CN109510176B - 一种智能功率模块驱动保护电路 - Google Patents

一种智能功率模块驱动保护电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种智能功率模块驱动保护电路，包括：输入输出接口，用于与外部控制器连接，实现外部控制器与智能功率模块驱动保护电路之间的信号传输；芯片，用于对输入信号进行检测和功率放大，输出驱动信号，以及进行故障信号输出；信号输入检测子电路，用于对控制信号进行预处理，实现输入信号到芯片的信号输入；滤波子电路，用于对输入电源进行滤波处理；驱动子电路，用于调整芯片的功率输出，驱动IGBT；保护子电路，用于调整IBGT短路保护和过流保护的阈值；故障输出子电路，用于外部控制器对输出信号进行检测，实现故障处理。本发明克服了现有IPM驱动电路结构和性能存在的不足，可实现信号的及时有效传输。

Description

一种智能功率模块驱动保护电路
技术领域
本发明属于伺服技术领域，尤其涉及一种智能功率模块驱动保护电路。
背景技术
IPM(Intelligent Power Module智能功率模块驱动保护电路)把高压驱动电路和功率开关器件集成在一起，并有欠压保护、过流检测等故障检测功能，智能功率模块一方面接收MCU的控制信号，驱动后续电路工作，另一方面将***的状态检测信号送回MCU。与传统分立方案相比，IPM具有高集成度、高可靠性等优势，并且，因其开关速度快、损耗小、功耗低、有多种保护作用、抗干扰能力强、无须采取防静电措施、体积小等特点，使其在电力电子领域得到越来越广泛的应用，尤其适合于驱动电机的变频器及各种逆变电源，是变频调速、冶金机械、电力牵引、伺服驱动、变频家电的一种理想电力电子器件。
IPM驱动电路接受开关信号，驱动功率开关，而且具有过流、短路检测功能，由核心驱动芯片及其***电路组成。IPM接受MCU输入的PWM信号，驱动功率开关工作，实现电压波形控制，同时，若有短路、过流等故障，IPM将Fo报警信号输出给MCU供故障检测和处理。因此IPM驱动一方面须准确有效的接受MCU控制器的PWM信号，且有足够输出功率驱动功率开关，另一方面及时将过流、短路故障信号输出给MCU，实现模块的保护功能。虽然IPM对于驱动、报警输出一般都可直接实现，但是对于空间体积、驱动功率、报警输出电压设置存在限制和传输延迟情况，会导致相应报警不及时、信号滞后处理、空间体积较大情况。
发明内容
本发明解决的技术问题是：本发明实例提供了一种智能功率模块驱动保护电路，克服了现有IPM驱动电路结构和性能存在的不足。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种智能功率模块驱动保护电路，包括：输入输出接口、芯片、信号输入检测子电路、滤波子电路、驱动子电路、保护子电路和故障输出子电路；信号输入检测子电路、滤波子电路、驱动子电路、保护子电路和故障输出子电路分别通过芯片上设置的对应的管脚与芯片连接；
输入输出接口，用于与外部控制器连接，实现外部控制器与智能功率模块驱动保护电路之间的信号传输；
芯片，对输入信号进行检测和功率放大，输出驱动信号，以及进行故障信号输出；
信号输入检测子电路，用于接收外部控制器输入的控制信号，对控制信号进行预处理，得到输入信号，以实现输入信号到芯片的信号输入；
滤波子电路，用于对输入电源进行滤波处理；
驱动子电路，用于调整芯片的功率输出，驱动IGBT，实现驱动限流保护和门极保护；
保护子电路，用于调整IBGT短路保护和过流保护的阈值，反压提升IGBT关断时的绝缘性能，以降低漏电流；
故障输出子电路，用于外部控制器对输出信号进行检测，实现故障处理。
优选的，芯片上设置的管脚至少包括：过流检测管脚、输入检测管脚、驱动信号输出管脚、供电管脚、故障输出管脚和故障检测管脚。
优选的，信号输入检测子电路，包括：第一电阻R1；其中，第一电阻R1的一端接输入输出接口，另一端接芯片上的输入检测管脚，构成信号输入检测子电路，实现信号上拉。
优选的，滤波子电路，包括：第一电容C1和第二电容C2；其中，第一电容C1和第二电容C2并联后接芯片上的供电管脚和过流检测管脚。
优选的，驱动子电路，包括：第三电阻R3和第六电阻R6；其中，第三电阻R3的一端接芯片上的驱动信号输出管脚，另一端分别与IGBT的门极G和第六电阻R6的一端连接；第六电阻R6的一端接IGBT的门极G，另一端接IGBT的发射极E，构成驱动子电路。
优选的，保护子电路，包括：过流保护子电路和反压子电路；其中：
过流保护子电路，包括：第二电阻R2、第一稳压管D1、第二二极管D2、第五电阻R5、第四电容C4、第三二极管D3、第四二极管D4、第七电阻R7和第九电阻R9；其中，第二电阻R2的一端接电源VCC，另一端分别与第一稳压管D1的一端和第五电阻R5的一端连接；第一稳压管D1的另一端与第二二极管D2的一端连接，第二二极管D2的另一端接IGBT的集电极C；第五电阻R5的另一端分别与第四电容C4的一端、第七电阻R7的一端和第九电阻R9的一端连接，第四电容C4的另一端和第九电阻R9的另一端接地，第七电阻R7的另一端与芯片上的故障检测管脚连接，构成过流保护子电路；
反压子电路，包括：第八电阻R8、第五二极管D5、第五电容C5和第六电容C6；其中，第五二极管D5、第五电容C5和第六电容C6并联后接第八电阻R8，构成反压子电路；其中，第五二极管D5、第五电容C5和第六电容C6的一端接IGBT的发射极E。
优选的，故障输出子电路，包括：第一三极管Q1、第三电容C3、第十电阻R10、第十一电阻R11和第十二电阻R12；其中，第十一电阻R11的一端接芯片上的故障输出管脚，另一端分别与第一三极管Q1的基极和第三电容C3的一端连接，第一三极管Q1的发射极和第三电容C3的另一端接地；第一三极管Q1的集电极分别与第十电阻R10的一端和第十二电阻R12的一端连接；第十电阻R10的另一端接故障信号端口Fo；第十二电阻R12的另一端接电源VCC，构成故障输出子电路。
优选的，芯片上还设置有：开尔文地管脚和接地管脚；其中，开尔文地管脚和接地管脚分别接地。
本发明具有以下优点：
(1)本发明公开了一种智能功率模块驱动保护电路，具有过流检测电压可调、关断反压的特点，可实现信号的及时有效传输，且空间体积合理，克服了现有IPM驱动电路结构和性能存在的不足。
(2)本发明电路拓扑结构简单，功能完善，提高了电路抗干扰能力。
(3)本发明通过驱动子电路、可调过流保护子电路和反压子电路实现了输入信号低延时检测，发生过流故障时，故障信号端口Fo输出电压信号，供外部控制器检测和处理，当供电电压不足时，模块进入欠压保护状态。
(4)本发明通过驱动子电路、可调过流保护子电路和反压子电路的设计，使该智能功率模块驱动保护电路具有反压关断IGBT的功能，能够实现IGBT的快速断开，减少关断损耗，避免IGBT的误导通。
附图说明
图1是本发明实施例所述的一种智能功率模块驱动保护电路的结构框图；
图2是本发明实施例所述的一种智能功率模块驱动保护电路的电路结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
实施例一
如图1，该智能功率模块驱动保护电路，包括：输入输出接口、芯片、信号输入检测子电路、滤波子电路、驱动子电路、保护子电路和故障输出子电路。其中，信号输入检测子电路、滤波子电路、驱动子电路、保护子电路和故障输出子电路分别通过芯片上设置的对应的管脚与芯片连接。输入输出接口，用于与外部控制器连接，实现外部控制器与智能功率模块驱动保护电路之间的信号传输；芯片，用于对输入信号进行检测和功率放大，输出驱动信号，以及进行故障信号输出；信号输入检测子电路，用于接收外部控制器输入的控制信号，对控制信号进行预处理，得到输入信号，以实现输入信号到芯片的信号输入；滤波子电路，用于对输入电源进行滤波处理；驱动子电路，用于调整芯片的功率输出，驱动IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管，是由双极型三极管BJT和绝缘栅型场效应管MOS组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件)，实现驱动限流保护和门极保护；保护子电路，用于调整IBGT短路保护和过流保护的阈值，反压提升IGBT关断时的绝缘性能，以降低漏电流；故障输出子电路，用于外部控制器对输出信号进行检测，实现故障处理。
实施例二
如图2，在本实施例中，芯片上设置的管脚至少包括：过流检测管脚1、输入检测管脚4、驱动信号输出管脚5、供电管脚6、故障输出管脚7和故障检测管脚8。
优选的，信号输入检测子电路具体可以包括：第一电阻R1。其中，第一电阻R1的一端接输入输出接口，另一端接芯片上的输入检测管脚4，构成信号输入检测子电路，实现信号上拉，具有防干扰能力。
优选的，滤波子电路具体可以包括：第一电容C1和第二电容C2。其中，第一电容C1和第二电容C2并联后接芯片上的供电管脚和过流检测管脚。
优选的，驱动子电路，包括：第三电阻R3和第六电阻R6；其中，第三电阻R3的一端接芯片上的驱动信号输出管脚，另一端分别与IGBT的门极G和第六电阻R6的一端连接；第六电阻R6的一端接IGBT的门极G，另一端接IGBT的发射极E，构成驱动子电路。
优选的，保护子电路，包括：过流保护子电路和反压子电路。
在本实施例中，过流保护子电路具体可以包括：第二电阻R2、第一稳压管D1、第二二极管D2、第五电阻R5、第四电容C4、第三二极管D3、第四二极管D4、第七电阻R7和第九电阻R9。其中，第二电阻R2的一端接电源VCC，另一端分别与第一稳压管D1的一端和第五电阻R5的一端连接；第一稳压管D1的另一端与第二二极管D2的一端连接，第二二极管D2的另一端接IGBT的集电极C；第五电阻R5的另一端分别与第四电容C4的一端、第七电阻R7的一端和第九电阻R9的一端连接，第四电容C4的另一端和第九电阻R9的另一端接地，第七电阻R7的另一端与芯片上的故障检测管脚8连接，构成过流保护子电路。
在本实施例中，反压子电路具体可以包括：第八电阻R8、第五二极管D5、第五电容C5和第六电容C6。其中，第五二极管D5、第五电容C5和第六电容C6并联后接第八电阻R8，构成反压子电路；其中，第五二极管D5、第五电容C5和第六电容C6的一端接IGBT的发射极E。
优选的，故障输出子电路具体可以包括：第一三极管Q1、第三电容C3、第十电阻R10、第十一电阻R11和第十二电阻R12。其中，第十一电阻R11的一端接芯片上的故障输出管脚7，另一端分别与第一三极管Q1的基极和第三电容C3的一端连接，第一三极管Q1的发射极和第三电容C3的另一端接地；第一三极管Q1的集电极分别与第十电阻R10的一端和第十二电阻R12的一端连接；第十电阻R10的另一端接故障信号端口Fo；第十二电阻R12的另一端接电源VCC，构成故障输出子电路。
优选的，芯片上还设置有：开尔文地管脚2和接地管脚3。其中，开尔文地管脚2和接地管脚3分别接地。
其中，需要说明的是，芯片可选用类型为LD33153。在本实施例中，外部控制器输入的PWM信号，经过第一电阻R1上拉，控制芯片U驱动信号的输出，以及，通过驱动子电路控制芯片U的驱动信号输出管脚的输出电平，实现IGBT的导通关断；以及，通过过流保护子电路，进行过流短路检测。
实施例三
智能功率模块驱动保护电路主要可以由驱动芯片U及其***电容、电阻、二极管、稳压管等器件组成，具体可以包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3(驱动电阻)、第四电阻R4(限流电阻)、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第一稳压管D1、第二二极管D2(高压保护二极管)、第三二极管D3、第四二极管D4和第五稳压管D5(提供IGBT关断时的反压)。其中，外部控制器的PWM信号输入脚，故障信号端口Fo输出到外部控制，实现故障处理，集电极C、门极G、发射极E分别连接到IGBT的对应极，实现IGBT导通和关断。
优选的，第二电阻R2、第一稳压管D1、第二二极管D2、第五电阻R5、第四电容C4、第四二极管D4、第三二极管D3、第九电阻R9、第七电阻R7及驱动芯片U的故障检测管脚8组成IGBT过流故障检测电路，通过调整第九电阻R9和第五电阻R5的比值设定保护范围。集电极C端电压影响D1左端电位，此电压经过R5和R9分压后，当此电压大于阈值时，Fo输出给控制器低电平，实现故障报警能。D可按照下式计算：
VC＝(VD1+VD2+VCE)*R9/(R9+R5)
VCE＝VC*(R5+R9)/R9-(VD1+VD2+VCE)
令：K＝(R5+R9)/R9；则：VCE＝VC*K-(Vz1+Vz1+VD)；
其中：VC为芯片故障检测管脚8的电压，当其检测电压大于某一电压且驱动信号使能的情况，芯片故障检测管脚输出高电平，芯片故障检测管脚正常情况下输出为低电平，电压约为芯片供电电压；VD1为稳压管D1反向导通电压，VD2为二极管D2导通电压，通过上式可知调整第五电阻R5和第九电阻R9即可设定IGBT过流保护阈值。
此外，R5和R9的阻值关系应满足：
(R5+R9)/(R2+R5+R9)>(VD1+VD2+VCE)/VCC
其中：VCC为电源电压。
整个电路的工作工程：外部控制器输入的PWM信号，经过第一电阻R1上拉，控制芯片驱动信号输出管脚的输出电平，该电压信号经过电阻第三电阻R3驱动电阻连接到IGBT的门极G，最后实现IGBT的导通关断。此外，由第二电阻R2、第一稳压管D1、第二二极管D2、第五电阻R5、第四电容C4、第四二极管D4、第三二极管D3、第九电阻R9、第七电阻R7及芯片U1的第八引脚组成IGBT过流故障检测电路，实现过流短路检测，若有过流故障，则通过故障输出子电路，第一三极管Q1、第三电容C3、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12和故障信号端口Fo输出故障信号Fo。
综上所述，本发明公开了一种智能功率模块驱动保护方案，具有过流检测电压可调、关断反压的特定，可实现信号的及时有效传输，且空间体积合理，克服了现有IPM驱动电路结构和性能存在的不足。其次，电路拓扑结构简单，功能完善，提高了电路抗干扰能力。
本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种智能功率模块驱动保护电路，其特征在于，包括：输入输出接口、芯片、信号输入检测子电路、滤波子电路、驱动子电路、保护子电路和故障输出子电路；信号输入检测子电路、滤波子电路、驱动子电路、保护子电路和故障输出子电路分别通过芯片上设置的对应的管脚与芯片连接；
输入输出接口，用于与外部控制器连接，实现外部控制器与智能功率模块驱动保护电路之间的信号传输；
芯片，用于对输入信号进行检测和功率放大，输出驱动信号，以及进行故障信号输出；芯片上设置的管脚至少包括：过流检测管脚(1)、输入检测管脚(4)、驱动信号输出管脚(5)、供电管脚(6)、故障输出管脚(7)和故障检测管脚(8)；
信号输入检测子电路，用于接收外部控制器输入的控制信号，对控制信号进行预处理，得到输入信号，以实现输入信号到芯片的信号输入；
滤波子电路，用于对输入电源进行滤波处理；
驱动子电路，用于调整芯片的功率输出，驱动IGBT，实现驱动限流保护和门极保护；
保护子电路，用于调整IBGT短路保护和过流保护的阈值，反压提升IGBT关断时的绝缘性能，以降低漏电流；所述保护子电路包括：过流保护子电路和反压子电路；其中：
过流保护子电路，包括：第二电阻R2、第一稳压管D1、第二二极管D2、第五电阻R5、第四电容C4、第三二极管D3、第四二极管D4、第七电阻R7和第九电阻R9；其中，第二电阻R2的一端接电源VCC，另一端分别与第一稳压管D1的一端和第五电阻R5的一端连接；第一稳压管D1的另一端与第二二极管D2的一端连接，第二二极管D2的另一端接IGBT的集电极C；第五电阻R5的另一端分别与第四电容C4的一端、第七电阻R7的一端和第九电阻R9的一端连接，第四电容C4的另一端和第九电阻R9的另一端接地，第七电阻R7的另一端与芯片上的故障检测管脚(8)连接，构成过流保护子电路；
反压子电路，包括：第八电阻R8、第五二极管D5、第五电容C5和第六电容C6；其中，第五二极管D5、第五电容C5和第六电容C6并联后接第八电阻R8，构成反压子电路；其中，第五二极管D5、第五电容C5和第六电容C6的一端接IGBT的发射极E；
故障输出子电路，用于外部控制器对输出信号进行检测，实现故障处理。
2.如权利要求1所述的智能功率模块驱动保护电路，其特征在于，所述信号输入检测子电路，包括：第一电阻R1；其中，第一电阻R1的一端接输入输出接口，另一端接芯片上的输入检测管脚(4)，构成信号输入检测子电路，实现信号上拉。
3.如权利要求1所述的智能功率模块驱动保护电路，其特征在于，所述滤波子电路，包括：第一电容C1和第二电容C2；其中，第一电容C1和第二电容C2并联后接芯片上的供电管脚(6)和过流检测管脚(1)。
4.如权利要求1所述的智能功率模块驱动保护电路，其特征在于，所述驱动子电路，包括：第三电阻R3和第六电阻R6；其中，第三电阻R3的一端接芯片上的驱动信号输出管脚(5)，另一端分别与IGBT的门极G和第六电阻R6的一端连接；第六电阻R6的一端接IGBT的门极G，另一端接IGBT的发射极E，构成驱动子电路。
5.如权利要求1所述的智能功率模块驱动保护电路，其特征在于，所述故障输出子电路，包括：第一三极管Q1、第三电容C3、第十电阻R10、第十一电阻R11和第十二电阻R12；其中，第十一电阻R11的一端接芯片上的故障输出管脚(7)，另一端分别与第一三极管Q1的基极和第三电容C3的一端连接，第一三极管Q1的发射极和第三电容C3的另一端接地；第一三极管Q1的集电极分别与第十电阻R10的一端和第十二电阻R12的一端连接；第十电阻R10的另一端接故障信号端口Fo；第十二电阻R12的另一端接电源VCC，构成故障输出子电路。
6.如权利要求1所述的智能功率模块驱动保护电路，其特征在于，所述芯片上还设置有：开尔文地管脚(2)和接地管脚(3)；其中，开尔文地管脚(2)和接地管脚(3)分别接地。
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