一種igbt驅動電路的製作方法
2023-10-07 01:53:14
專利名稱：一種igbt驅動電路的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及IGBT控制技術領域，尤其涉及IGBT驅動保護模塊
背景技術：
IGBT (絕緣柵雙極電晶體)作為一種既有功率MOSFET的高速交換功能，又有雙極 型電晶體的處理高電壓、大電流的能力的新型元件，其應用也來越廣泛。而驅動電路的設計決定著能否正常的元件的性能。此外，IGBT模塊可能由於過電 壓、過電流等異常情況而受損。IGBT的門極驅動電路影響IGBT器件的通態壓降、開關時間、 開關損耗、承受短路電流能力等參數，決定了 IGBT器件的靜態與動態特性。所以，IGBT保 護電路的合理設計也至關重要。目前現有的IGBT驅動電路多數基於驅動晶片EXB841，EX841高速驅動保護模塊 為15腳單列直插式結構，是一種典型的適用於300A以下的IGBT的專用驅動晶片，採用高 隔離電壓光耦合器作為信號隔離，具有單電源、正負偏壓、過流檢測、保護、軟關斷等主要特 性。工作電源為獨立電源20 士 IV，內部含有穩壓電路，為ICBT的柵極提供+15V的驅動電 壓，關斷時提供-5V的偏置電壓，使其可靠關斷。當腳15和腳14有IOmA電流通過時，腳3 輸出高電平而使IGBT在1 μ s內導通；而當腳15和腳14無電流通過時，腳3輸出低電平使 IGBT關斷；若ICBT導通時因承受短路電流而退出飽和，Vce迅速上升，腳6懸空，腳3電位 在短路後約3. 5 μ s後才開始軟關斷。然而，傳統的ΕΧΒ841驅動模塊存在一些缺點首先，ΕΧΒ841過流保護閥值過高， Vce大於7V時觸發動作，IGBT在正常導通時集射壓降為3V，當Vce = 7. 5V時，IGBT已經嚴 重過流，即使此時關斷IGBT，也極有可能使IGBT損壞。同時，由於此時ΕΧΒ841內部沒有鎖 定輸入信號的功能，因此，過流還會進一步損壞ΕΧΒ841 ；其次，ΕΧΒ841在實現正常關斷時僅 能提供-5V偏壓，在開關頻率較高、負載過大時，關斷過程不可靠；再次，ΕΧΒ841無過流保護 自鎖功能，在短路保護時其柵壓的軟關斷過程可能被輸入的關斷信號所打斷。現有的改進措施仍然存在幾點不足1. 一些設計並不能從根本上解決EXB841驅 動模塊的以上幾個缺點；2. —些設計雖然能夠在一定程度上較好的克服EXB841驅動模塊 的固有的缺點，但電路的連接過於複雜，製作的成本過高，導致在實際應用環節缺乏可行 性，也不能很好的解決實際問題。實用新型的內容本實用新型採用基於EXB841驅動晶片的驅動保護電路作為IGBT的驅動保護模 塊，不僅能夠有效地控制IGBT器件的開啟和關斷、實現對IGBT器件和EXB841驅動晶片的 保護，同時，通過對驅動保護模塊電路的改進，也能較好的克服EXB841晶片的上述幾個缺 點，而且電路設計簡單，成本低廉，易於維護。本實用新型是通過以下措施實現的本實用新型的一種IGBT驅動電路，所述驅動電路由用於供電的電源模塊和用於 驅動IGBT的驅動保護模塊組成，電源模塊包括UC3845晶片，驅動保護模塊包括EXB841晶片，所述電源模塊設置有+20V和+12V的直流電壓輸出端，所述+20V和+12V的直流電壓輸 出端連接驅動保護模塊的電壓輸入端。上述EXB841晶片U2的1腳通過電解電容C14接地，EXB841晶片U2的2腳通過電 解電容C15接地，EXB841晶片U2的6腳接二極體V9的正極，二極體V9的負極與IGBT的 集電極相連接。上述EXB841晶片U2的同相輸入端15腳接發光二極體V8的負極，發光二極體V8 的正極通過電阻R21接+12V電壓輸入端。上述EXB841晶片U2的驅動信號輸出端通過電阻R17與IGBT的柵極相連接。本實用新型具有的優點和效果是本實用新型設計的驅動電路有較強的動態驅動能力，能為IGBT器件柵極提供具 有陡峭前後沿的驅動脈衝，同時向IGBT器件提供適當的正向柵壓和反向柵壓。做到了信 號輸入迴路與信號輸出迴路的有效隔離，提高了電路正常工作時的安全性。採用的元器件 速度快，穩定性高，輸入輸出信號傳輸無延時，能達到較高的應用要求。在出現短路、過流等 意外情況時，能夠發出保護信號，控制驅動保護模塊對IGBT器件和相關電路進行保護，在 保護過程中，能在IGBT器件允許時間內通過逐漸降低柵壓自動抑制故障電流，實現IGBT器 件的軟關斷。另外，整個電路簡潔明了，元器件價格低廉，易於維護，十分適合於實際應用領 域。
圖1為本實用新型實施例中IGBT驅動電路結構框圖圖2為本實用新型實施例中基於UC3845的開關電源模塊的工作電路原理圖圖3為本實用新型實施例中基於EXB841的驅動保護模塊的工作電路原理圖
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型做進一步說明本實用新型實施例中的各模塊連接關係如附圖1所示，整個設計包括EXB841驅動 保護模塊，UC3845電流模式控制模塊和IGBT模塊，UC3845電流模式控制模塊為EXB841驅 動電路模塊提供兩路電源，分別是+20V和+12V，EXB841驅動保護模塊為IGBT器件提供驅 動信號。正常情況下，當EXB841晶片U2信號輸入端14腳和15腳有電流流過時，EXB841芯 片U2的3腳向IGBT器件提供驅動信號，使IGBT器件導通；當控制電路使EXB841晶片U2 信號輸入端14腳和15腳無電流流過，EXB841晶片U2的腳3電位能夠迅速下降至OV(相 對於EXB841晶片U2腳1低5V)，使IGBT器件可靠關斷。當發生過流現象時，EXB841晶片 U2阻止輸入信號的輸入，同時使EXB841晶片U2的腳3電位逐步下降，緩慢關斷IGBT器件， 實現對IGBT器件和EXB841晶片的保護。本實用新型實施例中的基於UC3845的開關電源模塊的工作電路如附圖2所示， UC3845控制模塊中包含UC3845晶片Ul 一片，穩壓管7812，三極體Ql，肖特基二極體V2，二 極管VI、二極體V4、二極體V5、二極體V6、二極體V7，電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電 阻R5、電阻R6、電阻R7、電阻R8、電阻R9、電阻R10、電阻R11、電阻R12、電阻R13、電阻R14、 電阻R15、電阻R16，電容Cl、電容C2、電容C3、電解電容C4、電容C5、電容C6、電解電容C7、
4電容C8、電容C9、電解電容C10、電容C11、電解電容C12、電解電容C13。其中UC3845晶片 Ul的1腳與電阻R2的一端相連接，電阻R2的另一端通過電阻Rl接地，電容Cl與電阻R2 並聯；UC3845晶片Ul的2腳通過電阻Rl接地；UC3845晶片Ul的3腳通過電容C6接地，同 時接電阻R9的一端，電阻R9的另一端通過電容C9接地，同時接電阻R12的一端，電阻R12 的另一端通過電阻R14接地；UC3845晶片Ul的4腳通過電容C3接地，與UC3845晶片Ul的 8腳之間通過電阻R3相連接；UC3845晶片Ul的5腳接地；UC3845晶片Ul的8腳通過電容 C2接地；電源輸入迴路中，輸入電流通過二極體Vl流入迴路，二極體Vl的負極接電阻R5的 一端，電阻R5的另一端通過R6與UC3845晶片Ul的7腳相連接，同時從開關變壓器Tl上 的4端接入繞組，繞組的另一端3端接二極體V4的正極與三極體Ql的源極，二極體V4的 負極接電阻R13，電容C8並聯在電阻R13兩端，另外，肖特基二極體V2的正極接地，負極與 UC3845晶片Ul的7腳相連接，UC3845晶片Ul的7腳通過電容C4接地，三極體Ql的柵極 通過電阻R8與UC3845晶片Ul的6腳相連接，三極體Ql的漏極通過電阻R14接地；反饋回 路中，反饋繞組在開關變壓器Tl上的2端與二極體V7的正極相連接，二極體V7的負極通 過電阻R4與UC3845晶片Ul的2腳相連接，二極體V7的負極通過電阻R16接地，電容C13 與電阻R16並聯；電壓輸出迴路中，開關變壓器Tl上的8端二極體V6的正極，二極體V6的 負極為+20伏電壓輸出端，二極體V6的負極通過電阻R15接地，電容C12與電阻R15並聯， 開關變壓器Tl上的6端接二極體V5的正極，二極體V5的負極接穩壓管7812的1腳(正 極輸入端)，穩壓管7812的2腳接地，穩壓管7812的3腳(正極輸出端)為+20伏電壓輸 出端，穩壓管7812的1腳通過電阻Rll與穩壓管7812的3腳相連接，穩壓管7812的3腳 通過電容C7與穩壓管7812的2腳相連接，穩壓管7812的2腳通過電容ClO與穩壓管7812 的1腳相連接。電壓輸出迴路為驅動電路提供穩定的+20伏和+12伏電壓。如附圖2所示，輸入電壓經由二極體VI，電阻R5和電阻R6組成的整流濾波電路變 為直流電壓，該電壓經電阻R5、電阻R6對電容C4充電，使電容C4兩端的電壓逐漸上升，當 UC3845晶片Ul的7腳(VCC端)達到導通門限電壓(16V)後，UC3845晶片Ul開始工作。 開關變壓器Tl的反饋繞組兩端電壓經二極體V7和電容C13整流濾波及電阻R16、電阻Rl 分壓後，從2腳送入UC3845晶片Ul的誤差放大器反相輸入端，反饋電壓與基準電壓經誤差 放大器比較放大後，調整UC3845晶片Ul的輸出脈衝的寬度，從而穩定輸出電壓。電流反饋迴路由電流取樣電阻R14和電阻R9、電阻R12、電容C6和電容C9組成 的濾波電路組成。電阻R14兩端的取樣電壓經3腳加到UC3845晶片Ul內的電流比較器 的一個輸入端，與另一端的誤差電壓進行比較，當該電壓等於誤差電壓(最大值為IV)時， UC3845晶片Ul的輸出脈衝被中斷，從而實現限流保護。該電源採用直接驅動電路，電阻R8的作用是限制峰值驅動電流，電阻R2、電容Cl 組成誤差放大器的補償網絡，電阻R3、電容C2和電容C3確定振蕩頻率和死區時間，電阻 R13、電容C8、二極體V4及電阻R11、電容C7、電容C10、二極體V5和7812組成浪湧吸收電 路以保護開關管。另外，在UC3845晶片Ul的6腳對地之間通過電阻R7、電容C4和電容C5 接一個肖特基二極體V2，以防止輸出端電壓低於地電位。開關電源在UC3845晶片Ul輸出 驅動脈衝的作用下，開關管交替導通與關斷，開關變壓器的次級可得到交流電壓。該電壓經 整流濾波後，可獲得穩定的直流輸出電壓。本實用新型實施例中的驅動保護模塊EXB841的工作電路如圖3所示，EXB841驅動晶片及其相關外部連接元件模塊包含EXB841晶片U2，光耦合器U3(6W37)，電解電容C14、 電解電容C15，二極體V9，發光二極體V8，發光二極體V10，三極體Q2，電阻R18、電阻R19、電 阻R20、電阻R21、電阻R22和電阻R23。其中EXB841晶片U2的15腳(同相驅動信號輸入 端)接發光二極體V8的負極，發光二極體的正極通過電阻R12與+12伏直流電壓源相連接； EXB841晶片U2的14腳(反相驅動信號輸入端)與三極體Q2的集電極(C極)相連接，三 極管Q2的發射極(E極)通過電阻R20與地連接，輸入驅動信號通過電阻R19與三極體Q2 的基極(B極)相連接，三極體Q2的發射極同時與光耦合器U3(6W37)的內部三極體的發射 極相連接，光耦合器U3(6W37)的內部三極體的集電極通過電阻R22與+12伏直流電壓源 相連接；EXB841晶片U2的10腳、11腳懸空；EXB841晶片U2的9腳接地；EXB841晶片U2 的7、8腳懸空；EXB841晶片U2的6腳通過電阻R18接地，同時6腳(集電極電壓檢測端) 接二極體V9的正極，二極體V9的負極與IGBT器件的集電極(C極)相連接；EXB841晶片 似的5腳(過流保護輸出端)與光耦合器U3(6W37)的內部的發光二極體負極相連接，光 耦合器U3(6W37)的內部的發光二極體的正極與二極體VlO的負極相連接，二極體VlO的 正極通過電阻R23與+20伏直流電壓源相連接；EXB841晶片U2的4腳懸空；EXB841晶片 U2的3腳(驅動輸出端)通過電阻R17與IGBT的柵極(G極)相連接；EXB841晶片U2的 2腳與電解電容C15的正極相連接，電解電容C15的負極接地；EXB841晶片U2的1腳與電 解電容C14的正極相連接，電解電容C14的負極接地，1腳同時也與IGBT器件的發射極(E 極)相連接。驅動晶片EXB841 U2的1腳和2腳分別通過電容接地，達到濾除高頻噪聲的目的； 信號正輸入端(驅動晶片EXB841的15腳)經過電阻R21直接和電源相連，這樣可以有效的 提高EXB841輸入光耦合器的導通電流；當驅動晶片EXB841的3腳輸出驅動信號的同時，驅 動晶片EXB841通過快速恢復二極體檢測IGBT的集電極-發射極間的電壓(Vce)。當Vce 大於7V時，過流保護電流控制晶片內置運算放大器，使其輸出軟關斷信號，在10 μ s內將驅 動晶片ΕΧΒ841的3腳輸出電平降為0。為了保證IGBT在發生過流時ΕΧΒ841的6腳能及時 檢測到過流信號，採用降低Vce的閾值的方法，在快速恢復二極體後面再串接相同規格的 快速恢復二極體，個數根據保護閾值而定，保證在IGBT輕度過流時，能夠有效的關斷。如附圖3所示，DRIVER_IN為驅動晶片EXB841晶片U2的外部輸入信號，是來自於 主控板的弱電信號；三極體Q2的集電極(C極)接驅動晶片EXB841晶片U2的信號負輸入端 (14腳)，信號正輸入端(15腳)經過限流電阻R21直接和電源相連，這樣可以有效的提高 EXB841晶片U2輸入光耦合器U3(6M37)的導通電流，其中二極體V8用於指示輸入信號。正常情況下，EXB841晶片U2的5腳保持高電平，光耦合器U3 (6N137)截止，從而 使光耦合器U3(6W37)內部的三極體也截止，光耦合器U3(6W37)內部三極體發射極與三 極管Q2的發射極相連，使三極體Q2的發射極為低電平，使EXB841晶片U2的輸入信號通 過R19正常進入內部，完成IGBT導通過程，其中光耦合器U3 (6N137)實現了強弱電的隔離， 保護了元器件的安全。當發生過流現象時，光耦合器U3(6W37)內部二極體導通，使得光耦合器 U3(6N137)內部三極體導通，三極體Q2的發射極變為高電平，阻止了三極體Q2基極信號的 輸入，在EXB841晶片U2內部沒有信號流動，從而關斷了 IGBT器件，有效保護EXB841和IGBT 器件的安全，圖中二極體VlO用於指示過流現象的發生。當過流現象消除後，EXB841的輸入信號會被自動解鎖，繼續驅動IGBT器件工作。圖中的Q3是用於實現大電流開關的IGBT 器件。本實用新型的設計原理為以UC3845晶片為核心的開關電源模塊輸出+20伏和+12伏的直流電壓，提供給驅 動保護模塊，同時也為電路其他部分提供電壓源。在以驅動晶片EXB841為核心的驅動保護 模塊中，驅動晶片EXB841的1腳和2腳分別通過電容接地，達到濾除高頻噪聲的目的；信號 正輸入端(驅動晶片EXB841的15腳)經過限流電阻直接和電源相連，這樣可以有效的提 高EXB841輸入光耦合器的導通電流；當驅動晶片EXB841的3腳輸出驅動信號的同時，驅動 晶片EXB841通過快速恢復二極體檢測IGBT的集電極-發射極間的電壓(Vce)。當Vce大 於7V時，過流保護電流控制晶片內置運算放大器，使其輸出軟關斷信號，在10 μ s內將驅動 晶片ΕΧΒ841的3腳輸出電平降為0。為了保證IGBT在發生過流時ΕΧΒ841的6腳能及時 檢測到過流信號，採用降低Vce的閾值的方法，在快速恢復二極體後面再串接相同規格的 快速恢復二極體，個數根據保護閾值而定，保證在IGBT輕度過流時，能夠有效的關斷。正常 情況下，當ΕΧΒ841晶片信號輸入端14腳和15腳有電流流過時，ΕΧΒ841晶片的3腳向IGBT 器件提供驅動信號，使IGBT器件導通；當控制電路使ΕΧΒ841晶片信號輸入端14腳和15腳 無電流流過，ΕΧΒ841的腳3電位能夠迅速下降至0V，使IGBT器件可靠關斷。當發生過流 現象時，ΕΧΒ841晶片通過外部保護電路作用，阻止輸入信號的輸入ΕΧΒ841晶片的反向輸入 端，在ΕΧΒ841內部沒有信號流動，使ΕΧΒ841的驅動信號輸出端3腳電位逐步下降，緩慢關 斷IGBT器件，實現對IGBT器件和ΕΧΒ841晶片的保護。
權利要求1.一種IGBT驅動電路，其特徵是所述驅動電路由用於供電的電源模塊和用於驅動 IGBT的驅動保護模塊組成，電源模塊包括UC3845晶片，驅動保護模塊包括EXB841晶片，所 述電源模塊設置有+20V和+12V的直流電壓輸出端，所述+20V和+12V的直流電壓輸出端 連接驅動保護模塊的電壓輸入端。
2.根據權利要求1所述的IGBT驅動保護電路，其特徵是所述EXB841晶片U2的1腳 通過電解電容C14接地，EXB841晶片U2的2腳通過電解電容C15接地，EXB841晶片U2的 6腳接二極體V9的正極，二極體V9的負極與IGBT的集電極相連接。
3.根據權利要求1所述的一種IGBT驅動保護電路，其特徵是所述EXB841晶片U2的 同相輸入端15腳接發光二極體V8的負極，發光二極體V8的正極通過電阻R21接+12V電 壓輸入端。
4.根據權利要求1所述的一種IGBT驅動保護電路，其特徵是所述EXB841晶片U2的 驅動信號輸出端通過電阻R17與IGBT的柵極相連接。
專利摘要本實用新型涉及一種IGBT驅動電路，整個設計主要包括基於UC3845的開關電源模塊和基於EXB841晶片的驅動模塊。以UC3845晶片為核心的開關電源模塊輸出+20伏和+12伏的直流電壓，提供給驅動模塊，同時也為電路其它部分提供電源。正常情況下，當EXB841信號輸入端14引腳和15引腳有電流流過時，EXB841的3引腳向IGBT提供驅動信號，使IGBT導通；當控制電路使EXB841晶片信號輸入端14引腳和15引腳無電流流過時，EXB841的3引腳電位能夠迅速下降至關斷電位(相對於EXB841的1引腳低5V)，使IGBT可靠關斷。當發生過流現象時，EXB841阻止輸入信號的輸入，同時使EXB841的3引腳電位逐步下降，緩慢關斷IGBT，實現對IGBT的保護。
文檔編號H02H7/20GK201898324SQ20102057773
公開日2011年7月13日 申請日期2010年10月14日 優先權日2010年10月14日
發明者展鑫, 王立華 申請人:山東科技大學