專利名稱：大功率igbt冗余驅(qū)動保護電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大功率IGBT (絕緣柵雙極晶體管，hsulated Gate Bipolar Transistor)冗余驅(qū)動保護電路。
背景技術(shù)：
IGBT集雙極型功率晶體管和功率MOSFET的優(yōu)點于一體，具有電壓控制、輸入阻抗大、驅(qū)動功率小、開關(guān)速度高、開關(guān)損耗小、飽和壓降低、耐高電壓、大電流等一系列應(yīng)用上的優(yōu)點，而成為大功率開關(guān)電源等電力電子裝置的首選功率器件。IGBT是通過柵極電容的充放電來控制開通和關(guān)斷，柵極電容的充放電通過柵極驅(qū)動電阻來控制。柵極電阻影響IGBT的開關(guān)時間、開關(guān)損耗、反向偏置安全運行區(qū)域、短路電流安全運行區(qū)域、EMI、dv/dt、di/dt和續(xù)流二極管的反向恢復電流。柵極驅(qū)動電阻的選擇是驅(qū)動電路設(shè)計的重要部分。柵極驅(qū)動電壓的上升、下降速率對IGBT的開通和關(guān)斷過程有著較大的影響。在高頻應(yīng)用場合，驅(qū)動電壓的上升、下降速率應(yīng)盡量快一些，以提高IGBT的開關(guān)速度，降低損耗。減小柵極串聯(lián)電阻，可以提高IGBT的開關(guān)速度，降低開關(guān)損耗，但在開通過程中如有續(xù)流二極管的反向恢復電流和吸收電容的放電電流，則開通的越快，IGBT 承受的峰值電流越大，越容易導致IGBT損壞。因此應(yīng)該降低柵極驅(qū)動電壓的上升速率，即增加柵極串聯(lián)電阻的阻值，抑制該電流的峰值。其代價是較大的開通損耗。利用此技術(shù)，開通過程的電流峰值可以控制在任意值。由以上分析可知，柵極串聯(lián)電阻和驅(qū)動電路內(nèi)阻抗對IGBT開通過程影響較大，而對關(guān)斷過程影響小一些，在關(guān)斷過程中柵極電阻小有利于加快關(guān)斷速度，減小關(guān)斷損耗。目前的IGBT驅(qū)動電路在高電壓，大電流的工作狀態(tài)下關(guān)斷時，由于IGBT柵極集電
極間電容 的密勒效應(yīng)，會產(chǎn)生很
大的浪涌電流。這個浪涌電流流過柵極電阻和功率擴展電路，受IGBT驅(qū)動電路部分分布電容的影響，可能產(chǎn)生很高的電壓，影響^^的下降引起IGBT誤導通。在某些環(huán)境下，各種干擾也會對IGBT驅(qū)動電路產(chǎn)生影響，引起IGBT誤導通，損壞電力器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是為解決現(xiàn)有技術(shù)對于IGBT關(guān)斷動作穩(wěn)定性的不足，提供一種大功率IGBT冗余驅(qū)動保護電路。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案
本發(fā)明提供的大功率IGBT冗余驅(qū)動保護電路，其包括一個受控IGBT、基本隔離驅(qū)動單元U1、冗余隔離驅(qū)動單元U2和開關(guān)管單元U3，其中U1的輸入端與驅(qū)動信號Vin相連，Ul 的輸出端經(jīng)柵極電阻Rl與IGBT柵極相連；U2的輸入端連接驅(qū)動信號Vin，U2的輸出端與 U3的輸入端相連；U3的兩個輸出端分別與IGBT柵極和Ul的內(nèi)部負偏置電壓端相連。所述基本隔離驅(qū)動單元U1，可以采用由IGBT驅(qū)動芯片HCPL-316J為核心搭建的隔離驅(qū)動電路。所述冗余隔離驅(qū)動單元U2，可以采用光耦TLP250進行隔離，或者采用繼電器進行隔1 °所述冗余隔離驅(qū)動單元U2，可以由二極管D1、穩(wěn)壓管Z1、快速光耦Ox和四個電阻組成，其中電阻R2的一端接正5伏工作電壓，另一端接光耦Ox的正信號輸入端；電阻R3 的一端接光耦Ox的正信號輸入端，另一端接光耦Ox的負信號輸入端以及輸入信號Vin ；所述快速光耦0x，其電源端連接到正15伏工作電壓，其信號輸出端連接到電阻R4的一端以及二極管Dl的陰極，其地端連接到穩(wěn)壓管Zl的陽極以及電阻R5的一端，還連接到基本隔離驅(qū)動單元Ul的負驅(qū)動電壓端；電阻R4、R5的另一端以及二極管Dl的陽極、穩(wěn)壓管Zl的陰極連接到開關(guān)管單元U3。所述快速光耦0x，可以采用型號為TLP250或TLP251的光耦。所述二極管D1，可以采用型號為1N5819或SR160的二極管。所述穩(wěn)壓管Z1，可以采用型號為1N4744A或1N4745A的穩(wěn)壓管。所述開關(guān)管單元U3，可以采用型號為IRM807或NCE7580的場效應(yīng)管。該場效應(yīng)管中，其柵極連接到冗余隔離驅(qū)動單元U2，其漏極連接到IGBT的門極，其源極連接到基本隔離驅(qū)動單元Ul的負驅(qū)動電壓端。本發(fā)明提供的上述大功率IGBT冗余驅(qū)動保護電路，其用作IGBT關(guān)斷動作的保護， 以確保IGBT關(guān)斷動作的穩(wěn)定性。本發(fā)明具有以下主要的優(yōu)點
其一.能夠降低IGBT關(guān)斷時的驅(qū)動電路內(nèi)阻抗，快速釋放浪涌電流，降低柵極電壓，防止IGBT誤導通，確保IGBT可靠關(guān)斷。其二 .實驗測得，當驅(qū)動信號開關(guān)頻率為25000Hz時，IGBT門級電壓下降時間小于 500ns。


圖1是本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)原理框圖。圖2是圖1所示電路的一種具體實施例電路原理圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供的大功率IGBT冗余驅(qū)動保護電路，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括一個受控 IGBT，一個基本隔離驅(qū)動單元U1，一個冗余隔離驅(qū)動單元U2，一個開關(guān)管單元U3，其中U1 的輸入端與驅(qū)動信號Vin相連，Ul的輸出端經(jīng)柵極電阻Rl與IGBT柵極相連。U2的輸入端連接驅(qū)動信號Vin，U2的輸出端與U3的輸入端相連。U3的兩個輸出端分別與IGBT柵極和 Ul的內(nèi)部負偏置電壓端相連。所述基本隔離驅(qū)動單元Ul可以采用由IGBT驅(qū)動芯片HCPL-316J為核心搭建的隔離驅(qū)動電路。所述冗余隔離驅(qū)動單元U2，其隔離方式可以為光隔離，例如采用光耦TLP250 ；也可以為電磁隔離，例如采用繼電器。所述冗余隔離驅(qū)動單元U2，其具體電路組成如圖2所示，由電阻R2、R3、R4、R5，二極管D1，穩(wěn)壓管Zl和快速光耦Ox組成。其中電阻R2—端接正5伏工作電壓，另一端接光耦Ox的正信號輸入端。電阻R3 —端接光耦Ox的正信號輸入端，另一端接光耦Ox的負信號輸入端以及輸入信號Vin?？焖俟怦頞x的電源端連接到正15伏工作電壓，快速光耦Ox 的信號輸出端連接到電阻R4的一端以及二極管Dl的陰極，快速光耦Ox的地端連接到穩(wěn)壓管Zl的陽極以及電阻R5的一端，還連接到基本隔離驅(qū)動單元Ul的負驅(qū)動電壓端，電阻R4、 R5的另一端以及二極管Dl的陽極、穩(wěn)壓管Zl的陰極連接到開關(guān)管單元U3。上述快速光耦Ox可以采用型號為TLP250的光耦，也可以采用其它型號的例如 TLP251的光耦。上述二極管Dl可以采用型號為1N5819或其它型號的例如SR160的二極管。上述穩(wěn)壓管Zl可以采用型號為1N4744A的穩(wěn)壓管，也可以采用其它型號的例如 1N4745A的穩(wěn)壓管。所述冗余隔離驅(qū)動單元U2這樣工作，當驅(qū)動信號Vin為低電平時，基本隔離驅(qū)動單元Ul控制IGBT關(guān)斷，同時冗余隔離驅(qū)動單元U2控制開關(guān)管單元U3導通，IGBT柵極直接被箝位到驅(qū)動電路的負偏置電壓，降低驅(qū)動電路的內(nèi)阻抗，同時快速釋放浪涌電流，確保 IGBT可靠的關(guān)斷。當驅(qū)動信號Vin為高電平時，冗余隔離驅(qū)動單元U2控制開關(guān)管單元U3關(guān)斷，IGBT柵極通過柵極電阻Rl連接到基本隔離驅(qū)動單元U1，正常開通，這樣既保持了 IGBT 的正常開通，又降低了 IGBT關(guān)斷時的驅(qū)動電路內(nèi)阻抗，快速釋放浪涌電流，降低柵極電壓， 確保IGBT的可靠關(guān)斷。所述開關(guān)管單元U3可以采用型號為IRM807的場效應(yīng)管VI，如圖2所示該場效應(yīng)管Vl的柵極連接到冗余隔離驅(qū)動單元U2，場效應(yīng)管Vl的漏極連接到IGBT的門極，場效應(yīng)管Vl的源極連接到基本隔離驅(qū)動單元Ul的負驅(qū)動電壓端。所述開關(guān)管單元U3也可以采用其它型號的例如NCE7580場效應(yīng)管。上述驅(qū)動信號Vin的幅度值是5V?；靖綦x驅(qū)動單元Ul和冗余隔離驅(qū)動單元U2 的正驅(qū)動電壓是15伏，負驅(qū)動電壓是負5伏。本發(fā)明提供的大功率IGBT冗余驅(qū)動保護電路，其作為IGBT關(guān)斷動作的保護的應(yīng)用，具體是當驅(qū)動信號Vin為低電平時，基本隔離驅(qū)動單元Ul控制IGBT關(guān)斷，同時冗余隔離驅(qū)動單元U2控制開關(guān)管單元U3導通，IGBT柵極直接被箝位到驅(qū)動電路的負偏置電壓，降低驅(qū)動電路的內(nèi)阻抗，同時快速釋放浪涌電流，確保IGBT可靠的關(guān)斷。當驅(qū)動信號Vin為高電平時，冗余隔離驅(qū)動單元U2控制開關(guān)管單元U3關(guān)斷，IGBT柵極通過柵極電阻Rl連接到基本隔離驅(qū)動單元U1，正常開通。這樣既保持了 IGBT的正常開通，又降低了 IGBT關(guān)斷時的驅(qū)動電路內(nèi)阻抗，快速釋放浪涌電流，降低柵極電壓，確保IGBT的可靠關(guān)斷。下面結(jié)合圖2描述冗余隔離驅(qū)動單元U2和開關(guān)管單元U3的工作過程
當驅(qū)動信號Vin為低電平時，快速光耦Ox的正輸入端為高電平5伏，該光耦的負輸入端為低電平0伏，此時快速光耦Ox導通，其輸出端Vo為15伏。二極管Dl和電阻R4與場效應(yīng)管Vl的柵源極電容組成延時電路，延時時間約為500ns，這個延遲時間用于延遲導通場效應(yīng)管VI，防止IGBT關(guān)斷時柵極電壓下降率過大而造成損壞。而當延遲時間過去之后， 場效應(yīng)管Vl導通，將IGBT柵極電壓鉗位到基本隔離驅(qū)動單元Ul的負偏置電壓即負5伏， 確保IGBT可靠關(guān)斷。當驅(qū)動信號Vin為高電平時，快速光耦Ox關(guān)斷，其輸出端Vo為負5伏。電阻R5將場效應(yīng)管Vl柵極電壓鉗位在負5伏，場效應(yīng)管Vl關(guān)斷，IGBT柵極通過柵極電阻Rl連接到基本隔離驅(qū)動單元Ul，正常開通。 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明權(quán)利要求范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明權(quán)利要求的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.大功率IGBT冗余驅(qū)動保護電路，其特征是該保護電路包括一個受控IGBT、基本隔離驅(qū)動單元U1、冗余隔離驅(qū)動單元U2和開關(guān)管單元U3，其中U1的輸入端與驅(qū)動信號Vin相連，Ul的輸出端經(jīng)柵極電阻Rl與IGBT柵極相連；U2的輸入端連接驅(qū)動信號Vin，U2的輸出端與U3的輸入端相連；U3的兩個輸出端分別與IGBT柵極和Ul的內(nèi)部負偏置電壓端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率IGBT冗余驅(qū)動保護電路，其特征在于所述基本隔離驅(qū)動單元Ul采用由IGBT驅(qū)動芯片HCPL-316J為核心搭建的隔離驅(qū)動電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率IGBT冗余驅(qū)動保護電路，其特征在于所述冗余隔離驅(qū)動單元U2，其采用光耦TLP250進行隔離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率IGBT冗余驅(qū)動保護電路，其特征在于所述冗余隔離驅(qū)動單元U2，其采用繼電器進行隔離。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率IGBT冗余驅(qū)動保護電路，其特征在于所述冗余隔離驅(qū)動單元U2，其由二極管D1、穩(wěn)壓管Z1、快速光耦Ox和四個電阻組成，其中電阻R2的一端接正5伏工作電壓，另一端接光耦Ox的正信號輸入端；電阻R3的一端接光耦Ox的正信號輸入端，另一端接光耦Ox的負信號輸入端以及輸入信號Vin ；所述快速光耦0x，其電源端連接到正15伏工作電壓，其信號輸出端連接到電阻R4的一端以及二極管Dl的陰極，其地端連接到穩(wěn)壓管Zl的陽極以及電阻R5的一端，還連接到基本隔離驅(qū)動單元Ul的負驅(qū)動電壓端；電阻R4、R5的另一端以及二極管Dl的陽極、穩(wěn)壓管Zl的陰極連接到開關(guān)管單元U3。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的大功率IGBT冗余驅(qū)動保護電路，其特征在于所述快速光耦 Ox采用型號為TLP250或TLP251的光耦。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的大功率IGBT冗余驅(qū)動保護電路，其特征在于所述二極管Dl 采用型號為1N5819或SR160的二極管。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的大功率IGBT冗余驅(qū)動保護電路，其特征在于所述穩(wěn)壓管Zl 采用型號為1N4744A或1N4745A的穩(wěn)壓管。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的大功率IGBT冗余驅(qū)動保護電路，其特征在于所述開關(guān)管單元U3采用型號為IRM807或NCE7580的場效應(yīng)管，該場效應(yīng)管中，其柵極連接到冗余隔離驅(qū)動單元U2，其漏極連接到IGBT的門極，其源極連接到基本隔離驅(qū)動單元Ul的負驅(qū)動電壓端。
10.權(quán)利要求1至9中任一權(quán)利要求所述大功率IGBT冗余驅(qū)動保護電路的用途，其特征在于該保護電路作為IGBT關(guān)斷動作的保護的應(yīng)用，具體是當驅(qū)動信號Vin為低電平時， 基本隔離驅(qū)動單元Ul控制IGBT關(guān)斷，同時冗余隔離驅(qū)動單元U2控制開關(guān)管單元U3導通， IGBT柵極直接被箝位到驅(qū)動電路的負偏置電壓，降低驅(qū)動電路的內(nèi)阻抗，同時快速釋放浪涌電流，確保IGBT可靠的關(guān)斷；當驅(qū)動信號Vin為高電平時，冗余隔離驅(qū)動單元U2控制開關(guān)管單元U3關(guān)斷，IGBT柵極通過柵極電阻Rl連接到基本隔離驅(qū)動單元U1，正常開通。
全文摘要
本發(fā)明是一種大功率IGBT冗余驅(qū)動保護電路，其包括一個受控IGBT、基本隔離驅(qū)動單元U1、冗余隔離驅(qū)動單元U2和開關(guān)管單元U3，其中U1的輸入端與驅(qū)動信號Vin相連，U1的輸出端經(jīng)柵極電阻R1與IGBT柵極相連；U2的輸入端連接驅(qū)動信號Vin，U2的輸出端與U3的輸入端相連；U3的兩個輸出端分別與IGBT柵極和U1的內(nèi)部負偏置電壓端相連。本發(fā)明提供的大功率IGBT冗余驅(qū)動保護電路，具有以下優(yōu)點能夠降低IGBT關(guān)斷時的驅(qū)動電路內(nèi)阻抗，快速釋放浪涌電流，降低柵極電壓，防止IGBT誤導通，確保IGBT可靠關(guān)斷；當驅(qū)動信號開關(guān)頻率為25000Hz時，IGBT門級電壓下降時間小于500ns。
文檔編號H02H9/02GK102185286SQ20111011452
公開日2011年9月14日 申請日期2011年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月4日
發(fā)明者徐華中, 桂林, 陸寧 申請人:武漢理工大學