本實用新型涉及一種電子電路技術(shù)，特別是一種應(yīng)用于全控型電力電子器件的驅(qū)動保護電路。

背景技術(shù)：

全控型電力電子器件(IGBT、MOSFET等)在當(dāng)今的工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，如高鐵、動車組中的能量變換模塊、太陽能、風(fēng)能發(fā)電中的電能逆變模塊、各類工業(yè)伺服驅(qū)動中逆變模塊等，實現(xiàn)電能變換的核心功率器件就是全控型電力電子器件(IGBT、MOSFET等)。大功率全控型電力電子器件(IGBT、MOSFET等)不同于普通晶體管、晶閘管等，該類器件需要配備專用的驅(qū)動保護電路。對大功率全控型電力電子器件的驅(qū)動保護中非常重要的一個環(huán)節(jié)就是對其發(fā)生過流時的保護，如何能及時準(zhǔn)確的檢測到過流情況，并能在過流時安全可靠地關(guān)斷大功率全控型電力電子器件是驅(qū)動保護電路設(shè)計的關(guān)鍵。然而，目前市面上的驅(qū)動電路或側(cè)重于對過流情況的檢測，或沒有能實現(xiàn)對大功率全控型電力電子器件進行安全可靠的關(guān)斷，因此，限制了該類驅(qū)動電路的應(yīng)用范圍。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種應(yīng)用于全控型電力電子器件的驅(qū)動保護電路，包括、電源VCC、柵極驅(qū)動電路、柵極電阻換擋電路、Vce電壓檢測保護電路、短路信號FAULT輸出電路；其中電源VCC用于提供工作電壓；柵極驅(qū)動電路輸入端接PWM脈沖，用于給電力電子器件提供輸出功率和PWM脈沖；柵極電阻換擋電路用于當(dāng)電力電子器件處于工作狀態(tài)時電力電子器件具有較小的關(guān)斷時間，或當(dāng)電力電子器件處于過流狀態(tài)時電力電子器件具有較大的關(guān)斷時間；V_ce電壓檢測保護電路用于檢測電力電子器件在導(dǎo)通器件時是否發(fā)生過流；短路信號FAULT輸出電路用于在電力電子器件在導(dǎo)通器件發(fā)生過流時，輸出FAULT信號給控制端。

本實用新型涉及的電路具有較強的驅(qū)動能力，可實現(xiàn)對目標(biāo)器件發(fā)生過流時的檢測保護，能夠迅速、安全、可靠的關(guān)斷目標(biāo)器件，同時給控制側(cè)輸出過流信號。本電路具有信號傳輸延遲小、參數(shù)可配置、穩(wěn)定可靠、成本低、外形尺寸小、適用性強等特點。

下面結(jié)合說明書附圖對本實用新型作進一步描述。

附圖說明

圖1為本實用新型實施電路的原理圖。

圖2為本實用新型實施電路中輸入PWM脈沖在各點的典型時序示意圖。

圖3為本實用新型實施電路中Vce電壓檢測保護電路動作時各點的典型時序示意圖。

具體實施方式

結(jié)合圖1，一種應(yīng)用于全控型電力電子器件的驅(qū)動保護電路，包括、電源VCC、柵極驅(qū)動電路、柵極電阻換擋電路、V_ce電壓檢測保護電路、短路信號FAULT輸出電路；其中

電源VCC用于提供工作電壓；

柵極驅(qū)動電路輸入端接PWM脈沖，用于給電力電子器件Q3提供輸出功率和PWM脈沖；

柵極電阻換擋電路用于

當(dāng)電力電子器件Q3處于工作狀態(tài)時電力電子器件Q3具有較小的關(guān)斷時間，

當(dāng)電力電子器件Q3處于過流狀態(tài)時電力電子器件Q3具有較大的關(guān)斷時間；

V_ce電壓檢測保護電路用于檢測電力電子器件Q3在導(dǎo)通器件時是否發(fā)生過流；

短路信號FAULT輸出電路用于在電力電子器件Q3在導(dǎo)通器件發(fā)生過流時，輸出FAULT信號給控制端.

圖2中輸入PWM信號的占空比為50％，電源電壓為15V，第一穩(wěn)壓二極管DZ1的穩(wěn)壓數(shù)值為10V，第二穩(wěn)壓二極管DZ2的穩(wěn)壓數(shù)值為10V，第十七電阻R17的阻值為10KΩ。

一個提供工作電壓的電源VCC，本實例中VCC選取15V。

柵極驅(qū)動電路，由電源電壓VCC、第十三電阻R13、第一N溝道場效應(yīng)管Q1、第二P溝道場效應(yīng)管Q2、第十四電阻R14、第十五電阻R15、第十六電阻R16。主要作用是給第三電力電子器件Q3提供足夠高的輸出功率和滿足開關(guān)特性要求的PWM脈沖。其中，第十三電阻R13的一端接入PWM脈沖，另一端分別接至第一N溝道場效應(yīng)管Q1和第二P溝道場效應(yīng)管Q2的柵極，第一N溝道場效應(yīng)管Q1的漏極接至電源電壓VCC，第十四電阻R14的一端接至第一N溝道場效應(yīng)管Q1的源極，第十四電阻R14的另一端接至第三電力電子器件Q3的柵極，第二P溝道場效應(yīng)管Q2的源極接至GND，第二P溝道場效應(yīng)管Q2的漏極分別經(jīng)過第十五電阻R15和第十六電阻R16后接至第三電力電子器件Q3的柵極。

柵極驅(qū)動電路的具體工作過程及原理：正常情況下，第八二極管D8的陰極為高電平電位，因此輸入PWM脈沖可以正常控制第一N溝道場效應(yīng)管Q1和第二P溝道場效應(yīng)管Q2的導(dǎo)通和關(guān)斷。當(dāng)輸入PWM脈沖為高電平時，第一N溝道場效應(yīng)管Q1導(dǎo)通，第二P溝道場效應(yīng)管Q2關(guān)斷，此時電源電壓VCC經(jīng)過柵極電阻R14驅(qū)動第三電力電子器件Q3導(dǎo)通；當(dāng)輸入PWM脈沖為低電平時，第一N溝道場效應(yīng)管Q1關(guān)斷，第二P溝道場效應(yīng)管Q2導(dǎo)通，而此時第五N溝道場效應(yīng)管Q5導(dǎo)通，儲存在第三電力電子器件Q3柵極上的電荷會經(jīng)過第五N溝道場效應(yīng)管Q5、第十五電阻R15和第二P溝道場效應(yīng)管Q2對GND放電，從而使第三電力電子器件Q3關(guān)斷。

柵極電阻換擋電路，包括電源電壓VCC、第五N溝道場效應(yīng)管Q5、第二電壓比較器U2、第二電阻R2、第三二極管D3、第二電容C2、第二二極管D2、第一電容C1、第一穩(wěn)壓二極管DZ1和第一電阻R1。主要作用是可以根據(jù)第三電力電子器件Q3正常工作和發(fā)生過流時，提供不同的關(guān)斷回路電阻，當(dāng)?shù)谌娏﹄娮悠骷3正常工作時，柵極電阻換擋電路會使第五N溝道場效應(yīng)管Q5處于導(dǎo)通狀態(tài)，從而使第十六電阻R16被旁路，此時關(guān)斷回路電阻近似為第十五電阻R15，第三電力電子器件Q3具有較小的關(guān)斷時間，關(guān)斷損耗減??；當(dāng)?shù)谌娏﹄娮悠骷3發(fā)生過流時，柵極電阻換擋電路會使第五N溝道場效應(yīng)管Q5處于關(guān)斷狀態(tài)，從而使第十六電阻R16處于關(guān)斷回路中，此時關(guān)斷回路電阻近似為第十五電阻R15和第十六電阻R16之和，第三電力電子器件Q3具有較大的關(guān)斷時間，從而更好地抑制了因關(guān)斷產(chǎn)生di/dt，防止第三電力電子器件Q3因承受過高的電壓而被擊穿損壞。其中，第二電阻R2一端接至電源電壓VCC，第二電阻R2另一端接至第二電壓比較器U2的引腳3，第二電壓比較器U2的引腳4接至第四二極管D4的陰極，第二電壓比較器U2的輸出端接至第二二極管D2的陽極，第二二極管D2的陰極接至第三電壓比較器U3的輸出端，第三二極管D3的陰極接至第三電壓比較器U3的輸出端，第三二極管D3的陽極接至第二電壓比較器U2的引腳3，第二電容C2的一端接至第二電壓比較器U2的引腳3，第二電容C2的另一端接至第二電壓比較器U2的輸出端，第一穩(wěn)壓二極管DZ1的陰極接至第二電壓比較器U2的輸出端，第一穩(wěn)壓二極管DZ1的陽極經(jīng)第一電阻R1接至GND，第一電容C1并聯(lián)在第一穩(wěn)壓二極管DZ1的兩端。

柵極電阻換擋電路的具體工作過程及原理：正常情況下，第三電壓比較器U3輸出端為高電平電位，第三二極管D3會正向截止，因此第二電壓比較器U2的引腳3為高電平電位，即第二電壓比較器U2的引腳3上的電壓為電源電壓15V，而因為第二穩(wěn)壓二極管DZ2的穩(wěn)壓數(shù)值為10V，所以第二電壓比較器U2的引腳4被限制為10V，于是第二電壓比較器U2輸出高電平電位，第一電容C1、第一穩(wěn)壓二極管DZ1和第一電阻R1構(gòu)成了一個穩(wěn)壓電路，由于第一穩(wěn)壓二極管DZ1的穩(wěn)壓數(shù)值為10V，因此當(dāng)?shù)诙妷罕容^器U2輸出高電平電位時，X2點的電位為5V，所以第五N溝道場效應(yīng)管Q5導(dǎo)通，于是第十六電阻R16被旁路。當(dāng)輸入PWM脈沖為高電平時，第一N溝道場效應(yīng)管Q1導(dǎo)通，此時電源電壓VCC經(jīng)過柵極電阻R14驅(qū)動第三電力電子器件Q3導(dǎo)通；當(dāng)輸入PWM脈沖為低電平時，第二P溝道場效應(yīng)管Q2導(dǎo)通，儲存在第三電力電子器件Q3柵極上的電荷會經(jīng)過第五N溝道場效應(yīng)管Q5、第十五電阻R15和第二P溝道場效應(yīng)管Q2對GND放電。在此過程中，導(dǎo)通回路阻抗近似為第十四電阻R14的阻值，關(guān)斷回路的阻抗近似為第十五電阻R15的阻值，結(jié)合圖2，第三電力電子器件Q3柵極上的電位變化過程如PWM_OUT1所示，此時具有較小的關(guān)斷時間t_down1。當(dāng)發(fā)生第三電力電子器件Q3在導(dǎo)通器件發(fā)生過流情況時，第三電壓比較器U3輸出端在經(jīng)過Δt(該時間在V_ce電壓檢測保護電路的工作原理中詳細介紹)時間之后由高電平電位變?yōu)榈碗娖诫娢弧４藭r第三二極管D3會正向?qū)?，因此第二電壓比較器U2的引腳3為低電平電位，即第二電壓比較器U2的引腳3上的電壓為電源電壓0V，而因為第二穩(wěn)壓二極管DZ2的存在，所以第二電壓比較器U2的引腳4仍為10V，于是第二電壓比較器U2輸出低電平電位，X2點的電位被第一電阻R1拉低到低電平電位，所以第五N溝道場效應(yīng)管Q5關(guān)斷。當(dāng)輸入PWM脈沖為高電平時，第一N溝道場效應(yīng)管Q1導(dǎo)通，此時電源電壓VCC經(jīng)過柵極電阻R14驅(qū)動第三電力電子器件Q3導(dǎo)通；當(dāng)輸入PWM脈沖為低電平時，第二P溝道場效應(yīng)管Q2導(dǎo)通，儲存在第三電力電子器件Q3柵極上的電荷會經(jīng)過第十六電阻R16、第十五電阻R15和第二P溝道場效應(yīng)管Q2對GND放電。在此過程中，導(dǎo)通回路阻抗近似為第十四電阻R14的阻值，關(guān)斷回路的阻抗近似為第十五電阻R15和第十六電阻R16的阻值之和。結(jié)合圖2，第三電力電子器件Q3柵極上的電位變化過程如PWM_OUT2所示，此時具有較大的關(guān)斷時間t_down2。在正常情況下和發(fā)生過流情況時，第三電力電子器件Q3的導(dǎo)通時間不變，均為t_up。上面的工作機制實現(xiàn)了柵極電阻換擋的功能。

V_ce電壓檢測保護電路，由第一施密特反相器U1、第一二極管D1、第三電容C3、第四電阻R4、第五電阻R5、第二穩(wěn)壓二極管DZ2、第四電容C4、第四二極管D4、第五二極管D5、第六電阻R6、第五電容C5、第三電阻R3、電源電壓VCC、第七電阻R7、第六二極管D6、第七二極管D7、第八電阻R8、第十二電阻R12、第八電容C8、第三電壓比較器U3、第六電容C6、第八二極管D8、第十九電阻R19、第四施密特反相器U4、第五施密特反相器U5和第十八電阻R18組成。主要作用是檢測第三電力電子器件Q3在導(dǎo)通器件是否發(fā)生過流，若發(fā)生了過流，V_ce電壓檢測保護電路就會觸發(fā)柵極電阻換擋電路，增大第三電力電子器件Q3關(guān)斷回路的阻抗，同時會立即阻斷PWM輸入信號，避免給第三電力電子器件Q3造成進一步損壞，最后通過短路信號FAULT輸出電路輸出FAULT脈沖。其中，第一施密特反相器U1的輸入端接入PWM脈沖，第一施密特反相器U1的輸出端接至第一二極管D1的陽極，第一二極管D1的陰極通過第三電容C3接至GND，第五電阻R5并聯(lián)在第三電容C3的兩端，第四電阻R4的一端接至第一二極管D1的陰極，第四電阻R4的另一端接至第二穩(wěn)壓二極管DZ2的陰極，第二穩(wěn)壓二極管DZ2的陽極接至GND，第四電容C4并聯(lián)在第二穩(wěn)壓二極管DZ2的兩端，第五二極管D5的陽極接至GND，第五二極管D5的陰極接至第四二極管D4的陽極，第四二極管D4的陰極接至第二穩(wěn)壓二極管DZ2的陰極，第六電阻R6并聯(lián)在第四二極管D4的兩端，第五電容C5并聯(lián)在第五二極管D5的兩端，電源電壓VCC經(jīng)第三電阻R3接至第二穩(wěn)壓二極管DZ2的陰極，第七電阻R7的一端接至第五二極管D5的陰極，第七電阻R7的另一端接至第六二極管D6的陽極，第六二極管D6的陰極接至第七二極管D7的陽極，第七二極管D7的陰極接至第三電力電子器件Q3的發(fā)射極，第八電阻R8的一端接至第五二極管D5的陰極，第八電阻R8的另一端接至第三電壓比較器U3的引腳1，第六電容C6的一端接至第三電壓比較器U3的引腳1，第六電容C6的另一端接至第三電壓比較器U3的輸出端，第八電容C8的一端接至第三電壓比較器U3的引腳1，第八電容C8的另一端接至第三電壓比較器U3的引腳2，第十二電阻R12的一端接至第一二極管D1的陰極，第十二電阻R12的另一端接至第三電壓比較器U3的引腳2，第十八電阻R18的一端接至GND，第十八電阻R18的另一端接至第四施密特反相器U4的輸入端，第四施密特反相器U4的輸入端接至第二二極管D2的陰極，第四施密特反相器U4的輸出端接至第五施密特反相器U5的輸入端，第五施密特反相器U5的輸出端接至第八二極管D8的陰極，第八二極管D8的陽極連接PWM脈沖，第十九電阻R19的一端接至GND，第十九電阻R19的另一端接至第五施密特反相器U5的輸出端。

V_ce電壓檢測保護電路的具體工作過程和原理：正常情況下，當(dāng)輸入PWM脈沖為低電平時，第三電力電子器件Q3關(guān)斷，同時，PWM脈沖經(jīng)過第一施密特反相器U1后輸出高電平，該高電平電位使第一二極管D1正向?qū)ǎ⑶覍Φ谌娙軨3和第五電阻R5組成的阻容網(wǎng)絡(luò)充電，由于充電回路的阻抗非常小，而第三電容C3的容值在pF級數(shù)值，因此可以認(rèn)為充電過程為瞬間完成，充電完成后X1點的電位近似為電源電壓15V，結(jié)合圖2，即u_up1值為15V。一般情況下，在第三電力電子器件Q3關(guān)斷時，加在第三電力電子器件Q3集電極和發(fā)射極之間的電壓遠遠大于電源電壓15V，結(jié)合圖2，即u_up2值遠遠大于15V，因此第六二極管D6和第七二極管D7正向截止。由電源電壓VCC、第三電阻R3、第四電容C4、第二穩(wěn)壓二極管DZ2構(gòu)成一個穩(wěn)壓系統(tǒng)，第二穩(wěn)壓二極管DZ2的穩(wěn)壓數(shù)值為10V，因此C點的電位固定為10V，由第六電阻R6和第五電容C5構(gòu)成了分壓阻容電路，由于第五電容C5的直流容抗遠大于第六電阻R6的阻抗，并且第六二極管D6和第七二極管D7均正向截止，因此D點的電位近似為10V。由第八電阻R8、第十二電阻R12、第三電壓比較器U3構(gòu)成電壓比較器，由于X點的電位近似為15V，D點的電位近似為10V，因此第三電壓比較器U3輸出高電平。

當(dāng)輸入PWM脈沖為高電平時，第三電力電子器件Q3導(dǎo)通，PWM脈沖經(jīng)過第一施密特反相器U1后輸出低電平，該低電平電位使第一二極管D1正向截止，之前儲存在第三電容C3上的電荷通過五電阻R5開始放電，放電過程結(jié)束后X1點的電位值由第四電阻R4和第五電阻R5組成的分壓網(wǎng)絡(luò)決定，根據(jù)前面的分析可知，C點的電位固定為10V，因此X1點的電位近似為：

$v_{x1}=\frac{R5}{R5+R4}\·10V$

放電時間的長短由第三電容C3的容值決定，放電時間常數(shù)τ：

τ＝RC

結(jié)合圖2，放電過程結(jié)束后X1點的電位為u_delay1，即v_x1的值。整個放電過程持續(xù)時間為t_dealy1。

而此時，第三電力電子器件Q3開始導(dǎo)通，加在集電極和發(fā)射極之間的電壓迅速下降，結(jié)合圖2，第三電力電子器件Q3充分導(dǎo)通后，集電極和發(fā)射極之間的電壓由u_up2降為u_delay2，整個過程持續(xù)時間為t_dealy2。

在進行電路設(shè)計時，合理配置各器件參數(shù)使u_dealy2的數(shù)值小于u_deal1的數(shù)值，并且t_dealy2的數(shù)值小于t_dealy1的數(shù)值，即第三電力電子器件Q3在更短的時間內(nèi)使集電極和發(fā)射極之間的電壓下降到一個更小的數(shù)值，忽略第六二極管D6和第七二極管D7均正向?qū)▔航?，則D點的電位始終小于X1點的電位，因此第三電壓比較器U3一直輸出高電平。

而只要第三電壓比較器U3輸出高電平就不會觸發(fā)柵極電阻換擋電路動作，輸入PWM脈沖可以正?？刂频谌娏﹄娮悠骷3導(dǎo)通和關(guān)斷，F(xiàn)AULT的輸出為低電平。

當(dāng)?shù)谌娏﹄娮悠骷3在導(dǎo)通過程中發(fā)生過流，此時第三電力電子器件Q3集電極和發(fā)射極之間的電壓迅速上升，電壓值迅速超過電源電壓15V，因此第六二極管D6和第七二極管D7均正向截止，則D點的電位開始上升，上升后最終的數(shù)值近似等于10V。結(jié)合圖3做進一步說明，第一個周期是正常情況下的時序變化，實線表示X1點電位的變化過程，虛線表示D點電位的變化過程，由圖可知，u_dealy2的數(shù)值小于u_deal1的數(shù)值，t_dealy2的數(shù)值小于t_dealy1的數(shù)值，在整個開關(guān)周期內(nèi)D點的電位始終小于X1點的電位。第二個周期是過流情況下的時序變化，在第三電力電子器件Q3導(dǎo)通過程中，在E點發(fā)生過流，此后D點的電位開始上升并在F點開始大于X1點的電位，最后上升至接近10V。從第三電力電子器件Q3開始導(dǎo)通到F點之間的時間為Δt。根據(jù)前面的分析知，當(dāng)F點開始D點的電位大于X1點的電位時，則第三電壓比較器U3的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖剑@一過程會觸發(fā)柵極電阻換擋電路動作，并立即封鎖輸入PWM脈沖，同時觸發(fā)短路信號FAULT輸出電路動作。上面的工作機制實現(xiàn)了對V_ce電壓的檢測和對目標(biāo)器件的保護。

短路信號FAULT輸出電路，包括第九電阻R9、第七電容C7、電源電壓VCC、第十電阻R10、第四PNP晶體管Q4、第十一電阻R11。主要作用是在第三電力電子器件Q3在導(dǎo)通器件發(fā)生過流時，輸出脈沖FAULT給控制端。其中，第九電阻R9的一端接至電源電壓VCC，第九電阻R9的另一端接至第三電壓比較器U3的輸出端，第七電容C7的一端接至第三電壓比較器U3的輸出端，第七電容C7的另一端接至第四PNP晶體管Q4的基極，第十電阻R10的一端接至電源電壓VCC，第十電阻R10的另一端接至第四PNP晶體管Q4的基極,第四PNP晶體管Q4的發(fā)射極接至電源電壓VCC，第四PNP晶體管Q4的集電極經(jīng)第十一電阻R11接至GND，第四PNP晶體管Q4的集電極輸出FAULT脈沖。

短路信號FAULT輸出電路的具體工作過程和原理：正常情況下，第三電壓比較器U3的輸出端為高電平電位，而第四PNP晶體管Q4的基極電位近似為電源電壓VCC，因此第四PNP晶體管Q4不導(dǎo)通，所以第四PNP晶體管Q4的集電極電位被第十一電阻R11下拉到低電平地位，F(xiàn)AULT為低電平；當(dāng)?shù)谌娏﹄娮悠骷3在導(dǎo)通時發(fā)生過流情況，則第三電壓比較器U3的輸出端由高電平電位變?yōu)榈碗娖诫娢唬谑堑谄唠娙軨7瞬間的交流阻抗非常小，此時第四PNP晶體管Q4的基極電位是第七電容C7與第十電阻R10對電源電壓VCC分壓之后的值，而此值必然小于電源電壓VCC，因此第四PNP晶體管Q4會瞬間導(dǎo)通，同時，電源電壓VCC經(jīng)第十電阻R10對第七電容C7充電，充電過程結(jié)束后，第四PNP晶體管Q4的基極電位重新近似為電源電壓VCC，此時第四PNP晶體管Q4由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?。在這個過程中，第十一電阻R11上出現(xiàn)一個高電平脈沖，脈沖的寬度與第七電容C7充電時間有關(guān)。上述工作機制實現(xiàn)了在發(fā)生過流時，短路信號FAULT輸出電路對外輸出故障FAULT脈沖的功能。

柵極保護電路，由第九電容C9和第十七電阻R17組成，其中第九電容C9用作平滑電容，尤其是全控型電力電子器件發(fā)生短路時，可以減小柵極的振蕩，第十七電阻R17用于在供電電壓VCC在被關(guān)斷的情況下，確保全控型電力電子器件處于可靠的關(guān)斷狀態(tài)。第九電容C9的一端接至第三電力電子器件Q3的柵極，第九電容C9的另一端接至第三電力電子器件Q3的發(fā)射極，第十七電阻R17并聯(lián)在第九電容C9的兩端。

柵極保護電路的具體工作過程和原理：選擇阻值為10KΩ的第十七電阻R17置于第三電力電子器件Q3的柵極和發(fā)射極之間，可以在供電電壓VCC在被關(guān)斷的情況下，防止在第三電力電子器件Q3的柵極形成電荷積累而導(dǎo)致電位升高，最終導(dǎo)致第三電力電子器件Q3的意外導(dǎo)通。第九電容C9可以在第三電力電子器件Q3正常到導(dǎo)通時有效的過濾掉柵極電位出現(xiàn)的高頻振蕩，減小第三電力電子器件Q3被柵極和發(fā)射極之間的高幅值脈沖損壞的幾率。