CN102377326B

CN102377326B - 基于igbt桥式开关拓扑的驱动电路及其保护模块

Info

Publication number: CN102377326B
Application number: CN201010258637.2A
Authority: CN
Inventors: 金昕明
Original assignee: SHENZHEN AUTITUDE ELECTRICAL TECHNIQUES CO Ltd
Current assignee: Shenzhen Aodite Intelligent Control Technology Co ltd
Priority date: 2010-08-20
Filing date: 2010-08-20
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2030-08-20
Also published as: CN102377326A

Abstract

本发明涉及一种用于变频器、逆变器、开关电源的基于IGBT桥式开关拓扑的驱动电路及其保护模块，该保护模块包括：母线电流检测单元，用于检测母线电流并将所检测的电流信号转化为电压信号；阈值比较单元，用于将电压信号与设定的基准电压阈值进行比较；下桥控制单元，用于在电压信号大于基准电压阈值时，将下桥IGBT管的正门极驱动电压稳压至第二电压，第二电压小于IGBT管正常工作时的正门极驱动电压；故障反馈单元，用于在电压信号大于基准电压阈值，且下桥IGBT管的正门极驱动电压稳压至第二电压后，向MCU反馈故障信号，且MCU根据故障信号停止输出门极驱动信号。实施本发明的技术方案，能实现可靠的短路保护，且成本低。

Description

基于IGBT桥式开关拓扑的驱动电路及其保护模块

技术领域

本发明涉及基于IGBT管(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶振管)桥式开关拓扑的驱动电路，更具体地说，涉及一种用于变频器、逆变器、开关电源的基于IGBT管桥式开关拓扑的驱动电路及其保护模块。

背景技术

IGBT管器件由于其低的导通损耗、小的平均驱动功率和快速的开关特性，目前已经普遍的应用于变频器、逆变器、开关电源等设备中，IGBT管作为桥式开关拓扑的关键器件，完成功率转换。

图1是市场上最为常见的一种以IGBT管器件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6作为开关元件的桥式开关拓扑电路，其IGBT管的驱动方法有如下几种：

第一种就是用不带IGBT管的集电极-发射极电压Vce检测功能(以下简称Vce电压检测功能)的专用驱动光耦器件驱动IGBT管，这些驱动光耦器件包括：ACPL-P314、TLP701、HCPL-3120、ACPL-T350等，图2为基于TLP701的驱动电路，在使用该类光耦来驱动IGBT管时，即图1中的Q1隔离驱动电路1、Q3隔离驱动电路3、Q5隔离驱动电路5、Q2隔离驱动电路2、Q4隔离驱动电路4、Q6隔离驱动电路6全都采用图2所示的驱动电路，采用这种方式来驱动IGBT管的特点是电路简单，但是起不到输出短路和IGBT管上下桥臂之间直通短路保护的作用。

第二种是用带有Vce电压检测功能的专用驱动光耦器件驱动IGBT管，这些光耦器件包括：ACPL-331J、HCPL-316J、PC929等，在使用该类光耦来驱动IGBT管时，即图1中的Q1隔离驱动电路1、Q3隔离驱动电路3、Q5隔离驱动电路5、Q2隔离驱动电路2、Q4隔离驱动电路4、Q6隔离驱动电路6，这6路驱动电路中，至少有3路需要采用该类光耦，用这种方式来驱动IGBT管能起到检测出IGBT管的短路状态和保护IGBT管的作用，但是电路复杂，再加上这种驱动光耦本身成本就很高，致使整个电路的成本偏高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述电路成本高、不能对输出短路和上下桥臂直通的短路起保护作用的缺陷，提供一种基于IGBT桥式开关拓扑的驱动电路的保护模块，能实现可靠的短路保护，且成本低。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于IGBT桥式开关拓扑的驱动电路的保护模块，该驱动电路用于根据MCU输出的门极驱动信号驱动IGBT管，所述保护模块包括：

母线电流检测单元，用于检测母线电流并将所检测的电流信号转化为电压信号；

阈值比较单元，连接所述母线电流检测单元，用于将所述电压信号与设定的基准电压阈值进行比较；

下桥控制单元，连接所述阈值比较单元，用于在所述电压信号大于基准电压阈值时，将下桥IGBT管的正门极驱动电压稳压至第二电压，所述第二电压小于所述下桥IGBT管正常工作时的正门极驱动电压；

故障反馈单元，连接所述阈值比较单元，用于在所述电压信号大于基准电压阈值，且所述下桥IGBT管的正门极驱动电压稳压至第二电压后，向MCU反馈故障信号，且MCU根据所述故障信号停止输出门极驱动信号。

在本发明所述的保护模块中，所述下桥控制单元包括第一光耦、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一稳压二极管、第二稳压二极管和第三稳压二极管，其中，所述第一光耦的初级发光二极管的正极连接所述阈值比较单元的第一输出端，所述第一光耦的初级发光二极管的负极连接所述阈值比较单元的第二输出端，所述第一光耦的光敏三极管的发射极连接负母线，所述第一光耦的光敏三极管的集电极分别接第一稳压二极管的正极、第二稳压二极管的正极和第三稳压二极管的正极，第一稳压二极管的负极、第二稳压二极管的负极和第三稳压二极管的负极分别接第一二极管的负极、第二二极管的负极和第三二极管的负极，第一二极管的正极、第二二极管的正极和第三二极管的正极分别接三路下桥IGBT管的门极。

在本发明所述的保护模块中，所述下桥控制单元还包括第一三极管、第二三极管和第三三极管，其中，第一三极管的发射极、第二三极管的发射极和第三三极管的发射极分别接第一稳压二极管的正极、第二稳压二极管的正极和第三稳压二极管的正极，第一三极管的基极、第二三极管的基极和第三三极管的基极分别接所述第一光耦的光敏三极管的集电极，第一三极管的集电极、第二三极管的集电极和第三三极管的集电极分别接负母线。

在本发明所述的保护模块中，所述下桥控制单元包括第二光耦、第四二极管、第五二极管、第六二极管和第四稳压二极管，其中，所述第二光耦的初级发光二极管的正极连接所述阈值比较单元的第一输出端，所述第二光耦的初级发光二极管的负极连接所述阈值比较单元的第二输出端，所述第二光耦的光敏三极管的发射极连接负母线，所述第二光耦的光敏三极管的集电极接第四稳压二极管的正极，第四稳压二极管的负极分别接第四二极管的负极、第五二极管的负极和第六二极管的负极，第四二极管的正极、第五二极管的正极和第六二极管的正极分别接三路下桥IGBT管的门极。

在本发明所述的保护模块中，所述下桥控制单元还包括第四三极管，所述第四三极管的发射极接第四稳压二极管的正极，所述第四三极管的基极接所述第二光耦的光敏三极管的集电极，所述第四三极管的集电极接负母线。

本发明还构造一种基于IGBT桥式开关拓扑的驱动电路，用于根据MCU输出的门极驱动信号驱动IGBT管，所述驱动电路包括以上所述的保护模块。

本发明还构造一种IGBT桥式开关拓扑，包括MCU，及用于根据MCU输出的门极驱动信号驱动IGBT管的驱动电路，所述驱动电路包括以上所述的保护模块。

本发明还构造一种变频器，包括以上所述的IGBT桥式开关拓扑。

本发明还构造一种逆变器，包括以上所述的IGBT桥式开关拓扑。

本发明还构造一种开关电源，包括以上所述的IGBT桥式开关拓扑。

实施本发明的技术方案，在发生输出短路或IGBT管上下桥臂直通短路时，通过下桥控制单元将下桥IGBT管的正门极驱动电压稳压至第二电压，第二电压小于IGBT管正常工作时的正门极驱动电压，然后向MCU反馈故障信号，因此，该方案可实现可靠的短路保护，且由于无需采用价格昂贵的驱动芯片，因此成本可大大降低。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有技术的一种基于IGBT桥式开关拓扑的电路图；

图2是图1中的一种Q1隔离驱动电路电路图；

图3是本发明基于IGBT桥式开关拓扑的驱动电路的保护模块实施例一的逻辑结构图；

图4是本发明IGBT桥式开关拓扑实施例一的电路图；

图5是本发明IGBT桥式开关拓扑实施例二的电路图。

具体实施方式

图3是本发明的基于IGBT桥式开关拓扑的驱动电路的保护模块实施例一的逻辑结构图，结合图1，驱动电路00中的Q1隔离驱动电路1、Q3隔离驱动电路3、Q5隔离驱动电路5、Q2隔离驱动电路2、Q4隔离驱动电路4、Q6隔离驱动电路6分别根据MCU输出的门极驱动信号驱动IGBT管Q1、Q3、Q5、Q2、Q4、Q6。应当说明的是，本发明所有实施例中的桥式开关拓扑都是以6个IGBT管输出三相逆变电压为例进行说明的，但本发明并不限定IGBT管的数量为6，也可为4个，在IGBT管为4时，该桥式开关拓扑输出的是单相逆变电压。该保护模块包括母线电流检测单元8、阈值比较单元9、故障反馈单元10和下桥控制单元11，下面具体说明各个单元：

母线电流检测单元8，用于检测母线电流并将所检测的电流信号转化为电压信号；

阈值比较单元9，连接所述母线电流检测单元8，用于将所述电压信号与设定的基准电压阈值进行比较；

下桥控制单元11，连接所述阈值比较单元9，用于在所述电压信号大于基准电压阈值时，将下桥IGBT管的正门极驱动电压稳压至第二电压，所述第二电压小于所述下桥IGBT管正常工作时的正门极驱动电压；

故障反馈单元10，连接所述阈值比较单元9，用于在所述电压信号大于基准电压阈值，且所述下桥I GBT管的正门极驱动电压稳压至第二电压后，向MCU反馈故障信号，且MCU根据所述故障信号停止输出门极驱动信号。

在图4示出的本发明IGBT桥式开关拓扑实施例一的电路图中，该IGBT桥式开关拓扑包括MCU 7、驱动电路和六个IGBT管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6，下面着重说明驱动电路，驱动电路包括Q1隔离驱动电路1、Q3隔离驱动电路3、Q5隔离驱动电路5、Q2隔离驱动电路2、Q4隔离驱动电路4、Q6隔离驱动电路6、母线电流检测单元8、阈值比较单元9、故障反馈单元10和下桥控制单元11。其中，Q1隔离驱动电路1、Q3隔离驱动电路3、Q5隔离驱动电路5、Q2隔离驱动电路2、Q4隔离驱动电路4、Q6隔离驱动电路6分别根据MCU 7输出的6个门极驱动信号控制六个IGBT管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6；母线电流检测单元8用于检测母线电流并将所检测的电流信号转化为电压信号，如，将采样电阻串联在正母线P上或将采样电阻串联在负母线N上，然后检测采样电阻的电压；阈值比较单元9用于将所述电压信号与设定的基准电压阈值进行比较，该阈值比较单元可以是比较器或带有三端可调分流基准源的组合电路；下桥控制单元11用于在所述电压信号大于基准电压阈值时，将下桥IGBT管的正门极驱动电压稳压至第二电压，所述第二电压小于IGBT管正常工作时的正门极驱动电压；故障反馈单元10用于在所述电压信号大于基准电压阈值，且所述下桥IGBT管的正门极驱动电压稳压至第二电压后，向MCU反馈故障信号，且MCU根据所述故障信号停止输出门极驱动信号。

下面说明下桥控制单元11的电路，在图4中，光耦OP1的初级发光二极管的正极连接阈值比较单元9的第一输出端，光耦OP1的初级发光二极管的负极连接阈值比较单元9的第二输出端，光耦OP1的光敏三极管的发射极连接负母线N，光耦OP1的光敏三极管的集电极分别接三极管Q7的基极、三极管Q8的基极和三极管Q9的基极，三极管Q7的集电极、三极管Q8的集电极和三极管Q9的集电极分别接负母线N，三极管Q7的发射极、三极管Q8的发射极和三极管Q9的发射极分别接稳压二极管Z1的正极、稳压二极管Z2的正极和稳压二极管Z3的正极，稳压二极管Z1的负极、稳压二极管Z2的负极和稳压二极管Z3的负极分别接二极管D1的负极、二极管D2的负极和二极管D3的负极，二极管D1的正极、二极管D2的正极和二极管D3的正极分别接三路下桥IGBT管Q2、Q4、Q6的门极，电容C1连接在光耦OP1的光敏三极管的集电极和光耦OP1的光敏三极管的发射极之间。

下面结合图4具体说明该IGBT桥式开关拓扑的工作原理：

如果发生输出端短路或者上下桥臂直通的情况，则流过直流母线(从P流到N)上的电流急剧增加，母线电流检测单元8将这个故障电流检测出来，并进行一定比例的放大处理后，将其转化成与故障电流成比例的故障电压信号，送入阈值比较单元9。

阈值比较单元9中包括预先设定好的一个基准电压阈值，该基准电压阈值对应所需要保护的母线电流值。从母线电流检测单元8送过来的故障电压信号一旦大于基准电压阈值，则阈值比较单元9立刻输出两路信号。其中，一路用来驱动下桥控制单元11，另外一路用来驱动故障反馈单元10。

下桥控制单元11是本发明的核心功能电路，其各部分元件的作用为：光耦OP1用来接收阈值比较单元9的驱动信号，并控制三极管Q7、Q8、Q9同时导通，为了保证光耦OP1的响应速度，可以采用快速光耦器件。电容C1用于滤除杂讯干扰信号。三极管Q7、Q8、Q9利用下桥IGBT管Q2、Q4、Q6的正门极驱动电压而导通，当某一时刻Q2、Q4、Q6之中有任何IGBT管处于负门极驱动电压时，与此IGBT管相连的三极管就不会导通。稳压二极管Z1、Z2、Z3用于设定下桥IGBT管Q2、Q4、Q6在故障状态下(此时MCU 7的门极驱动信号未取消)的第二电压。通过调整稳压二极管Z1、Z2、Z3的稳压值(以Vz来表示)，就可以使处于过流或短路故障状态的下桥IGBT管的正门极驱动电压下降到约等于Vz的水平(即第二电压)。需要注意的是稳压二极管Z1、Z2、Z3的稳压值必须小于IGBT管正常工作时的正门极驱动电压。二极管D1、D2、D3为快速恢复二极管或者肖特基二极管，用于阻挡下桥IGBT管Q2、Q4、Q6的负门极驱动电压，同时避免下桥IGBT管Q2、Q4、Q6的正门极驱动电压之间的相互影响。应当说明的是，在另一个实施例中，三极管Q7、Q8、Q9也可省去。

下桥控制单元11的工作原理详述如下：当阈值比较单元9给光耦OP1送来驱动信号，光耦OP1的初级发光二极管发光，光耦OP1的次级光敏三极管即开始导通，此时下桥IGBT管Q2、Q4、Q6之中所有处于正门极驱动电压下的IGBT管都能给与之相连的三极管提供一个基极偏置电流促使该三极管导通。例如：假设在某一时刻桥式开关拓扑处于正常工作状态，其中的IGBT管Q1、Q4、Q6都导通，在此基础上，由于外界的干扰信号，造成Q2隔离驱动电路2输出了一个正门极驱动电压给下桥IGBT管Q2，造成了下桥IGBT管Q2的误导通，此时由于IGBT管Q1、Q2都导通(称之为桥臂直通)，会在IGBT管Q1和IGBT管Q2之间流过巨大的短路电流，这个短路电流被检测出来，并使光耦OP1的次级导通，由于IGBT管Q2、Q4、Q6都处于正门极驱动电压下，则与IGBT管Q2的门极相连的二极管D1导通，稳压二极管Z1被击穿，三极管Q7导通，将IGBT管Q2的正门极驱动电压钳位在约等于Z1的稳压值(即第二电压)。同样的道理，与IGBT管Q4的门极相连的二极管D2导通，稳压二极管Z2被击穿，三极管Q8导通，将IGBT管Q4的正门极驱动电压钳位在约等于Z2的稳压值(即第二电压)；与IGBT管Q6的门极相连的二极管D3导通，稳压二极管Z3被击穿，三极管Q9导通，将IGBT管Q6的正门极驱动电压钳位在约等于Z3的稳压值(即第二电压)。根据IGBT的特性，当正门极驱动电压减小，其集电极和发射极之间的内阻会变大，现在IGBT管Q2、Q4、Q6的正门极驱动电压都由于稳压二极管Z1、Z2、Z3的钳位作用而减小，其导通内阻变大，起到迅速抑制流过IGBT管Q1、Q2、Q4、Q6的电流的作用，整个桥式开关拓扑中的电流得到抑制，限制了IGBT管集电极上的du/dt，减小IGBT管集电极上的过电压尖峰，保证IGBT管在故障期间不受损坏。

故障反馈单元10的作用是将故障信息通过隔离和滤波后反馈给MCU 7，这个故障反馈信号的传输时间设定为比下桥控制单元11的动作时间滞后，有利于光耦OP1在MCU接收到故障反馈信号之前就导通，使下桥IGBT管Q2、Q4、Q6的正门极驱动电压先处于第二电压，再由MCU 7停止发送IGBT管的门极驱动信号，使六路隔离驱动电路1、3、5、2、4、6的输出封锁，IGBT管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6停止工作。

图5是本发明IGBT桥式开关拓扑实施例二的电路图，应当说明的是，该IGBT桥式开关拓扑实施例与图4所示的IGBT桥式开关拓扑实施例一的相同部分在此不做赘述，以下仅说明不同的部分：在下桥控制单元11中，光耦OP2的初级发光二极管的正极连接阈值比较单元9的第一输出端，光耦OP2的初级发光二极管的负极连接阈值比较单元9的第二输出端，光耦OP2的光敏三极管的发射极连接负母线N，光耦OP2的光敏三极管的集电极接三极管Q10的基极，三极管Q10的集电极接负母线N，三极管Q10的发射极接稳压二极管Z4的正极，稳压二极管Z4的负极接二极管D4的负极、二极管D5的负极和二极管D6的负极，二极管D4的正极、二极管D5的正极和二极管D6的正极分别接三路下桥IGBT管Q2、Q4、Q6的门极。该实施例中的下桥控制单元11的工作原理如图4所示的下桥控制单元11的原理相同，在此不做赘述。实施本实施例的技术方案，除能实现可靠的短路保护外，电路更加简单。

另外，在本发明所构造的变频器、逆变器、开关电源中，都可包括以上所述的IGBT桥式开关拓扑，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims

1.一种基于IGBT桥式开关拓扑的驱动电路的保护模块，该驱动电路用于根据MCU输出的门极驱动信号驱动I GBT管，其特征在于，所述保护模块包括：

故障反馈单元，连接所述阈值比较单元，用于在所述电压信号大于基准电压阈值，且所述下桥IGBT管的正门极驱动电压稳压至第二电压后，向MCU反馈故障信号，且MCU根据所述故障信号停止输出正门极驱动信号；

所述下桥控制单元包括第一光耦、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一稳压二极管、第二稳压二极管、第三稳压二极管、第一三极管、第二三极管和第三三极管，其中，所述第一光耦的初级发光二极管的正极连接所述阈值比较单元的第一输出端，所述第一光耦的初级发光二极管的负极连接所述阈值比较单元的第二输出端，所述第一光耦的光敏三极管的发射极连接负母线，所述第一光耦的光敏三极管的集电极分别接第一三极管的基极、第二三极管的基极和第三三极管的基极，第一三极管的发射极、第二三极管的发射极和第三三极管的发射极分别接第一稳压二极管的正极、第二稳压二极管的正极和第三稳压二极管的正极，第一三极管的集电极、第二三极管的集电极和第三三极管的集电极分别接负母线，第一稳压二极管的负极、第二稳压二极管的负极和第三稳压二极管的负极分别接第一二极管的负极、第二二极管的负极和第三二极管的负极，第一二极管的正极、第二二极管的正极和第三二极管的正极分别接三路下桥IGBT管的门极。

2.一种基于IGBT桥式开关拓扑的驱动电路的保护模块，该驱动电路用于根据MCU输出的门极驱动信号驱动I GBT管，其特征在于，所述保护模块包括：

所述下桥控制单元包括第二光耦、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第四稳压二极管和第四三极管，其中，所述第二光耦的初级发光二极管的正极连接所述阈值比较单元的第一输出端，所述第二光耦的初级发光二极管的负极连接所述阈值比较单元的第二输出端，所述第二光耦的光敏三极管的发射极连接负母线，所述第二光耦的光敏三极管的集电极接第四三极管的基极，第四三极管的发射极接第四稳压二极管的正极，所述第四三极管的集电极接负母线，第四稳压二极管的负极分别接第四二极管的负极、第五二极管的负极和第六二极管的负极，第四二极管的正极、第五二极管的正极和第六二极管的正极分别接三路下桥IGBT管的门极。

3.一种基于IGBT桥式开关拓扑的驱动电路，用于根据MCU输出的门极驱动信号驱动IGBT管，其特征在于，所述驱动电路包括权利要求1至2任一项所述的保护模块。

4.一种IGBT桥式开关拓扑，包括MCU，及用于根据MCU输出的门极驱动信号驱动IGBT管的驱动电路，其特征在于，所述驱动电路包括权利要求1至2任一项所述的保护模块。

5.一种变频器，其特征在于，包括权利要求4所述的IGBT桥式开关拓扑。

6.一种逆变器，其特征在于，包括权利要求4所述的IGBT桥式开关拓扑。

7.一种开关电源，其特征在于，包括权利要求4所述的IGBT桥式开关拓扑。