專利名稱：Igbt驅動保護電路及系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及電子器件保護技術，尤其涉及一種接IGBT驅動保護電路及系統，屬于電子技術領域。
背景技術：
絕緣柵雙極型三極管(InsulatedGate Bipolar Transistor, IGBT)具有易驅動、高耐壓、電流容量大、高速和低飽和壓降等良好特性，故得到了極為廣泛的應用，例如廣泛應用于變頻電源、電機調整和逆變焊機等設備中。
IGBT和其他電子器件一樣，除自身所能夠提供的器件性能外，實用性還依賴于電路條件和開關環境，因此如何對IGBT進行驅動和保護以確保IGBT的可靠、安全工作，是IGBT電路設計的難點和關鍵。發明內容
本發明提供一種IGBT驅動保護電路及系統，用以實現對IGBT進行有效、可靠的驅動電壓監測及短路、過流保護。
根據本發明的一方面，提供一種IGBT驅動保護電路，包括控制芯片、驅動電壓監測模塊和短路及過流保護模塊，其中:
所述驅動電壓監測模塊與所述控制芯片連接，用于當監測獲知IGBT的驅動電壓低于預設電壓時，向所述控制芯片提供低電平的電壓監測信號；
所述控制芯片用于若接收到所述低電平的電壓監測信號，則發送第一故障信號，以使脈沖處理模塊根據所述第一故障信號對所述IGBT進行欠壓保護處理；
所述控制芯片還與所述短路及過流保護模塊連接，還用于接收所述IGBT的集電極電壓和預設參考電壓，若比較獲知所述集電極電壓大于等于所述預設參考電壓，則從所述短路及過流保護模塊獲取故障信號時長指示信號，并根據所述故障信號時長指示信號發送第二故障信號，以使脈沖處理模塊根據所述第二故障信號對所述IGBT進行短路及過流保護處理。
根據本發明的另一方面，還提供一種IGBT驅動保護系統，其特征在于，包括本發明提供的IGBT驅動保護電路、用于向所述IGBT驅動保護電路提供IGBT的驅動電壓和預設參考電壓的電源模塊、用于向所述IGBT驅動保護電路提供IGBT的集電極電壓的門極驅動模塊，以及與所述IGBT驅動保護電路連接的脈沖處理模塊，所述脈沖處理模塊用于接收所述IGBT驅動保護電路生成的第一故障信號和/或第二故障信號，并且根據所述第一故障信號和/或第二故障信號封鎖脈沖并關斷所述IGBT。
根據本發明提供的IGBT驅動保護電路及系統，通過利用一個控制芯片、與控制芯片連接的驅動電壓監測模塊，以及與控制芯片連接的短路及過流保護模塊，同時實現了對IGBT的欠壓保護和短路、過流保護。由于控制芯片本身具有較高的集成度，其能夠提供可靠、準確度高、邏輯較為復雜的多項處理，因此在搭建IGBT驅動保護電路時，僅需基于控制芯片搭建包括少量電子器件的外圍電路，即可實現對IGBT的高效、且可靠性高的監測及保護。


圖1為本發明實施例1GBT驅動保護電路的結構示意圖。
圖2為本發明實施例1GBT驅動保護電路的具體電路圖。
圖3為本發明實施例1GBT驅動保護系統的結構示意圖。
具體實施方式
圖1為本發明實施例1GBT驅動保護電路的結構示意圖。如圖1所示，該IGBT驅動保護電路包括控制芯片11、驅動電壓監測模塊12和短路及過流保護模塊13，其中:
驅動電壓監測模塊12與所述控制芯片11連接，用于當監測獲知IGBT的驅動電壓低于預設電壓時，向所述控制芯片11提供低電平的電壓監測信號；
所述控制芯片11用于若接收到所述低電平的電壓監測信號，則發送第一故障信號，以使脈沖處理模塊根據所述第一故障信號對所述IGBT進行欠壓保護處理；
所述控制芯片11還與所述短路及過流保護模塊13連接，還用于接收所述IGBT的集電極電壓和預設參考電壓，若比較獲知所述集電極電壓大于等于所述預設參考電壓，則從所述短路及過流保護模塊13獲取故障信號時長指示信號，并根據所述故障信號時長指示信號發送第二故障信號，以使脈沖處理模塊根據所述第二故障信號對所述IGBT進行短路及過流保護處理。
上述第一故障信號與第二故障信號可以相同或不同，此處不做限定。
根據上述實施例的IGBT驅動保護電路，通過利用一個控制芯片、與控制芯片連接的驅動電壓監測模塊，以及與控制芯片連接的短路及過流保護模塊，同時實現了對IGBT的欠壓保護和短路、過流保護。由于控制芯片本身具有較高的集成度，其能夠提供可靠、準確度高、邏輯較為復雜的多項處理，因此在搭建IGBT驅動保護電路時，僅需基于控制芯片搭建包括少量電子器件的外圍電路，即可實現對IGBT的高效、且可靠性高的監測及保護。
進一步地，在上述實施例的IGBT驅動保護電路中，控制芯片優選為NE555芯片。
其中，NE555芯片是一種數字電路與模擬電路相結合的中規模集成電路。該電路使用靈活、方便只需外接少量的阻容元件就可以構成單穩態觸發器和多諧振蕩器等，因而廣泛用于信號的產生、變換、控制與檢測。其工作方式一般可以歸納為三類，即:單穩態、雙穩態和無穩態。其中，單穩態主要用于定時器，消除抖動，分、倍頻和脈沖輸出等；雙穩態主要用于比較器、鎖存器、反相器、方波輸出及整形等；無穩態主要用于方波輸出、電源變換和定時等。上述實施例的IGBT驅動保護電路中，NE555芯片主要工作在單穩態和雙穩態，用于定時器和比較器。
圖2為本發明實施例1GBT驅動保護電路的具體電路圖。如圖2所示，NE555芯片的8個引腳用于實現以下連接:NE555芯片通過第一引腳、第四引腳和第八引腳，與驅動電壓監測模塊連接；通過第五引腳接收預設參考電壓(Vref);通過第六引腳接收IGBT的集電極電壓(Vce);通過第一引腳、第二引腳、第三引腳和第八引腳，與短路及過流保護模塊連接；通過第七引腳輸出第一故障信號和第二故障信號，其中第一引腳接地(GND)，第八引腳接與驅動電壓(VDD)連接。
更為具體地，驅動電壓監測模塊包括PNP型三極管、連接在所述驅動電壓與PNP型三極管(VTl)的基極之間的第一電阻(Rl，例如為1.5K歐)、連接在驅動電壓VDD與PNP型三極管VTl的發射極之間的第二電阻(R2，例如為6.8K歐)、連接在接地GND與PNP型三極管VTl的基極之間的穩壓管(Z1，例如使用集成有兩個穩壓管的Z4型穩壓管設備，可選取其中任意一個接入電路，另一個空置)，以及連接在接地GND與PNP型三極管VTl的集電極之間的第三電阻(R3，例如為100K歐)。其中，PNP型三極管VTl的集電極與NE555芯片的第四引腳連接，用于根據該PNP型三極管VTl的導通或截止，向NE555芯片的第四引腳輸入相應的高電平或低電平。第三電阻R3用作限流電阻，第一電阻R1、第二電阻R2以及穩壓管Zl均用于控制PNP型三極管VTl的導通或截止。
驅動電壓監測模塊與NE555芯片相配合，實現驅動電壓監測的原理如下:驅動電壓VDD為待監測的電壓，同時驅動電壓VDD也為NE555芯片供電，當驅動電壓VDD正常時，PNP型三極管VTl導通，NE555芯片正常工作；當驅動電壓VDD過低時，PNP型三極管VTl截止，NE555芯片處于復位狀態,此時NE555芯片的第七引腳輸出低電平故障信號,封鎖脈沖并關斷IGBT。通過這種方式，實現了在驅動電壓處于欠壓狀態時，對IGBT的保護。
進一步地，短路及過流保護模塊包括絕緣柵場效應管(VT2，例如為SS型號的N溝道增強型MOS管)和第二電容(C2，例如為330nF)，其中:
絕緣柵場效應管VT2在IGBT無故障時開通，此時對第二電容C2進行充電；以及在IGBT有故障時截止，此時對第二電容C2進行放電。
第二電容C2用于在放電狀態下，向控制芯片提供故障信號時長指示信號。
更為具體地，短路及過流保護模塊還可包括第四電阻(R4，例如為33K)、第五電阻(R5，例如為10K)和第六電阻(R6，例如為100K)。其中，第四電阻R4和第五電阻R5串接在絕緣柵場效應管VT2的柵極與NE555芯片的第一引腳之間，第四電阻R4與第五電阻R5之間的線路與PNP型三極管VTl的發射極連接。絕緣柵場效應管VT2的柵極還直接與NE555芯片的第三引腳連接，其中第三弓丨腳用于根據第四引腳接收到的電平信號向外輸出相應電平信號，即當第四引腳因PNP型三極管VTl導通而接收到高電平時，則第三引腳向絕緣柵場效應管VT2的柵極提供高電平，當第四引腳因PNP型三極管VTl截止而接收到低電平時，向絕緣柵場效應管VT2的柵極提供低電平。
此外，絕緣柵場效應管VT2的漏極與驅動電壓VDD連接，絕緣柵場效應管VT2的源極通過第六電阻R6接地GND，從而使得當絕緣柵場效應管VT2導通時，可對與第六電阻R6并聯的第二電容C2進行充電，并當絕緣柵場效應管VT2斷開時，第二電容C2進行放電。由于第二電容C2的一端接地GND，另一端與NE555芯片的第二引腳連接，從而在放電時向通過第二引腳向NE555芯片提供故障信號時長指示信號，即放電時長。可見，通過調節第六電阻R6的電阻值及第二電容C2的電容容量即可實現對故障信號時長指示信號的調節。
通過上述連接，短路及過流保護模塊與NE555芯片相配合，實現短路及過流電壓保護的原理如下:由于IGBT的集電極電壓Vce與集電極電流近似成正比關系，所以采用檢測IGBT集電極飽和電壓來判斷IGBT是否過流或短路。預設參考電壓Vref例如為由基準電源提供，或采用恒流源接電阻形式提供，其中當采用恒流源接電阻形式提供時，電路較復雜，但不易受干擾，可增加電路的穩定性，所以可應用于大功率驅動板；當采用基準電源提供時，電路較簡單，但抗干擾性較差，所以可應用于小功率驅動板。當IGBT過電流或短路時，集電極電壓Vce上升，當集電極電壓Vce達到用戶設定的過限值，即達到Vce大于等于預設參考電壓Vref時，驅動保護電路工作，NE555芯片的第七引腳(protect引腳)輸出低電平的故障信號，關斷IGBT，并且此故障信號保持一段時間，該時間的長度即為短路及過流保護模塊中第二電容C2的放電時長，在此時長內封鎖輸入脈沖。
在上述實施例的IGBT驅動保護電路中，通過將預設參考電壓Vref和集電極電壓Vce接入NE555芯片的比較器的兩個輸入端，即第五引腳和第六引腳，來實現對該兩個電壓值的比較，并根據比較結果IGBT是否過流或者短路，從而發送相應的故障信號，實現有效的過流或者短路保護。
進一步地，由于IGBT在剛導通但未飽和時，集電極電壓Vce很大，為防止驅動保護電路此時誤動作，可在檢測的集電極電壓Vce與接地GND之間加設第三電容(圖中未示出)來設置保護響應時間，以在保護響應時間內，IGBT短路及過流保護功能處于無效狀態。
進一步地,在上述實施例的IGBT驅動保護電路中，還包括:
連接在驅動電壓VDD與接地GND之間的第一電容(Cl，例如為47nF)，該第一電容Cl用作濾波電容。
圖3為本發明實施例1GBT驅動保護系統的結構示意圖。如圖3所示，該IGBT驅動保護系統包括上述任一實施例的IGBT驅動保護電路31、用于向IGBT驅動保護電路31提供IGBT的驅動電壓VDD和預設參考電壓Vref的電源模塊32、用于向IGBT驅動保護電路31提供IGBT的集電極電壓Vce的門極驅動模塊33，以及與IGBT驅動保護電路31連接的脈沖處理模塊34,脈沖處理模塊34用于接收IGBT驅動保護電路31生成的第一故障信號和/或第二故障信號，并且根據第一故障信號和/或第二故障信號封鎖脈沖并關斷IGBT。電源模塊32還可向IGBT驅動保護電路31提供接地GND。
具體地，電源模塊32還可起到隔離作用，在為IGBT驅動保護電路31提供IGBT的驅動電壓VDD和預設參考電壓Vref的同時，還為門極驅動模塊33和脈沖處理模塊34供電。門極驅動模塊33還可用于向IGBT提供可靠導通和截止的柵極控制電壓。脈沖處理模塊34對輸入的脈沖信號進行隔離，設置上、下橋臂控制脈沖的死區與互鎖。
上述實施例的IGBT驅動保護系統對IGBT完成保護的具體原理與前述實施例的IGBT驅動保護電路相同，故此處不再贅述。
根據上述實施例的IGBT驅動保護系統，通過利用包括一個控制芯片、與控制芯片連接的驅動電壓監測模塊，以及與控制芯片連接的短路及過流保護模塊的IGBT驅動保護電路，同時實現了對IGBT的欠壓保護和短路、過流保護。由于控制芯片本身具有較高的集成度，其能夠提供可靠、準確度高、邏輯較為復雜的多項處理，因此在搭建IGBT驅動保護電路時，僅需基于控制芯片搭建包括少量電子器件的外圍電路，即可實現對IGBT的聞效、且可靠性高的監測及保護。
最后應說明的是:以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍。
權利要求
1.一種絕緣柵雙極型三極管IGBT驅動保護電路，其特征在于，包括控制芯片、驅動電壓監測模塊和短路及過流保護模塊，其中: 所述驅動電壓監測模塊與所述控制芯片連接，用于當監測獲知IGBT的驅動電壓低于預設電壓時，向所述控制芯片提供低電平的電壓監測信號； 所述控制芯片用于若接收到所述低電平的電壓監測信號，則發送第一故障信號，以使脈沖處理模塊根據所述第一故障信號對所述IGBT進行欠壓保護處理； 所述控制芯片還與所述短路及過流保護模塊連接，還用于接收所述IGBT的集電極電壓和預設參考電壓，若比較獲知所述集電極電壓大于等于所述預設參考電壓，則從所述短路及過流保護模塊獲取故障信號時長指示信號，并根據所述故障信號時長指示信號發送第二故障信號，以使脈沖處理模塊根據所述第二故障信號對所述IGBT進行短路及過流保護處理。
2.根據權利要求1所述的IGBT驅動保護電路，其特征在于，所述控制芯片為NE555芯片；相應地，所述NE555芯片通過第一引腳、第四引腳和第八引腳，與所述驅動電壓監測模塊連接；通過第五引腳接收所述預設參考電壓；通過第六引腳接收所述IGBT的集電極電壓；通過第一引腳、第二引腳、第三引腳和第八引腳，與所述短路及過流保護模塊連接；通過第七引腳輸出所述第一故障信號和所述第二故障信號，其中所述第一引腳接地GND，所述第八引腳接與所述驅動電壓連接。
3.根據權利要求1或2所述的IGBT驅動保護電路，其特征在于，還包括: 連接在所述驅動電壓與所述GND之間的第一電容。
4.根據權利要求1或2所述的IGBT驅動保護電路，其特征在于，所述驅動電壓監測模塊包括PNP型三極管、連接在所述驅動電壓與所述PNP型三極管的基極之間的第一電阻、連接在所述驅動電壓與所述PNP型三極管的發射極之間的第二電阻、連接在所述GND與所述PNP型三極管的基極之間的穩壓管，以及連接在所述GND與所述PNP型三極管的集電極之間的第三電阻。
5.根據權利要求1或2所述的IGBT驅動保護電路，其特征在于，所述短路及過流保護模塊包括絕緣柵場效應管和第二電容，其中: 所述絕緣柵場效應管用于在所述IGBT無故障時開通，并在開通時對所述第二電容進行充電；在所述IGBT有故障時截止，并在截止時對所述第二電容進行放電； 所述第二電容用于在放電狀態下，向所述控制芯片提供故障信號時長指示信號。
6.根據權利要求1或2所述的IGBT驅動保護電路，其特征在于，還包括: 連接在所述集電極電壓與GND之間的第三電容。
7.一種IGBT驅動保護系統，其特征在于，包括如權利要求1至6任一所述的IGBT驅動保護電路、用于向所述IGBT驅動保護電路提供IGBT的驅動電壓和預設參考電壓的電源模塊、用于向所述IGBT驅動保護電路提供IGBT的集電極電壓的門極驅動模塊，以及與所述IGBT驅動保護電路連接的脈沖處理模塊，所述脈沖處理模塊用于接收所述IGBT驅動保護電路生成的第一故障信號和/或第二故障信號，并且根據所述第一故障信號和/或第二故障信號封鎖脈沖并關斷所述IGBT。
全文摘要
本發明提供一種IGBT驅動保護電路及系統。該電路包括控制芯片、驅動電壓監測模塊和短路及過流保護模塊，其中驅動電壓監測模塊與控制芯片連接，用于當監測獲知IGBT的驅動電壓低于預設電壓時，向控制芯片提供低電平的電壓監測信號；控制芯片用于若接收到低電平的電壓監測信號，則發送第一故障信號，以對所述IGBT進行欠壓保護處理；控制芯片還與所述短路及過流保護模塊連接，還用于接收所述IGBT的集電極電壓和預設參考電壓，若比較獲知集電極電壓大于等于預設參考電壓，則從短路及過流保護模塊獲取故障信號時長指示信號，并根據故障信號時長指示信號發送第二故障信號，以對所述IGBT進行短路及過流保護處理。
文檔編號H03K17/567GK103199832SQ201210003690
公開日2013年7月10日 申請日期2012年1月6日 優先權日2012年1月6日
發明者隋德磊, 韓紅彬, 陳鐵年, 劉金晶, 尚冰 申請人:中國北車股份有限公司大連電力牽引研發中心