CN103475196B - 一种绝缘栅双极型晶体管驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绝缘栅双极型晶体管驱动器，包括隔离输入单元、电平转换单元、正负电源分配单元、辅助电源单元、驱动输出单元、过流检测单元、降栅极电压单元、延迟判断单元、软关断单元、故障报警输出单元。过流短路时，过流检测单元动作，并将过流信息分别传送至降栅极电压单元和延迟判断单元，降栅极电压单元动作，输出信号至驱动输出单元，降低驱动脉冲；延迟判断单元动作，判断过流持续时间，并发送指令至软关断单元及电平转换单元，电平转换单元对输入进行闭锁，软关断单元向驱动输出单元发出关断指令，同时输出信号至短路报警单元。本发明采用高速光电耦合器隔离，保护措施完备，具有信号封锁功能，可以最大限度地保护IGBT的驱动器。

Description

一种绝缘栅双极型晶体管驱动器

技术领域

本发明公开了一种绝缘栅双极型晶体管驱动器，涉及电力电子器件驱动、保护技术，尤其是开关电源中的功率管驱动保护技术，具体来讲，本发明主要涉及大功率IGBT驱动电路和过流保护电路设计，属电子技术领域。

背景技术

IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor），即绝缘栅双极型晶体管，是一种复合全控型电压驱动式功率半导体器件。该器件由双极型三极管和绝缘栅型场效应管组成，兼具低导通压降和高输入阻抗两方面的优点，具备驱动功率小、耐压系数高、电流承载能力强、开断速度快、饱和压降低等特点，因此广泛应用于开关电源、变频器、照明电路、新能源设备，以及大功率直流、交流电机的牵引传动等领域，是具有革命性的器件。

IGBT在电路***的设计、安全稳定运行中起到至关重要的作用，IGBT的可靠性高低将直接影响到整个***的运行水平。IGBT能否正常工作与IGBT的驱动电路设计紧密相关，然而在以往的驱动器设计当中，往往存在以下几个方面的缺陷：1）IGBT的开通、关断电压电路抗干扰性能差，产生较大的导通、关断耗损；2）当IGBT发生过流短路时，由于巨大的电流变化率，将在回路电感上产生高电压，有可能会使IGBT击穿；3）对于运行中的短时电压、电流变化判断能力差，发出错误的开通、关断指令，影响工作效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种绝缘栅双极型晶体管驱动器。采用高速光电耦合器隔离，具有信号封锁功能。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种绝缘栅双极型晶体管驱动器，包括隔离输入单元、电平转换单元、正负电源分配单元、辅助电源单元、驱动输出单元、过流检测单元、降栅极电压单元、延迟判断单元、软关断单元、故障报警输出单元；

所述隔离输入单元、正负电源分配单元、辅助电源单元分别和电平转换单元相连，电平转换单元和驱动输出单元相连；

所述过流检测单元分别和延迟判断单元、降栅极电压单元相连，延迟判断单元分别和电平转换单元、软关断单元相连，降栅极电压单元和驱动输出单元相连；软关断单元分别和驱动输出单元、故障报警输出单元相连；

当发生过流短路时，过流检测单元动作，并将过流信息分别传送至降栅极电压单元和延迟判断单元，降栅极电压单元动作，输出信号至驱动输出单元，降低驱动脉冲；延迟判断单元动作，判断过流持续时间，并发送指令至软关断单元及电平转换单元，电平转换单元对输入进行闭锁，软关断单元向驱动输出单元发出关断指令，同时输出信号至短路报警单元。

本发明的电路结构具体如下：

包括1号端口至14号端口，稳压管，第一二极管至第八二极管，第一至第六三极管，第一电容至第十一电容，第一电阻至第十八电阻，第一至第四比较器，光电耦合器，两个辅助电源端口VCC、VDD，接地端，动驱器内部的公共COM接点；

隔离输入单元包括光电耦合器和第一电阻；1号端口与第一电阻的一端相连，第一电阻的另一端与光电耦合器的第二引脚相连，2号端口与光电耦合器的第三引脚相连；

电平转换单元包括第八至第十一电阻、第十七电阻、第二比较器、第三电容、第八电容、第十电容；9号端口和第十电容的一端相连并接地，第十电容的另一端分别和11号端口、第八电阻的一端相连并外接VCC，第八电阻的另一端分别和第九电阻的一端、第十电阻的一端、第八电容的一端、第二比较器的供电端、光电耦合器的第八引脚相连并外接VDD，第九电阻的另一端分别和光电耦合器的第六引脚、第二比较器的负输入端、第一比较器的负输入端、第十五电阻的一端相连，第十电阻的另一端分别和第十一电阻的一端、第三电容的一端、第二比较器的正输入端、第一比较器的正输入端、第三电阻的一端相连，第八电容的另一端接地，第十一电阻的另一端分别和第三电容的另一端、光电耦合器的第五引脚、12号端口、第一电容的一端、第二电容的一端、稳压管的正极、第六电阻的一端相连并连接至动驱器内部的公共COM接点；

正负电源分配单元包括第六电阻、第一电容、第二电容、稳压管，第一电容的另一端和稳压管负极相连并外接VCC，第六电阻的另一端和第二电容的另一端相连并接地；

过流检测单元包括第一二极管、第二二极管、第四电阻、第五电阻、第七电阻、第十六电阻、第四电容、第九电容、第四比较器，第一二极管的负极和14号端口相连，第一二极管的正极分别和第七电阻的一端、第二二极管的正极相连，第二二极管的另一端分别和第十三电阻的一端、第一比较器的输出端相连，第七电阻的另一端分别和13号端口、第四电阻的一端、第四比较器的正输入端、第十一电容的一端相连，第四电阻的另一端外接VDD，8号端口分别和第十六电阻的一端、第五电阻的一端、第四电容的一端、第四比较器的负输入端相连，第十六电阻的另一端连接动驱器内部的公共COM接点，第五电阻的另一端分别和第四电容的另一端、第九电容的一端相连并外接VDD，第九电容的另一端连接动驱器内部的公共COM接点；

降栅极电压单元包括第十三电阻、第七电容、第三二极管、第二三极管，第十三电阻的另一端分别和第七电容的一端、第二三极管的基极相连，第七电容的另一端和第二三极管的集电极相连并外接VDD，第二三极管的发射极分别和第三二极管的负极、5号端口、第五电容的一端、第六二极管的正极相连，第三二极管的正极分别和第二比较器的输出端、第十七电阻的一端、第四三极管的基极、第三三极管的基极相连；

延迟判断单元包括第十八电阻、第十一电容，第十八电阻的一端连接动驱器内部的公共COM接点，第十八电阻的另一端和第十一电容的另一端相连；

软关断单元包括第三电阻、第五二极管、第三比较器、第六电容、第十四电阻，6号端口分别和第三比较器的负输入端、第五二极管的正极、第六电容的一端、第十四电阻的一端相连，第六电容的另一端和第十四电阻的另一端相连并接至VDD，第三比较器的输出端和第三电阻的另一端相连，第三比较器的正输入端连接动驱器内部的公共COM接点；

故障报警输出单元包括第二电阻，第四二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第一三极管、第十二电阻、第五电容，第四二极管的负极分别和第五二极管的负极、第四比较器的输出端相连，第四二极管的正极分别和第二电阻的一端、第一三极管的基极相连，第二电阻的另一端连接动VDD接点，第一三极管的集电极分别和7号端口、第十二电阻的一端、第八二极管的负极相连，第八二极管的正极和第十五电阻的另一端相连，第十二电阻的另一端和第六二极管的负极相连，第五电容的另一端接地，第一三极管的发射极和第七二极管的正极相连，第七二极管的负极接地；

故障报警输出单元桥包括第三三极管、第四三极管、第五三极管、第六三极管，第三三极管的集电极和第六三极管的集电极相连并接地，第三三极管的发射极分别和第四三极管的发射极、第五三极管的基极、第六三极管的基极相连，第四三极管的集电极分别和第十七电阻的一端、第五三极管的集电极相连并外接VCC，第五三极管的发射极分别和10号端口、第六三极管的发射极相连；3号、4号端口为预留端口。

作为本发明的进一步优选方案，所述光耦合器的型号为HCPL-0453。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：保护措施完备，可以最大限度地保护IGBT的驱动器。

附图说明

图1是本发明所述一种大功率IGBT驱动器的结构方框图。

图2是本发明所述一种大功率IGBT驱动器的电路原理图，

其中：Pin1、Pin2、Pin5至Pin14分别为1号、2号端口以及5号至14号端口，D1为稳压管，D2至D9分别为第一二极管至第八二极管，V1至V6分别为第一至第六三极管，C1至C10分别为第一电容至第十电容，R1至R17分别为第一电阻至第十七电阻，U1A至U1D分别为第一至第四比较器,U2为光电耦合器HCPL-0453。

具体实施方式

本发明的技术方案是：驱动器由隔离输入单元、电平转换单元、正负电源分配单元、辅助电源单元、过流检测单元、降栅极电压单元、延迟判断单元、软关断单元、驱动输出单元和短路报警单元组成。

其中，IGBT驱动器的隔离输入单元为光耦隔离电路，实现电气隔离，与电平转换单元连接。电平转换单元同时连接正负电源分配单元及辅助电源单元，随后连接驱动输出单元；输出单元与IGBT栅极连接，实现对IGBT的驱动。驱动保护部分设置IGBT过流检测单元、降栅极电压单元、延迟判断单元、软关断单元及故障报警输出单元。当IGBT发生过流短路时，IGBT过流检测单元动作，并将过流信息传送至降栅极电压单元与延迟判断单元。降栅极电压单元动作，输出信号至输出单元，降低驱动脉冲。同时，延迟判断单元动作，判断过流持续时间，并发送指令至软关断单元及电平转换单元，电平转换单元对输入进行闭锁，软关断单元向驱动输出单元发出关断指令，同时输出信号至短路报警单元。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明的结构方框图如图1所示，整个驱动器由10个单元组成，包括隔离输入单元、电平转换单元、正负电源分配单元、辅助电源单元、过流检测单元、降栅极电压单元、延迟判断单元、软关断单元、驱动输出单元和短路报警单元。驱动器含12个端口。

本发明的电路原理图如图2所示,其中：1号、2号端口为信号输入端，为隔离输入单元的输入端；5号端口为软关断时间设定端，为软关断单元的一个输入端；6号端口为短路保护后再次启动时间设定端，输入至延迟判断单元；7号端口为故障信号输出端，接收来自软关断单元发出的报警信号；8号端口为过流时的集电极发射极电压设置端；9号、11号端口为驱动器的辅助电源Vp的负端及正端；10号端口为驱动器输出端，接IGBT的栅极；12号端口驱动器内部的参考点COM，接正负电源分配单元；13号端口为盲区时间设定端，可以有效降低在IGBT开通、关断过程中的损耗；14号端口为IGBT电流检测端，接IGBT的集电极，作为过流检测单元的输入。

（1）隔离输入单元由光电耦合器U2和电阻R1组成，为驱动器的输入端，接入PWM信号，同时实现电气隔离；

（2）电平转换单元由电阻R8、R9、R10、R11、R17及比较器U1B组成，接收隔离输入单元的信号，同时与正负电源分配单元、辅助电源单元连接，输出至驱动输出单元；

（3）正负电源分配单元由电阻R6，电容C1、C2，稳压管D1组成，可将单一电源转换成正电压Vcc与负电压GND，输出为驱动器内部的公共端地COM，与其他单元相连接。正负电源分配单元与电平转换单元相连接；

（4）VCC、GND为外接辅助电源单元为驱动器提供辅助的工作电压，VDD是VCC和GND的中点，VDD经过R8分压后电压比VCC略低，R8的作用类似于限流电阻；

（5）过流检测单元由电二极管D2、电阻R4、R5、R7，比较器U1D组成，判断驱动器过流情况，并将信号传送至降栅极电压、延迟判断单元；

（6）降栅极电压单元由电阻R13、电容C7、二极管D4、三极管V2组成，接收过流检测单元的输出信号为输入，同时输出接至驱动输出单元，降低栅极电压；

（7）延迟判断单元由电阻R18、电容C11设定，接收过流检测信息，判断延迟时间t后驱动器的过流情况。当需要关断驱动器时，发送信号至软关断单元，同时发送信号至电平转换单元，闭锁输入信号，使软关断可以正常进行；

（8）软关断单元由电阻R3，电容C5，比较器U1C组成，接收来自延迟判断单元的关断信号，并将此信号传送至输出单元，逐渐降低栅极电压，减小电流变化率，实现对驱动器的软关断。同时将过流信号传送至报警单元；

（9）输出单元由桥连的三极管V3、V4、V5、V6组成，接收来自电平转换单元、降栅极电压单元、软关断单元的信号，与IGBT栅极连接，发出驱动信号；

（10）报警单元由电阻R2，二极管D5、D8，三极管V1组成，接收来自软关断单元的信号，并发出报警信息。

本发明包含三种工作方式，详述如下：

（1）正常工作状态

正常工作时，PWM输入信号由端口1、2接入，经过光耦合器进行隔离后，通过电平转换电路送到IGBT驱动电路，放大后输出PWM信号至IGBT栅极，并且可通过调节与栅极相连的电阻来调节IGBT栅极的充电和放电速度。过流检测单元、延迟判断单元、降栅极电压单元、软关断单元不动作，短路报警单元不动作。

（2）过流短路状态

当过流检测单元检测到短路过流信号时，将信号传送至降栅极电压单元，降栅极电压单元向驱动输出单元发送降压信号，使IGBT输出逐渐降低。同时，过流检测单元将过流信号传送至延迟判断单元，经过一设定延迟时间t后，延迟判断单元再次从过流检测单元读取过流信息，若过流仍然存在，此时由延迟判断单元向软关断单元发送过流信号，软关断单元动作，向驱动输出单元发送判断信号，使栅极电压逐渐降低，直至关断，避免由于电流快速变化，电感感应电压陡增，击穿IGBT。与此同时，延迟判断单元向电平转换单元发送闭锁信号，避免在软关断期间接收来自电平转换单元的硬关断信号。软关断单元同时向短路报警单元发送报警信号。

（3）短暂过流短路状态

当过流检测单元检测到IGBT过流时，降栅电压单元动作，同时延迟判断单元开始计时。在延迟一个时间t后，再次从过流检测单元接收信号，若过流信号已经消失，延迟判断单元不发送关断信号，驱动器转入正常工作状态。

Claims (1)

1.一种绝缘栅双极型晶体管驱动器，其特征在于：包括隔离输入单元、电平转换单元、正负电源分配单元、辅助电源单元、驱动输出单元、过流检测单元、降栅极电压单元、延迟判断单元、软关断单元、故障报警输出单元；

所述隔离输入单元、正负电源分配单元、辅助电源单元分别和电平转换单元相连，电平转换单元和驱动输出单元相连；

所述过流检测单元分别和延迟判断单元、降栅极电压单元相连，延迟判断单元分别和电平转换单元、软关断单元相连，降栅极电压单元和驱动输出单元相连；软关断单元分别和驱动输出单元、故障报警输出单元相连；

当发生过流短路时，过流检测单元动作，并将过流信息分别传送至降栅极电压单元和延迟判断单元，降栅极电压单元动作，输出信号至驱动输出单元，降低驱动脉冲；延迟判断单元动作，判断过流持续时间，并发送指令至软关断单元及电平转换单元，电平转换单元对输入进行闭锁，软关断单元向驱动输出单元发出关断指令，同时输出信号至短路报警单元；

其中，绝缘栅双极型晶体管驱动器的电路结构具体如下：

包括1号端口至14号端口，稳压管，第一二极管至第八二极管，第一至第六三极管，第一电容至第十一电容，第一电阻至第十八电阻，第一至第四比较器，光电耦合器，两个辅助电源端口VCC、VDD，接地端，驱动器内部的公共COM接点；

隔离输入单元包括光电耦合器和第一电阻；1号端口与第一电阻的一端相连，第一电阻的另一端与光电耦合器的第二引脚相连，2号端口与光电耦合器的第三引脚相连；所述光电耦合器的型号为HCPL-0453；

电平转换单元包括第八至第十一电阻、第十七电阻、第二比较器、第三电容、第八电容、第十电容；9号端口和第十电容的一端相连并接地，第十电容的另一端分别和11号端口、第八电阻的一端相连并外接VCC，第八电阻的另一端分别和第九电阻的一端、第十电阻的一端、第八电容的一端、第二比较器的供电端、光电耦合器的第八引脚相连并外接VDD，第九电阻的另一端分别和光电耦合器的第六引脚、第二比较器的负输入端、第一比较器的负输入端、第十五电阻的一端相连，第十电阻的另一端分别和第十一电阻的一端、第三电容的一端、第二比较器的正输入端、第一比较器的正输入端、第三电阻的一端相连，第八电容的另一端接地，第十一电阻的另一端分别和第三电容的另一端、光电耦合器的第五引脚、12号端口、第一电容的一端、第二电容的一端、稳压管的正极、第六电阻的一端相连并连接至驱动器内部的公共COM接点；

正负电源分配单元包括第六电阻、第一电容、第二电容、稳压管，第一电容的另一端和稳压管负极相连并外接VCC，第六电阻的另一端和第二电容的另一端相连并接地；

过流检测单元包括第一二极管、第二二极管、第四电阻、第五电阻、第七电阻、第十六电阻、第四电容、第九电容、第四比较器，第一二极管的负极和14号端口相连，第一二极管的正极分别和第七电阻的一端、第二二极管的正极相连，第二二极管的另一端分别和第十三电阻的一端、第一比较器的输出端相连，第七电阻的另一端分别和13号端口、第四电阻的一端、第四比较器的正输入端、第十一电容的一端相连，第四电阻的另一端外接VDD，8号端口分别和第十六电阻的一端、第五电阻的一端、第四电容的一端、第四比较器的负输入端相连，第十六电阻的另一端连接驱动器内部的公共COM接点，第五电阻的另一端分别和第四电容的另一端、第九电容的一端相连并外接VDD，第九电容的另一端连接驱动器内部的公共COM接点；

降栅极电压单元包括第十三电阻、第七电容、第三二极管、第二三极管，第十三电阻的另一端分别和第七电容的一端、第二三极管的基极相连，第七电容的另一端和第二三极管的集电极相连并外接VDD，第二三极管的发射极分别和第三二极管的负极、5号端口、第五电容的一端、第六二极管的正极相连，第三二极管的正极分别和第二比较器的输出端、第十七电阻的一端、第四三极管的基极、第三三极管的基极相连；

延迟判断单元包括第十八电阻、第十一电容，第十八电阻的一端连接驱动器内部的公共COM接点，第十八电阻的另一端和第十一电容的另一端相连；

软关断单元包括第三电阻、第五二极管、第三比较器、第六电容、第十四电阻，6号端口分别和第三比较器的负输入端、第五二极管的正极、第六电容的一端、第十四电阻的一端相连，第六电容的另一端和第十四电阻的另一端相连并接至VDD，第三比较器的输出端和第三电阻的另一端相连，第三比较器的正输入端连接驱动器内部的公共COM接点；

故障报警输出单元包括第二电阻，第四二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第一三极管、第十二电阻、第五电容，第四二极管的负极分别和第五二极管的负极、第四比较器的输出端相连，第四二极管的正极分别和第二电阻的一端、第一三极管的基极相连，第二电阻的另一端连接VDD接点，第一三极管的集电极分别和7号端口、第十二电阻的一端、第八二极管的负极相连，第八二极管的正极和第十五电阻的另一端相连，第十二电阻的另一端和第六二极管的负极相连，第五电容的另一端接地，第一三极管的发射极和第七二极管的正极相连，第七二极管的负极接地；

故障报警输出单元桥包括第三三极管、第四三极管、第五三极管、第六三极管，第三三极管的集电极和第六三极管的集电极相连并接地，第三三极管的发射极分别和第四三极管的发射极、第五三极管的基极、第六三极管的基极相连，第四三极管的集电极分别和第十七电阻的一端、第五三极管的集电极相连并外接VCC，第五三极管的发射极分别和10号端口、第六三极管的发射极相连；3号、4号端口为预留端口。