CN101686044A - 一种igbt驱动保护电路 - Google Patents
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Abstract
一种IGBT驱动保护电路，包括：正、负电源；信号及反馈光耦；信号放大电路；欠压检测及指示电路；IGBT过流检测及复位电路；软关断电路；故障锁存及保持电路等。欠压检测电路检测信号光耦接收端供电、正/负电源供电是否欠压，若不欠压则点亮LED，使能驱动电路。IGBT过流检测电路能取样IGBT导通期间的集射压降，根据其高低动态调节检测延时，当集射压降超过设定阈值时，启动软关断过程并自我锁定，确保软关断，并对过流故障状态进行保持，保持期间关断IGBT，将状态传递给控制电路，保持时间可以在毫秒到秒级之间设定。
Description
技术领域
本发明涉及一种IGBT(IGBT，绝缘栅双极晶体管的英文首字母，Insulated Gate Bipolar Transistor)驱动保护电路，特别是一种在变频器、开关电源、UPS(不间断电源)等设备中作为功率开关器件的绝缘栅双极晶体管IGBT的驱动保护电路。
背景技术
目前，由于绝缘栅双极晶体管IGBT具有容易驱动且能以高的开关频率处理大电流和高电压的特点，因而国内外大功率变频器、开关电源、UPS等设备中，广泛使用IGBT作为功率开关器件，因此IGBT驱动保护电路就成为关系到变频器等整机工作可靠性的重要电路。
现有变频器等所采用的IGBT驱动保护电路，因设计思想不同而使该电路具有多种多样的形式，其中：中国专利申请(申请号01130045.0，公开号CN1354561A)公开的电路结构，具有驱动电源欠压保护、IGBT集射电压Vce过高保护、故障锁存及状态传送到控制电路的功能。
但全面分析目前的各种电路方案，可以看到现有的各种电路方案，分别有其自己的设计侧重点，其中包括保护功能较全面的上述专利申请的方案，都存在如下不足之处：1、驱动电源欠压保护的状态没有指示，也未能传递到控制电路，不适合故障自检的要求；2、IGBT集射电压Vce过高保护电路在电压Vce高于保护阈值以上时，无论高多少，从导通到关断的延时时间是固定的，不能根据电压Vce的高低动态调节延时时间；3、软关断功能不完善。如果来自控制电路的信号变为关断信号，或者IGBT栅极驱动电压迅速下降，软关断被提前终止，或者电路在保护时IGBT栅极驱动电压迅速下降到0.2V-0.4V。而对于软关断而言，行业推荐的方法是IGBT栅极驱动电压按一定速率下降到负值。
可见，没有一种驱动电路方案具有非常完善的保护功能，给变频器等设备的可靠运行带来不利的影响。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种保护功能完善、状态指示直观、软关断符合行业推荐方法的IGBT驱动保护电路，其主要包括：
一个用于提供双路恒压的正电源+VA、参考地GAG、负电源-VB；
一个用于控制负载通断的绝缘栅双极晶体管IGBT(为说明本发明线路与IGBT的连接关系而引入，非本发明线路的组成部分)；
一个信号隔离光耦U1，输入端串联电阻与来自控制电路的差分信号连接，所述光耦U1的地端(芯片5脚)连接到负电源-VB上，电源端(芯片8脚)经R2连接到参考地GAG上，电源端、地端两端并联有稳压电路和电容C1；当差分信号为大于3V的正电压，光耦U1输出端导通到负电源，当差分信号为小于1V的正电压或负电压时，光耦U1输出端开路；
一个开关三极管控制电路，用于产生一个开关信号作为信号放大电路的输入电压，其主要由电阻R11、NPN开关三极管Q3、电阻R7构成，其中开关三极管Q3的基极经过电阻R11连接到上述光耦U1的输出端(芯片6脚)，发射极接负电源，集电极接一个可控恒流源的输出端，电阻R7并接在三极管Q3的集电极、负电源之间；
上述一个可控恒流源电路，由PNP三极管Q2、稳压基准DW4、电阻R6构成，其中三极管Q2的集电极作为可控恒流源的输出端，发射极通过电阻R6连接到正电源上，基极连接到稳压基准DW4的低压端，稳压基准DW4的高压端与正电源相连；
一个信号放大电路，用于产生一个栅压并将其提供给受控IGBT的栅极，其输入端与开关三极管Q3的集电极相连，其输出端与所述IGBT的栅极相连；
一个状态反馈隔离光耦U2，用于将驱动电路的状态反馈到控制电路，其主要由光耦U2、电阻R26构成，其中光耦U2输入二极管的阳极通过电阻R26连接到正电源，阴极连接到稳压基准DW4的低压端；
一个IGBT集电极-发射极电压Vce检测及检测复位电路，用于检测IGBT集射电压并判断是否启动软关断电路，其主要由阈值电压发生电路、比较器U3D、Vce电压取样及积分电路、检测复位电路构成，其中阈值电压连接到比较器U3D的正输入端，Vce电压取样后再经过电阻R15、电容C4积分传递到比较器U3D的负输入端，检测复位电路在光耦U1的输出端未导通且不在软关断期间，将积分电容C4两端短接，使Vce检测电路复位，为下一次检测做好准备。当IGBT导通期间，其集电极-发射极电压Vce经过取样与积分后，若超过阈值电压，比较器U3D输出端导通到负电源，启动软关断过程。
一个软关断电路，在比较器U3D输出端导通到负电源时，产生从正电源下降到负电源的缓降电压，作用到信号放大电路的输入端，使驱动受控IGBT栅极的电压按同样的规律变化。软关断电路主要由电阻R 19、电容C2、PNP三极管Q8、二极管D1组成，其中电阻R19一端通过电容C2接到负电源，另一端接比较器U3D的输出端，三极管Q8的基极、集电极并联于电容C2两端，集电极接负电源，发射极接二极管D1的阴极，所述二极管D1的阳极连接到开关三极管Q3的集电极。软关断的速率和时间由电阻R19、电容C2调节。
其特征在于，还包括一个软关断过程识别电路，主要由比较器U3B、电阻R17、R18、R20、R21构成，电阻R17、R 18分压取样正电源、Vce检测电路中比较器U3D的输出端之间的电压，送到比较器U3B的正输入端，电阻R20、R21分压取样软关断电路中电容C2两端的电压，送到比较器U3B的负输入端，比较器U3B的输出端连接光耦U1的输出端。当软关断过程正在进行中，识别电路送出一个锁定信号，将光耦U1的输出端导通到负电源，使软关断结束前，受控IGBT栅极电压的变化不受来自控制电路信号的影响，确保软关断的实现。
其特征还在于，还包括一个故障保持电路，主要由比较器U3A、比较器U3C、PNP三极管Q 11、二极管D4、定时电阻R22、定时电容C3、分压电阻R23、分压电阻R24、电阻R25、PNP三极管Q9构成，其中比较器U3C正、负输入端与上述比较器U3B的正、负输入端对应并接，输出端连接三极管Q11的基极，所述三极管Q11的发射极、集电极对应并接到比较器U3A的负输入端、负电源上，所述分压电阻R24并联在比较器U3A的负输入端、负电源之间，分压电阻R23则并联在比较器U3A的负输入端、正电源之间，所述定时电阻R22、定时电容C3都并联在正电源、比较器U3A的正输入端之间，所述比较器U3A的正、负输入端对应连接二极管D4的阳极、阴极，输出端经过电阻R25连接到三极管Q9的基极，三极管Q9的发射极、集电极对应接到稳压基准DW4的高、低压端上。
当识别出一次集电极-发射极Vce过电压，启动一次软关断，故障保持电路便触发一次定时，在定时结束之前，三极管Q9饱和导通，使稳压基准DW4两端电压为零，从而关闭可控恒流源，使开关三极管Q3的集电极因无上拉和电阻R7下拉到负电源而输出负电压，经过信号放大电路，输出负的驱动电压到IGBT的栅极，关断IGBT，同时状态反馈隔离光耦U2的输入端失去正偏，其输出端不导通，将故障信号传递到控制电路。故障保持时间由定时电阻R22、定时电容C3确定，时间在微秒到秒级之间设定。
其特征还在于，还包括一个电源欠压保护电路，作用是在信号隔离光耦U1的供电电源进入正常范围之前、或正负电源的电压差低于设定值，都将关闭可控恒流源，输出负的驱动电压，关断IGBT。该电源欠压保护电路由稳压管DW1、稳压管DW2、NPN三极管Q 1、电阻R3、R4、R5组成，其中电阻R3并联在三极管Q1的基极、发射极之间，稳压管DW1的阴极连接光耦U1的电源端，阳极接三极管Q1的基极，所述三极管Q1的发射极接负电源，集电极依次串联稳压管DW2、电阻R4至正电源，稳压管DW2的阴极连接电阻R4，所述电阻R5并联在DW2的阴极、稳压基准DW4的低压端之间。
其特征还在于，可控恒流源中的稳压基准DW4使用发光二极管，既作为稳压基准，又作为工作正常的状态指示，在电源欠压保护、故障保持期间都将熄灭。
其特征还在于，IGBT集电极-发射极电压Vce取样检测电路由电阻R16、电阻R15、电容C4、二极管D3构成，正电源依次串联电阻R16、电阻R15、电容C4到参考地，电阻R16、电阻R15的连接点与二极管D3的阳极相连，所述二极管D3的阴极连接到IGBT的集电极，电阻R15、电容C4的连接点与比较器U3D的负输入端相连，所述电阻R15是电阻R16三倍以上。
附图说明
下面结合附图和具体实施例进一步对本发明进行详细说明。
图1是本发明图的电原理图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种IGBT驱动保护电路，其主要包括：
一个用于提供双路恒压的正电源+VA如+18V、参考地GAG、负电源-VB如-8V；
一个用于控制负载通断的绝缘栅双极晶体管IGBT(为说明本发明线路与IGBT的连接关系而标注于图中，非本发明线路的组成部分)；
一个信号隔离光耦U1，可以选用高速光耦如6N137等，输入端二极管的阳极串联电阻R1、阴极分别与来自控制电路决定IGBT开通、关断的差分信号ON+、ON-连接，输出端经过电阻R11连接到一个开关三极管Q3的基极，其中光耦U1的地端(芯片5脚)连接到负电源-VB上，电源端(芯片8脚)经R2连接到参考地GAG上，光耦U1的电源端、地端两端并联有电容C1和稳压电路，稳压值决定于NPN三极管Q1的基极-发射极正向导通电压(约0.7V)、稳压管DW1反向击穿电压数值之和；
一个开关三极管Q3控制电路，用于产生一个开关信号作为信号放大电路的输入电压，其主要由电阻R11、NPN开关三极管Q3、电阻R7构成，其中三极管Q3的集电极接一个可控恒流源的输出端，发射极接负电源，基极经过电阻R11连接到光耦U1的输出端(芯片6脚)，电阻R7并接在三极管Q3的集电极、负电源之间；
上述一个可控恒流源，由PNP三极管Q2、稳压基准DW4、电阻R6构成，所述三极管Q2的发射极通过电阻R6连接到正电源+VA上，基极连接到稳压基准DW4的低压端，集电极作为可控恒流源的输出，与开关三极管Q3的集电极相连，所述稳压基准DW4的高压端与正电源+VA相连；
一个信号放大电路，用于产生一个栅压并将其提供给受控IGBT的栅极，其输入端与开关三极管Q3的集电极相连，其输出端与所述IGBT的栅极相连。所述信号放大电路由两级射极跟随器级联和二极管D2、电阻R8、R9、R10组合网络构成，第一级射极跟随器由三极管Q4、Q6构成，第二级射极跟随器由三极管Q5、Q7构成，所述二极管D2的阴极连接三极管Q5的发射极，阳极串联电阻R8后与IGBT的栅极相连，所述电阻R9并联在三极管Q5的发射极、IGBT的栅极之间，电阻R10并联在IGBT的栅极、发射极之间；
一个状态反馈隔离光耦U2，用于将驱动电路的状态(如过流保护、电源欠压保护、工作正常等)反馈到控制电路，其主要由光耦U2、电阻R26构成，其中光耦U2输入二极管的阳极通过电阻R26连接到正电源+VA，阴极连接到稳压基准DW4的低压端；
一个IGBT集电极-发射极电压Vce检测及检测复位电路，用于检测IGBT导通期间集射电压并判断是否启动保护极软关断电路，其主要由阈值电压发生电路、比较器U3D、Vce电压取样及积分电路、检测复位电路构成，其中阈值电压由电阻R14、稳压管DW3产生，稳压管DW3阴极、阳极对应并联在比较器U3D的正输入端、参考地GAG，电阻R14并联在稳压管DW3阴极、正电源+VA之间；集电极-发射极电压Vce取样及积分电路由电阻R16、电阻R15、电容C4、二极管D3构成，正电源依次串联电阻R16、电阻R15、电容C4到参考地，电阻R16、电阻R15的连接点与二极管D3的阳极相连，所述二极管D3的阴极连接到IGBT的集电极，电阻R15、电容C4的连接点与比较器U3D的负输入端相连，所述电阻R15是电阻R16三倍以上。检测复位电路由电阻R12、R13、三极管Q10组成，正电源依次串联电阻R12、R13连接到信号隔离光耦U1的输出端，电阻R12、R13的连接点与三极管Q10的基极相连，所述三极管Q10的集电极、发射极对应并联在电容C4两端，发射极接参考地GAG。
一个软关断电路，在比较器U3D输出端导通到负电源时，产生从正电源下降到负电源的缓降电压，作用到信号放大电路的输入端，使IGBT栅极驱动电压按同样的规律变化。软关断电路主要由电阻R19、电容C2、PNP三极管Q8、二极管D1组成，其中电阻R19一端串联电容C2后连接到负电源，另一端连接比较器U3D输出端，所述三极管Q8的基极、集电极并联于电容C2两端，集电极连接负电源，发射极连接二极管D1的阴极，二极管D1的阳极连接到开关三极管Q3的集电极。软关断的速率和时间由电阻R19、电容C2调节。
其特征在于，还包括一个软关断过程识别电路，当软关断过程正在进行中，识别电路送出一个锁定信号，将信号隔离光耦U1的输出端导通到负电源，使软关断过程结束前，IGBT栅极电压的变化不受来自控制电路信号的影响，确保软关断的实现。软关断过程识别电路主要由比较器U3B、电阻R17、R18、R20、R21构成，电阻R17、R18分压取样正电源、上述比较器U3D的输出端之间的电压，送到比较器U3B的正输入端，电阻R20、R21分压取样上述电容C2两端的电压，送到比较器U3B的负输入端，比较器U3B的输出端连接光耦U1的输出端，其中电阻R21一端接负电源，电阻R17一端接正电源。
其特征还在于，还包括一个故障保持电路，当识别出一次集电极-发射极电压Vce过电压，启动一次软关断，故障保持电路便触发一次定时，在定时结束之前，关闭可控恒流源，使开关三极管Q3集电极因无上拉和电阻R7下拉到负电源而输出负电压，经过信号放大电路，输出负驱动电压，从而关断IGBT，同时状态反馈隔离光耦U2的输入端无正偏，其输出端(FB+、FB-)之间不导通，将故障信号传递到控制电路。该故障保持电路主要由比较器U3A、比较器U3C、定时电阻R22、定时电容C3、分压电阻R23、分压电阻R24、电阻R25、PNP三极管Q11、PNP三极管Q9、二极管D4构成，其中比较器U3C的正、负输入端与上述比较器U3B的正、负输入端对应并接，输出端连接三极管Q11的基极，其中定时电阻R22、定时电容C3都并联在正电源、比较器U3A的正输入端之间，所述二极管D4的阳极、阴极对应并联在比较器U3A的正、负输入端之间，所述三极管Q11的发射极、集电极并联在比较器U3A的负输入端、负电源之间，集电极连接负电源，电阻R24并联在比较器U3A的负输入端、负电源之间，电阻R23并联在比较器U3A的负输入端、正电源之间，所述比较器U3A的输出端经过电阻R25连接到三极管Q9的基极，三极管Q9的发射极、集电极对应连接稳压基准DW4的高压端、低压端。故障保持时间由定时电阻R22、定时电容C3确定，时间在微秒到秒级之间设定。
IGBT集电极-发射极电压Vce检测及检测复位电路，软关断电路，软关断过程识别电路、故障保持电路，组成的整体称为IGBT过流保护电路，因为IGBT通过的电流与其导通期间集电极-发射极电压Vce是正比例关系，电压Vce超过阈值，说明通过的电流过大(电流过大简称“过流”)。
其特征还在于，还包括一个电源欠压保护电路，在信号隔离光耦U1的供电电源进入正常范围之前、或正负电源的电压差低于设定值，都将关闭可控恒流源，输出负驱动电压，关断IGBT。该电源欠压保护电路由稳压管DW1、稳压管DW2、NPN三极管Q1、电阻R3、R4、R5组成，其中电阻R3并联在三极管Q1的基极、发射极之间，稳压管DW1的阴极连接信号隔离光耦U1的电源端，阳极接三极管Q1的基极，所述三极管Q1的发射极接负电源，集电极依次串联稳压管DW2、电阻R4至正电源，稳压管DW2的阴极连接电阻R4，所述电阻R5并联在DW2的阴极、稳压基准DW4的低压端。
其特征还在于，可控恒流源中的稳压基准DW4使用发光二极管，既作为稳压基准，又作为工作正常的状态指示，在电源欠压保护、故障保持期间都将熄灭。
其特征还在于，IGBT集电极-发射极电压Vce电压取样及积分电路由电阻R16、电阻R15、电容C4、二极管D3构成，正电源依次串联电阻R16、电阻R15、电容C4到参考地，电阻R16、电阻R15的连接点与二极管D3的阳极相连，所述二极管D3的阴极连接到IGBT的集电极，电阻R15、电容C4的连接点与比较器U3D的负输入端相连，所述电阻R15是电阻R16三倍以上。
上述所提到的所有比较器、信号隔离光耦都是集电极开路(OC)输出形式。
为叙述方便，未指定参考点的电压均指相对于参考地GAG而言的，忽略饱和导通的电压降而认为是零。
下面结合附图4，详细介绍本发明实施例的各种工作过程：
1、电源正常状态的建立
本发明所述的一种IGBT驱动保护电路，在通电之初，参考地GAG、负电源-VB通过电阻R2给并联在信号隔离光耦U1电源、地端之间的电容C1充电，在达到稳压管DW1反向击穿电压和三极管Q1的基极、发射极正向导通电压的和之前，三极管Q1不导通，稳压基准DW4没有正向电流通路而为零电压。当电容C1充电到稳压管DW1反向击穿电压和三极管Q1的基极、发射极正向导通电压的和之后，由于二者的稳压作用而不再上升，三极管Q1导通。三极管Q1导通后，如果正负电源之间的压差小于稳压管DW2的反向击穿电压，稳压基准DW4仍没有正向电流通路而继续为零电压。
稳压基准DW4两端为零电压时，可控恒流源截止，开关三极管Q3的集电极因电阻R7下拉到负电源而呈现负电压，经过信号放大电路跟随后，输出负的驱动电压到IGBT栅极，IGBT截止。此时，电路处于欠压保护状态，状态反馈光耦U2输入端无正向偏置，输出端FB+、FB-不导通，将此状态反馈给控制电路，稳压基准DW4对应的发光二极管也熄灭，指示电路异常。
在信号隔离光耦U1电源建立即三极管Q1导通后，如果此时正负电源之间的压差大于稳压管DW2的反向击穿电压，电阻R4两端将获得电压，经过电阻R5给稳压基准DW4提供正向偏置，可控恒流源输出恒定的电流，同时给状态反馈光耦U2输入端提供正向偏置，输出端FB+、FB-导通，将电源正常信号隔离传递给控制电路。稳压基准DW4选用发光二极管，则可以用点亮来指示电源正常状态已经建立。
2、IGBT过流保护电路的初始化
当来自控制电路决定IGBT开通、关断的差分信号ON+、ON-之间电压为小于+1V或负值时，信号隔离光耦U1的输入二极管没有正向电流流过，其输出端处于开路状态，正电源通过电阻R12给三极管Q10的基极、发射极之间提供正偏，使三极管Q10饱和导通，再顺次通过电阻R13、R11给三极管Q3的基极、发射极之间提供正偏，使三极管Q3饱和导通。
三极管Q3饱和导通后，其集电极下拉到负电源而呈现负电压，经过信号放大电路跟随后，输出负驱动电压，IGBT截止。
三极管Q10饱和导通后，自正电源经过电阻R16、R15而来对积分电容C4的充电电流被三极管Q10旁路到参考地，即将比较器U3D的负输入端下拉到参考地，而比较器U3D正输入端对参考地为正电压，数值为稳压管DW3的反向击穿电压，也是IGBT集电极-发射极电压Vce检测的阈值电压，所以比较器U3D的输出端为开路。此时的状态称为IGBT集电极-发射极电压Vce检测电路的复位状态。信号隔离光耦U1的输出端未被下拉到负电源端，立即进入电压Vce检测电路的复位状态，电容C4储存电荷被释放，比较器U3D的输出端为开路。
所述比较器U3D的输出端为开路时，正电源依次通过电阻R17、R18、R19对电容C2充电，电容C2两端电压经过电阻R20、R21分压接到比较器U3B的负输入端，比较器U3B的正输入端接电阻R17、R18的连接点。对电容C2充电直至其两端电压逐渐上升到终点值为止，所述终点值＝正负电源压差*(R20+R21)/(R17+R18+R19+R20+R21)，由于R20+R21远大于R17+R18+R19，所以终点值接近于正负电源压差。由于比较器U3B的正输入端电压一直高于负输入端电压，其输出端处于开路状态。充电完成后，电容C2两端的电压要大于开关控制三极管Q3集电极-发射极之间的峰值电压，此时三极管Q8的基极-发射极之间、二极管D1处于反偏状态而截止，不对三极管Q3集电极电压产生影响。
同样，故障状态保持电路中的比较器U3C的正负输入端与比较器U3B对应连接，其输出端也处于开路状态，三极管Q11的发射极-基极之间没有正向偏置电流而截止。电阻R23、R24分压为比较器U3A提供负输入端电压，正输入端通过电阻R22上拉到正电源而获得比负输入端高的电压，比较器U3C的输出端也处于开路状态，三极管Q9的发射极-基极之间没有正向偏置电流而截止，不对光耦U2的输入端、稳压基准DW4的正向偏置造成影响。
3、正常开关状态下的驱动电路工作过程
电源正常状态的建立、信号隔离光耦U1的输入二极管没有正向电流流过，整个驱动保护电路处于预备状态：可控恒流源开通，三极管Q2输出上拉电流(自正电源流出的电流，具有把电压向上拉升的作用)；信号隔离光耦U1的输入端无正向电流，输出端开路；开关三极管Q3因有正向偏置而饱和导通，上拉电流被旁路到负电源，三极管Q3集电极呈现负电压，经过信号放大电路两级跟随后，依然输出负的驱动电压，促使IGBT关断。
当来自控制电路决定IGBT开通、关断的差分信号ON+、ON-之间有3V以上正电压，信号隔离光耦U1的输入端有正向电流通过，光耦U1的输出端饱和导通到负电源，三极管Q3的基极-发射极失去正向偏置而截止，集电极被可控恒流源上拉电流作用，电压上升到恒流源输出电流*R7(约+16V)左右，经过两级跟随，输出正电压(约+14V)驱动IGBT的栅极，使IGBT开通。
光耦U1的输出端饱和导通到负电源，合理选择电阻R12、R13的数值，使三极管Q10的基极-发射极处于反偏而截止，绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极-发射极电压Vce检测电路开始检测，在IGBT开通期间，取样IGBT的集电极-发射极电压Vce后，通过电阻R15对电容C4充电，若电容C4的两端电压始终不超过阈值电压，比较器U3D的输出端处于开路状态，其它比较器的输出端都处于开路状态，对开关三极管Q3、可控恒流源的工作不产生影响。在IGBT开通期间、电容C4的两端电压始终不超过阈值电压的情况称为正常开关状态。
正常开关状态下，信号隔离光耦U1的输入端正向电流受控减少到0后，其输出端开路，开关三极管Q3、Q10因有正向偏置而饱和导通，上拉电流被迅速旁路到负电源而输出负电压(约-8V)，经过信号放大电路两级跟随，迅速输出负电压(约-6V)，驱动IGBT截止。三极管Q10饱和导通，释放积分电容C4存储的电荷，为下一次Vce检测创造统一的起始条件，自零开始积分。
4、IGBT出现过流情况下的驱动电路工作过程
在IGBT开通期间，正电源通过电阻R16、二极管D3来取样绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极-发射极之间的电压Vce(获得比Vce高一个二极管正向导通电压约0.7V的电压，如果Vce超过正电源电压，就获得正电源电压，一般情况下Vce不超过正电源电压)，再通过电阻R15对积分电容C4充电，Vce电压越高，电容C4的两端电压上升越快。电阻R15的取值是电阻R16的三倍以上，决定电容C4的充电速度主要取决于电阻R15。当电容C4的两端电压超过比较器U3D的正输入端阈值电压时，整体电路将进入IGBT过流保护状态，因为IGBT导通期间的集电极-发射极之间的电压Vce与其通过的电流是正比例关系，电压Vce超过阈值，说明电流过大，也即出现过流情况。
已知技术中，电阻R15短路或很小，积分电容C4主要由R16来充电。当IGBT的集电极-发射极之间的电压Vce低于阈值电压，是属于正常开关状态；当电压Vce超过阈值电压时，在电容C4电压积分到阈值电压前，二极管D3是不导通的，所以电容C4的充电速度与电压Vce高低无关，也就是说已知技术不能根据电压Vce动态调节保护检测的延时时间。
本发明电路中，当电容C4的两端电压超过比较器U3D的正输入端阈值电压时，整体电路进入IGBT过流保护状态，比较器U3D的输出端导通至负电源，电路进入软关断过程，电容C2通过电阻R19放电，形成按要求速率缓降的电压，电容C2的两端电压经过三极管Q8、二极管D1缓冲，在放大电路输入端产生同步缓降的电压，驱动到IGBT栅极的电压也同步缓降，实现IGBT过流软关断。
比较器U3D的输出端导通至负电源的同时，比较器U3B的正输入端对负电源的电压为R18/(R17+R18)*正负电源压差，负输入端对负电源的电压为R21/(R20+R21)*电容C2两端电压，选择R17(如10K欧)、R18(如200欧)、R20(如200K欧)、R21(如200K欧)的数值，使电容C2的两端电压下降到约1V前，即软关断结束前，比较器U3B的正输入端电压都小于负输入端，其输出端导通到负电源，将信号隔离光耦U1的输出端导通到负电源，确保软关断过程不受控制信号ON+、ON-的影响。调整电阻R19、电容C2可以调整软关断的时间，如2到5微妙。当电容C2的两端电压为1V时，驱动电压约为-4.2V(即-VB+1+4*0.7，-VB为-8V，0.7为发射极-基极PN结正向导通压降，正向导通的PN结包括三极管Q8、Q6、Q7和二极管D1共4个)。
比较器U3C的输入端与比较器U3B的输入端对应正对正、负对负连接，所以软关断期间，比较器U3C的输出端导通至负电源，通过三极管Q11、二极管D4快速对定时电容C3充电，使其两端电压达到正负电源差值-2*0.7V(0.7V为PN结正向导通压降)，这期间二极管D4处于正向导通，比较器U3A的正、负输入端对应连接在二极管D4的阳极、阴极之间，正输入端电压高于负输入端电压，所以比较器U3A的输出端为开路状态，三极管Q9无基极电流而关断，不影响可控恒流源的工作，对驱动电压也没有影响。
当电容C2的两端电压下降到约1V，软关断结束，比较器U3B和U3C的正输入端电压大于负输入端，输出端变为开路状态。此后，如果控制信号ON+、ON-变为+1V以下或负值，信号隔离光耦U1的输出端为开路状态，三极管Q10、Q3通过电阻R12、R13、R11而获得基极-发射极正向偏置，三极管Q10、Q3都饱和导通，比较器U3D的负输入端被旁路到参考地，小于正输入端电压，输出端为开路状态，同时正电源通过电阻R17、R18、R19给电容C2充电，直至上述终点值为止，为下一次检测Vce电压、可能出现过流情况而实施软关断做好准备。
比较器U3C输出端变为开路状态后，三极管Q11失去基极电流而截止，比较器U3A的负输入端被迅速拉升到R24/(R23+R24)*正负电源压差，由于定时电容C3的储能作用，比较器U3A的负输入端电压将高于其正输入端电压，其输出端导通到负电源，通过电阻R25使三极管Q9基极获得电流而饱和导通，将稳压基准DW4两端短路，从而使可控恒流源截止，状态反馈光耦U2输入端失去正向偏置，其输出端变为开路状态，给控制电路报故障，同时稳压基准DW4对应的发光二极管不发光，指示电路处于故障保持状态，此时开关三极管Q3的集电极失去上拉且由于电阻R7下拉到负电源的作用，输出负驱动电压。
此状态维持期间，定时电容C3通过定时电阻R22放电，比较器U3A的正输入端电压上升，直至上升到高于负输入端的电压，故障保持阶段结束，比较器U3A输出端开路，故障保持阶段结束。
故障保持阶段结束后，三极管Q9截止，稳压基准DW4、状态光耦U2输入端获得正向偏置，可控恒流源工作，稳压基准DW4点亮，电路重新进入预备状态，已经可以接受控制电路信号而产生相应的动作。
Claims (5)
1、一种IGBT驱动保护电路，包括：
一个用于提供双路恒压的正电源、参考地、负电源；
一个信号隔离光耦：第一光耦(U1)，输入端串联第一电阻(R1)与来自控制电路的差分信号连接，输出端为集电极开路形式；
一个开关三极管控制电路，用于产生一个开关信号作为信号放大电路的输入电压，其主要由第十一电阻(R11)、第三三极管(Q3)、第七电阻(R7)构成，其中：第三三极管(Q3)是NPN开关三极管，其基极经过第十一电阻(R11)连接到第一光耦(U1)的输出端，其发射极接负电源，集电极接一个可控恒流源的输出端，第七电阻(R7)并接在第三三极管(Q3)的集电极、负电源之间；
上述可控恒流源电路，由第二三极管(Q2)、稳压基准(DW4)、第六电阻(R6)构成，其中：第二三极管(Q2)是PNP三极管，其集电极是所述可控恒流源的输出端，发射极经第六电阻(R6)连接到正电源上，基极连接到稳压基准(DW4)的低压端，稳压基准(DW4)的高压端与正电源相连；
一个信号放大电路，用于产生一个栅压并将其提供给受控IGBT的栅极，其输入端与第三三极管(Q3)的集电极相连，其输出端与受控IGBT的栅极相连；
一个状态反馈隔离光耦：第二光耦(U2)，用于将驱动电路的状态反馈到控制电路，其主要由第二光耦(U2)、第二十六电阻(R26)构成，其中：第二光耦(U2)输入二极管的阳极经第二十六电阻(R26)连接到正电源，阴极连接到稳压基准(DW4)的低压端；
一个IGBT集电极-发射极电压Vce检测及检测复位电路，用于检测IGBT集射电压并判断是否启动软关断电路，其主要由阈值电压发生电路、第四比较器(U3D)、Vce电压取样及积分电路、检测复位电路构成，其中：阈值电压连接到第四比较器(U3D)的正输入端，Vce电压取样后经过第十五电阻(R15)、第四电容(C4)积分再传递到第四比较器(U3D)的负输入端，检测复位电路在第一光耦(U1)的输出端未导通且不在软关断期间，将第四电容(C4)两端短接，使Vce检测电路复位，为下一次检测做好准备；当IGBT导通期间，其集电极-发射极电压Vce经过取样与积分后，若超过阈值电压，第四比较器(U3D)输出端导通到负电源，启动软关断过程；所述第四电容(C4)是积分电容；
一个软关断电路，在第四比较器(U3D)输出端导通到负电源时，产生从正电源下降到负电源的缓降电压，作用到信号放大电路的输入端，使驱动受控IGBT栅极的电压按同样的规律变化，软关断电路主要由第十九电阻(R19)、第二电容(C2)、第八三极管(Q8)、第一二极管(D1)组成，其中：第十九电阻(R19)一端连接第四比较器(U3D)输出端，另一端经第二电容(C2)连接到负电源，第八三极管(Q8)的基极、集电极并联于电容C2两端，集电极连接负电源，发射极连接第一二极管(D1)的阴极，所述第一二极管(D1)的阳极连接到第三三极管(Q3)的集电极；软关断的速率和时间由第十九电阻(R19)、第二电容(C2)调节；第八三极管(Q8)是PNP三极管；
其特征在于，还包括：
一个软关断过程识别电路，主要由第二比较器(U3B)、第十七电阻(R17)、第十八电阻(R18)、第二十电阻(R20)、第二十一电阻(R21)构成，第十七电阻(R17)、第十八电阻(R18)分压取样正电源、上述第四比较器(U3D)输出端之间的电压，送到第二比较器(U3B)的正输入端，第二十电阻(R20)、第二十一电阻(R21)分压取样上述第二电容(C2)两端的电压，送到第二比较器(U3B)的负输入端，第二比较器(U3B)的输出端连接第一光耦(U1)的输出端，其中：第十七电阻(R17)的一端接正电源，第二十一电阻(R21)的一端接负电源；所述比较器都采用集电极开路输出形式。
2、根据权利要求1所述的IGBT驱动保护电路，其特征还在于，还包括一个故障保持电路，主要由第一比较器(U3A)、第三比较器(U3C)、第二十二电阻(R22)、第三电容(C3)、第二十三电阻(R23)、第二十四电阻(R24)、第二十五电阻(R25)、第十一PNP三极管(Q11)、第九PNP三极管(Q9)、第四二极管(D4)构成，其中：第三比较器(U3C)正、负输入端与第二比较器(U3S)的正、负输入端对应并接，输出端连接第十一三极管(Q11)的基极，第十一三极管(Q11)的发射极接第一比较器(U3A)的负输入端，集电极接负电源，第二十四电阻(R24)并联在第一比较器(U3A)的负输入端、负电源之间，第二十三电阻(R23)并联在第一比较器(U3A)的负输入端、正电源之间，第二十二电阻(R22)、第三电容(C3)都并联在正电源、第一比较器(U3A)的正输入端之间，第一比较器(U3A)的正、负输入端对应连接第四二极管(D4)的阳极、阴极，输出端经过第二十五电阻(R25)连接到第九三极管(Q9)的基极，第九三极管(Q9)的发射极、集电极对应并接到稳压基准(DW4)的高、低压端上；所述第二十二电阻(R22)、第三电容(C3)用于定时，所述第二十三电阻(R23)、第二十四电阻(R24)用于分压，所述第十一三极管(Q11)、第九三极管(Q9)是PNP三极管。
3、根据权利要求1或2所述的IGBT驱动保护电路，其特征还在于，还包括一个电源欠压保护电路，由第一稳压管(DW1)、第二稳压管(DW2)、第一三极管(Q1)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)组成，其中：第一稳压管(DW1)的阳极接第一三极管(Q1)的基极，阴极连接第一光耦(U1)的电源端，第三电阻(R3)并联在第一三极管(Q1)的基极、发射极之间，第一三极管(Q1)的发射极接至负电源，集电极依次串联第二稳压管(DW2)、第四电阻(R4)接至正电源，第二稳压管(DW2)的阴极连接第四电阻(R4)，第五电阻(R5)并联在第二稳压管(DW2)的阴极、稳压基准(DW4)的低压端；所述第一三极管(Q1)是NPN三极管。
4、根据权利要求3所述的IGBT驱动保护电路，其特征还在于，所述稳压基准(DW4)是发光二极管。
5、根据权利要求4所述的IGBT驱动保护电路，其特征还在于，IGBT集电极-发射极电压Vce电压取样检测电路由第十六电阻(R16)、第十五电阻(R15)、第四电容(C4)、第三二极管(D3)构成，正电源依次串联电阻第十六电阻(R16)、第十五电阻(R15)、第四电容(C4)到参考地，第十六电阻(R16)与第十五电阻(R15)间的连接点与第三二极管(D3)的阳极相连，第三二极管(D3)的阴极连接到受控IGBT的集电极，第十五电阻(R15)与第四电容(C4)间的连接点与第四比较器(U3D)的负输入端相连，第十五电阻(R15)是第十六电阻(R16)三倍阻值以上。
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