三電容C3 —端電連接；限流電阻R3另一端與所述光電隔離器PC^9的引腳9電連接， 限流電阻R5另一端、第三電容C3另一端分別與所述恒壓電源的負極電連接；所述穩壓二極管Z2負極與所述限流電阻Rl另一端電連接，所述述穩壓二極管Z2 正極用于接入所述絕緣柵雙極型晶體管的集電極-發射極電壓Vce，當所述Vce到達預設值時，光電隔離器PC929的引腳9輸入高電平至所述光電隔離器PC929。一個實施例中，所述三極管Ql發射極與所述三極管Q2發射極連接。一個實施例中，所述三極管Ql發射極與所述三極管Q2發射極相互分離。本發明提供的IGBT驅動電路中，正常工作時光電隔離器PC929引腳11可輸出高電平，該高電平經過限流電阻R4驅動三極管Q1，并經過三極管Ql電流放大后，可輸出IGBT 開通驅動信號，從而可以驅動大容量的IGBT開通；而當IGBT出現故障時，保護電路接入的 IGBT集電極-發射極電壓Vce將到達預設值，相應地光電隔離器PC929引腳9輸入高電平至光電隔離器PC929，此時光電隔離器引腳11將輸出低電平，該低電平經過限流電阻 R4驅動三極管Q2，并經過三極管Q2電流放大后，可輸出IGBT關斷驅動信號，從而可以驅動大容量的IGBT關斷，實現IGBT的Vce保護。因此，本發明提供的IGBT驅動電路不僅適用于大容量的IGBT驅動，同時該驅動電路還具備IGBT的Vce保護功能。
為了更清楚地說明本發明的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發明提供的一種絕緣柵雙極型晶體管驅動電路的結構示意圖。
具體實施例方式下面將結合本發明的附圖，對本發明中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然， 所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。請參閱圖1，圖1為本發明提供的一種絕緣柵雙極型晶體管驅動電路的結構示意圖。如圖1所示，該驅動電路可以包括光電隔離器PC929-100，其引腳12、13與恒壓電源的正極電連接，以及引腳10、14 與恒壓電源的負極電連接；分壓電路110，其兩端分別與恒壓電源的正極、負極電連接；其中，光電隔離器PC929-100引腳11通過限流電阻R4與三極管Ql柵極、三極管 Q2柵極電連接；三極管Ql集電極與恒壓電源的正極電連接，三極管Q2集電極與恒壓電源的負極電連接；其中，三極管Ql發射極的輸出信號作為IGBT開通驅動信號，三極管Q2發射極的輸出信號作為IGBT關斷驅動信號；保護電路120，分別與恒壓電源的正極、負極電連接，用于接入IGBT集電極-發射極電壓Vce，當Vce到達預設值時，保護電路120通過光電隔離器PC929-100的引腳9輸入高電平至光電隔離器PC929-100。本發明中，上述的光電隔離器PC929-100的內部邏輯結構以及各引腳功能均是本領域技術人員所熟悉的，因此本發明此處不作贅述。如圖1所示，作為一個可選的實施方式，恒壓電源的正極與光電隔離器PC929-100 的引腳8之間可以依次串聯限流電阻R7、光電耦合器PC1，其中，FOU F02表示光電耦合器 PCl輸出的IGBT故障反饋信號。如圖1所示，作為一個可選的實施方式，上述的分壓電路110可以包括穩壓二極管 Z1、限流電阻R6、第一電容Cl以及第二電容C2 ；其中，穩壓二極管Zl正極與限流電阻R6 —端電連接，穩壓二極管Zl負極與恒壓電源的正極電連接，限流電阻R6另一端與恒壓電源的負極電連接；第一電容Cl與所述穩壓二極管Zl并聯，第二電容C2與所述限流電阻R6并聯。可以理解的是，在不考慮IGBT驅動性能進一步優化的情況下，上述的穩壓二極管 Zl也可以采用限流電阻來代替，同樣可以實現本發明。如圖1所示，作為一個可選的實施方式，保護電路120可以包括限流電阻Rl、R2、 R3、R5、穩壓二極管Z2以及第三電容C3 ；其中，限流電阻Rl —端與恒壓電源的正極電連接，限流電阻Rl另一端與限流電阻 R2 —端電連接；限流電阻R2另一端分別與限流電阻R3 —端、限流電阻R5 —端以及第三電容C3 —端電連接；限流電阻R3另一端與光電隔離器PC9^-100的引腳9電連接，限流電阻 R5另一端、第三電容C3另一端分別與恒壓電源的負極電連接；其中，穩壓二極管Z2負極與限流電阻Rl另一端電連接，穩壓二極管Z2正極用于接入IGBT集電極-發射極電壓Vce，當Vce到達預設值時，光電隔離器PC9^_100的引腳9 輸入高電平至光電隔離器PC929-100。作為一個可選的實施方式，上述的三極管Ql發射極可以和三極管Q2發射極連接。作為一個可選的實施方式，上述的三極管Ql發射極也可以和三極管Q2發射極相互分離。下面，對圖1所示的IGBT驅動電路的工作原理進行說明1、整個驅動電路由單個恒壓電源供電，光電隔離器PCM9-100的引腳13 (即VCC)、 引腳12(即VC)接恒壓電源的正極VCC ；光電隔離器PC929-100的引腳14、10(即VEE)接恒壓電源的負極VEE。2、恒壓電源由串聯的第一電容Cl和第二 C2進行濾波，并且Cl并聯一穩壓二極管 Zl, C2并聯一限流電阻R6，從而可以將來自VCC和VEE的恒壓電源分成兩部分，Zl上的壓降可以作為IGBT驅動的正電源，R6上的壓降可以作為IGBT驅動的負電源。其中，可以將Cl、C2的連接點可以命名為網絡V0，網絡VO可以作為IGBT驅動提
供參考0點。3、在正常工作時，光脈沖信號分成兩路分別輸入光電隔離器PC929-100，其中一路直接輸入光電隔離器PC929-100的引腳3 (稱P+，為正)，另一路通常經過反向器后輸入光電隔離器PC929-100的引腳1、2(稱P-，為負)，這種狀態稱為IGBT驅動有效。其中，光脈沖信號經光電隔離器PC929-100隔離和邏輯處理后，從光電隔離器PC9^-100弓丨腳11輸出一高電平，該高電平經電阻R4驅動三極管Ql，并經三極管Ql電流放大后，得到IGBT開通驅動信號G0N。其中，IGBT在正常工作時，其集電極-發射極電壓Vce為低電平，這是由IGBT特性決定的，屬于本領域技術人員所公知的常識，本發明此處不作贅述。4、當無光脈沖信號輸入，或者光脈沖信號P+為負、P-為正或二者相等時，這種狀態稱為IGBT驅動無效。相應地，光電隔離器PC929-100引腳11將輸出一負電平，該低電平經過限流電阻R4驅動三極管Q2，并經三極管Q2電流放大后，得到IGBT關斷驅動信號G0FF。5、當IGBT發生故障時，這時光脈沖信號P+、P-輸入有效，Vce變為高電平，Vce 將驅動穩壓二極管Z2導通，從而Vce將在穩壓二極管Z2、限流電阻R2以及R5上進行分壓；相應地，恒壓電源也會在Rl、R2、R5進行分壓；當Vce在限流電阻R5上的分壓以及恒壓電源在R5上的分壓疊加并得到高壓電平時，該高電平經過限流電阻R3提供給光電隔離器PC929-100引腳9 (引腳9作為光電隔離器PC929-100的故障檢測端)，經光電隔離器 PC^9-100內部邏輯處理后，自動關斷其引腳11輸出，即引腳11輸出變為低電平，從而關斷 IGBT。另外，光電隔離器PC929-100將其引腳11變為低電平的同時，也把其故障輸出引腳8設置為低電平，這時恒壓電源經R7限流后使光電耦合器PCl導通，通過FO1、F02將IGBT 故障信息反饋給原邊，從而觸發Vce故障的快速保護。本發明中，可以合理設計R1、R2、R5大小，使得恒壓電源在R5上的分壓為低電平， 該低電平經過限流電阻R3提供給光電隔離器PC929-100引腳9 (引腳9作為光電隔離器 PC929-100的故障檢測端)，經光電隔離器PC929-100內部邏輯處理后，其引腳11輸出高電平，從而驅動IGBT。本發明中，可以合理設計穩壓二極管Z2大小，當IGBT發生故障，Vec到達預設值時，Z2導通，使得Vec在R5上的分壓與恒壓電源在R5上的分壓疊加得到一高電平，從而在 IGBT發生故障時可以關斷IGBT，實現IGBT的Vce保護。本發明中，穩壓二極管Z2的作用是用于設置Vce的保護閥值，通過設置合理的保護閥值可使IGBT驅動及保護安全可靠的工作。本發明中，對圖1所示的IGBT驅動電路具備以下優點1、驅動電路采用光電隔離器PC929作為本電路的核心驅動器件，由于光電隔離器 PC9299內部邏輯處理電平與其供電電壓(即恒壓電源)一致，故抗干擾能力強，并且價格較便宜。2、驅動電路采用單個恒壓電源供電，方便其電源的設計及印制電路板(Printed Circuit Board, PCB)走線。3,IGBT驅動所需的正、負電源通過穩壓二極管Zl和限流電阻R6獲得，方便實用。4、IGBT的正電源采用穩壓二極管Zl穩壓還有以下三方面好處①當輸入電源在允許的電壓范圍內變化時，IGBT有效開通驅動電平是固定的，從而保證IGBT的可靠開通而不進入線性區。②當輸入電源在允許的電壓范圍內變化時，IGBT的故障保護Vce檢測電平也是固定的，從而保證IGBT的Vce檢測不因電源變化而誤報警，大大提高了驅動的可靠性。③一般穩壓二極管Zl的失效模式為短路，即當該穩壓二極管發生失效時，則IGBT 驅動的正電源變為0，負電源則變為整個輸入電源，這時不管IGBT驅動信號是否有效，IGBT 均不能開通，從而保證IGBT不因電源故障而發生上下橋臂直通。5、Vce保護電路增加穩壓二極管Z2，可通過調整Z2的大小來改變Vce的保護閥值，通過設置合適的穩壓二極管Z2，可使IGBT得到最佳的保護而又不致于誤報警。6、由于光電隔離器PC929引腳腳11輸出電流較小，故設計了 Ql、Q2三極管對管， 用于放大驅動電流，使整個電路能驅動更大容量的IGBT。7、三極管Ql和Q2的發射極可不連接，可以很方便的使IGBT開通門極電阻和關斷門極電阻設計成不同的值，更有利于電磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility,EMC) 的設計。本發明提供的IGBT驅動電路可以有效地驅動電壓在1700V以下，電流在1800A以下的IGBT，同時具有Vce保護功能和較強的抗干擾能力。另外，本發明提供的IGBT驅動電路可以設置成一通用的小PCB板或厚膜電路，從而可以提供產品的通用性。本發明提供的IGBT驅動電路中，光電隔離器引腳11可輸出高電平，該高電平經過限流電阻R4驅動三極管1，并經過三極管1電流放大后，可輸出IGBT開通驅動信號， 從而可以驅動大容量的IGBT開通；而當IGBT出現故障時，保護電路接入的IGBT集電極-發射極電壓Vce將逐漸達到預設值，相應地光電隔離器PC929的引腳9輸入高電平至光電隔離器PC929，此時光電隔離器弓丨腳11將輸出低電平，該低電平經過限流電阻R4驅動三極管2，并經過三極管2電流放大后，可輸出IGBT關斷驅動信號，從而可以驅動大容量的 IGBT關斷，實現IGBT的Vce保護。因此，本發明提供的IGBT驅動電路不僅適用于大容量的 IGBT驅動，同時該驅動電路還具備IGBT的Vce保護功能。以上對本發明所提供的一種絕緣柵雙極型晶體管驅動電路進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發明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發明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式
及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。
權利要求
1.一種絕緣柵雙極型晶體管驅動電路，其特征在于，包括光電隔離器PC929，其引腳12、13與恒壓電源的正極電連接，引腳10、14與所述恒壓電源的負極電連接；分壓電路，其兩端分別與所述恒壓電源的正極、負極電連接；所述光電隔離器PC929的引腳11通過限流電阻R4與三極管Ql柵極、三極管Q2柵極電連接；所述三極管Ql集電極與所述恒壓電源的正極電連接，所述三極管Q2集電極與所述恒壓電源的負極電連接；所述三極管Ql發射極的輸出信號作為所述絕緣柵雙極型晶體管的開通驅動信號，所述三極管Q2發射極的輸出信號作為所述絕緣柵雙極型晶體管的關斷驅動信號；保護電路，分別與所述恒壓電源的正極、負極電連接，用于接入所述絕緣柵雙極型晶體管的集電極-發射極電壓Vce，當所述Vce到達預設值時，所述保護電路通過所述光電隔離器PC929的引腳9輸入高電平至所述光電隔離器PC929。
2.根據權利要求1所述的驅動電路，其特征在于，還包括所述恒壓電源的正極與所述光電隔離器PC929的引腳8之間依次串聯限流電阻R7、光電耦合器PCl。
3.根據權利要求1或2所述的驅動電路，其特征在于，所述分壓電路包括穩壓二極管Z1、限流電阻R6、第一電容Cl以及第二電容C2 ； 所述穩壓二極管Zl正極與所述限流電阻R6 —端電連接，所述穩壓二極管Zl負極與所述恒壓電源的正極電連接，所述限流電阻R6另一端與所述恒壓電源的負極電連接；所述第一電容Cl與所述穩壓二極管Zl并聯，所述第二電容C2與所述限流電阻R6并聯。
4.根據權利要求1或2所述的驅動電路，其特征在于， 所述保護電路包括限流電阻附、1 2、1 3、1 5、穩壓二極管Z2以及第三電容C3 ； 所述限流電阻Rl —端與所述恒壓電源的正極電連接，所述限流電阻Rl另一端與限流電阻R2 —端電連接；限流電阻R2另一端分別與限流電阻R3 —端、限流電阻R5 —端以及第三電容C3 —端電連接；限流電阻R3另一端與所述光電隔離器PC^9的引腳9電連接，限流電阻R5另一端、第三電容C3另一端分別與所述恒壓電源的負極電連接；所述穩壓二極管Z2負極與所述限流電阻Rl另一端電連接，所述述穩壓二極管Z2正極用于接入所述絕緣柵雙極型晶體管的集電極-發射極電壓Vce，當所述Vce到達預設值時， 光電隔離器PC929的引腳9輸入高電平至所述光電隔離器PC929。
5.根據權利要求1或2所述的驅動電路，其特征在于， 所述三極管Ql發射極與所述三極管Q2發射極連接。
6.根據權利要求1或2所述的驅動電路，其特征在于， 所述三極管Ql發射極與所述三極管Q2發射極相互分離。
全文摘要
一種IGBT驅動電路，包括光電隔離器PC929引腳12、13與恒壓電源正極連接，引腳10、14與恒壓電源負極連接；分壓電路兩端分別與恒壓電源正極、負極連接；光電隔離器引腳11通過限流電阻與三極管Q1柵極、三極管Q2柵極連接；三極管Q1集電極與恒壓電源正極連接，三極管Q2集電極與恒壓電源負極連接；三極管Q1發射極輸出信號作為IGBT開通驅動信號，三極管Q2發射極輸出信號作為IGBT關斷驅動信號；保護電路分別與恒壓電源正極、負極連接，用于接入IGBT集電極-發射極電壓Vce，當Vce到達預設值時，通過光電隔離器引腳9輸入高電平至光電隔離器。該驅動電路適用于大容量IGBT驅動，具備Vce保護功能。
文檔編號H03K17/567GK102324918SQ201110154399
公開日2012年1月18日 申請日期2011年6月9日 優先權日2011年6月9日
發明者吳建安 申請人:深圳市英威騰電氣股份有限公司