CN103199827A - 一种igbt的保护电路、驱动电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种IGBT的保护电路，该IGBT保护电路通过4个不同功能的并联电路，连接在IGBT栅极与驱动器之间。在IGBT不同的开关阶段，接入不同阻值的电阻，实现加速开启和过流关断保护等功能。该保护电路不仅结构简单、易于实现、成本低廉，而且还可以有效提高IGBT开通关断的时间，同时在IGBT出现过流短路等异常现象时，可以更好的保护IGBT。

Description

一种IGBT的保护电路、驱动电路及控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域，尤其涉及IGBT的控制领域，具体地是一种IGBT栅极驱动控制技术。

背景技术

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）具有高频率、高电压、大电流、尤其是容易开通和关断的性能特点，是国际上公认的电力电子技术第三次革命的最具代表性的产品，至今已经发展到第六代，商业化已发展到第五代。目前，IGBT已广泛应用于国民经济的各行业中。

在IGBT应用中，驱动电路性能可以决定IGBT的高频应用中的开关频率，开关损耗和安全工作等，对IGBT器件的性能起着极其重要的作用。传统的驱动电路技术可以使IGBT进行一般的开关，并不能完全体现IGBT器件的高性能；而IGBT模块最为脆弱的就是其栅极，对于其栅极的保护也相对较多。目前市场上通用的保护方式是限流、过压和钳位保护，如图1所示：1为IGBT驱动器或电路，2为IGBT栅极电阻，3为钳位电阻，4为过压保护，5为IGBT；这些都可以保证IGBT在正常工作状态的安全运行。然而由于该IGBT驱动电路的栅极电阻2的阻值通常以IGBT参考手册上的标准电阻设定，在开启过程中会出现一定的开关损耗，增加IGBT的响应时间，降低了IGBT的灵敏度。现有技术中，在提高IGBT开关频率和降低开关损耗方面，主要通过尽量降低IGBT器件栅极电阻的阻值和在电路中加入加速升压电路来实现。然而这些处理方式又会存在如下的问题：

（1）现有技术中采用的选用较小的栅极电阻可以一定程度减小IGBT开关损耗，但是这种方法容易引起关断的速度过快，引起IGBT器件损坏，这种方法对IGBT的保护不够完善。

（2）现有技术中采用加速升压电路会很大程度增加设计的复杂性和成本，同时增加驱动电路的寄生电参数。

随着电子技术的发展，出现了更多IGBT的驱动技术用以实现IGBT的高性能工作，但是这些技术实现起来非常复杂，增加了设计成本，同时增加了驱动电路的寄生参数。所以如何实现一种简单高效的驱动方式变的至关重要。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种IGBT的保护电路。该保护电路不仅能够解决现有驱动技术中的关断保护不完善，电路设计复杂，成本高，寄生参数大等问题，而且还能减少IGBT的开启时间，使IGBT的性能得到提升。

根据上述目的提出的一种IGBT保护电路，设置于IGBT栅极和驱动器之间，包括并联在IGBT栅极上的第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，该四个电阻分别具有独立控制通断的开关，其中所述第一电阻为IGBT栅极标准电阻，用以作为栅极电压标准开关电阻；所述第二电阻的阻值小于所述第一电阻，用于作为栅极电压加速升压电阻；所述第三电阻的阻值大于所述第一电阻，用于作为第一过流关断电阻；所述第四电阻的阻值介于所述第三电阻和第一电阻之间，用于作为第二过流关断电阻。

优选的，所述控制四个电阻通断的开关为一组MOSFET管。

优选的，所述IGBT保护电路还包括用于检测IGBT工作状态的检测模块和开关驱动模块，所述MOSFET管连接在该开关驱动模块上。

同时，本发明还提出了一种IGBT驱动电路，包括IGBT驱动器，以及如上所述的IGBT保护电路，所述IGBT驱动器通过所述IGBT驱动保护电路连接在IGBT栅极上。

优选的，所述IGBT驱动器中设有检测模块用于检测IGBT工作状态的检测模块和开关驱动模块，所述IGBT驱动保护电路中的开关为一组MOSFET管，该组MOSFET管连接在所述开关驱动模块上。

最后本发明还提出了一种IGBT控制方法，该IGBT设有如上所述的驱动电路，在开启阶段：开关驱动模块驱动第二电阻导通，使IGBT加速升压，检测模块对IGBT进行实时检测，当检测模块检测到IGBT的电压达到IGBT导通需求的电压时，开关驱动模块驱动第一电阻导通，IGBT模块进入正常导通状态；在工作阶段：当检测模块检测到IGBT短路时，IGBT模块进入过流关断状态，此时开关驱动模块驱动第三电阻导通，使IGBT模块的栅极电压下降幅度减缓，然后开关驱动模块驱动第四电阻导通，使栅极电压进一步下降至关断电压，最后切换到第一电阻对IGBT进行正常关断。

与现有技术相比，本发明的保护电路不仅结构简单、易于实现、成本低廉，而且还可以有效提高IGBT开通关断的时间，同时在IGBT出现过流短路等异常现象时，可以更好的保护IGBT。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种现有的IGBT驱动电路结构图。

图2是本发明的IGBT保护电路结构图。

图3是在IGBT开启阶段的栅极电压、集电极发射极电压和集电极发射极电流的曲线图。

图4是在IGBT遇到短路情况紧急关断时的栅极电压、集电极发射极电压和集电极发射极电流的曲线图。

具体实施方式

正如背景技术中所述，现有的IGBT驱动电路中，由于栅极电阻的阻值固定，在同时实现快速开启和过流关断保护的技术中，往往需要加入结构复杂的保护电路来实现，这种方法不仅提高了电路的设计和制作成本，同时也给IGBT驱动电路带来了许多额外的寄生电参数。

因此，本发明提出了一种IGBT的驱动保护电路，能够解决现有驱动技术中的关断保护不完善，电路设计复杂，成本高，寄生参数大等问题。该IGBT驱动保护电路通过4个不同功能的并联电路，连接在IGBT栅极与驱动器之间。在IGBT不同的开关阶段，接入不同阻值的电阻，实现加速开启和过流关断保护等功能。

下面，将通过具体实施方式来说明本发明的技术方案。

请参见图2，图2是本发明的IGBT保护电路的结构示意图。如图所示，该IGBT保护电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4，该四个电阻以并联的形式接在IGBT栅极上和驱动器（图中未示出）之间，每个电阻分别具有独立控制通断的开关。其中第一电阻R1为IGBT栅极标准电阻，用以作为栅极电压标准开关电阻，该第一电阻R1的阻值参考IGBT用户手册上的标准电阻阻值而定，比如对于额定电流为50A的IGBT，该栅极标准电阻的阻值一般选取在10-20欧姆之间，而对于额定电流为100A的IGBT，该栅极标准电阻的阻值则选取在5-10欧姆之间。

第二电阻R2的阻值小于第一电阻R1，用于作为栅极电压加速升压电阻。该第二电阻R2的阻值选取视IGBT的使用情况而定，在一些需要对于IGBT快速开启的应用场合，可以将该第二电阻R2的阻值设定为远小于第一电阻R1的阻值，比如当第一电阻R1的值为10欧姆时，该第二电阻R2的阻值比如为0.1欧姆至1欧姆之间。这样一来，在IGBT开启阶段，可以使用该第二电阻R2作为栅极电阻，以起到对IGBT栅极的加速升压。而当栅极电压达到IGBT的开启电压之后，切换到标准的栅极电阻即第一电阻R1上，保证IGBT的正常运行。

第三电阻R3的阻值大于第一电阻R1，用于作为第一过流关断电阻；第四电阻R4的阻值介于第三电阻R3和第一电阻R1之间，用于作为第二过流关断电阻。这两个电阻的主要主用是在IGBT工作时，遇到短路的情况。此时由于IGBT短路，会在短时间内产生较大的电流，如果立即以标准电阻-第一电阻R1进行关断，会使得IGBT在瞬间产生的变化电压过大，导致IGBT的损坏。因此本发明通过先以阻值远大于第一电阻R1的第三电阻R3进行关断，使得IGBT的栅极电压变化幅度控制在一个较小的范围内，然后再以较小的第四电阻R4进行关断，使IGBT得栅极电压能够以平缓的方式过渡到关断电压，最后再以第一电阻进行正常关断，彻底杜绝IGBT的瞬间电压变化巨大引起的感应电流、感应电压对于IGBT的负面作用。在具体应用中，当第一电阻R1的阻值为10-20欧姆时，该第三电阻的阻值比如是50-100欧姆，该第四电阻的阻值比如是30-50欧姆。

通过上述四个不同功能的电阻，在IGBT的不同状态下选择对应的电阻，可以实现对IGBT的驱动保护，并使得IGBT的性能得到提升。对于该四个电阻的切换，可以通过一个多极开关实现，也可以通过多个单级开关实现。如图2中列举的实施方式中，是通过在每个电阻上串联一组MOSFET管作为开关，驱动不同的MOSFET管开启时，即可使对应的电阻接入驱动电路中，实现对电阻的选择切换。具体应用时，还可以在该保护电路中加入一个检测单元和一个开关驱动单元，该检测单元用来检测IGBT的工作状态，在开启和关闭时对IGBT的栅极电压做检测分析，并判断是否需要进行电阻的切换动作。而该开关驱动单元则连接在每个开关上，并根据上述检测单元的判断结果，选择开启合适的开关，接入对应的电阻。在一种实施方式中，该检测单元和该开关驱动单元可以单独设置，与四个电阻和开关一起形成保护电路。在另一种实施方式中，该检测单元与开关驱动单元可以集成在驱动器中，使得该驱动器和保护电路共同组成对IGBT的驱动电路。

下面将结合图3和图4，对如何利用上述IGBT驱动保护电路实现对IGBT的控制方法做详细说明。

图3是在IGBT开启阶段的栅极电压、集电极发射极电压和集电极发射极电流的曲线图。其中，曲线1是栅极电压曲线，曲线2是集电极发射极电压曲线，曲线3是集电极发射极电流曲线，横坐标是时间轴，单位是1us/格。在开启的起始时刻，开关驱动模块驱动第二电阻导通，使IGBT加速升压，检测模块对IGBT进行实时检测，当检测模块检测到IGBT的电压达到IGBT导通需求的电压时，开关驱动模块驱动第一电阻导通，IGBT模块进入正常导通状态。为了加快驱动IGBT开通时的速度，可以设定R2远小于IGBT用户手册中的设定值，这样IGBT可以开通过程可以很大程度减小延迟，栅极电压可以最快达到使得IGBT导通电压，加速升压过程如图中示，从图中可以看出如果设定+15V为完全开通电压，在从-15V开始开通时，栅极电阻设定为R2，栅极电压可以最快速度达到IGBT导通需要的电压（加速升压截止点），然后切换电阻为R1。

图4是在IGBT遇到短路情况紧急关断时的栅极电压、集电极发射极电压和集电极发射极电流的曲线图。其中，曲线1’是栅极电压曲线，曲线2’是集电极发射极电压曲线，曲线3’是集电极发射极电流曲线，横坐标是时间轴，单位是2us/格。在IGBT正常工作中，当检测模块检测到IGBT短路时，IGBT模块进入过流关断状态，此时IGBT如果以正常用户手册中的电阻关断，可能会造成IGBT损坏。因此在本发明中开关驱动模块首先驱动第三电阻导通，使IGBT模块的栅极电压下降幅度减缓，然后开关驱动模块驱动第四电阻导通，使栅极电压进一步下降至关断电压，最后切换到第一电阻对IGBT进行正常关断。如图3所示，本方案中在检测到IGBT出现过流短路状态需要关断时（假设-15V为关断电压），先将栅极电阻切换为R3，使得栅极电压小幅下降，然后切换至R4，实现进一步关断，最后切换至R1,以正常栅极电阻使得栅极电压降至-15V，这样可以保护IGBT在应用过程中，出现过流短路等异常情况，也可以对IGBT完整保护。

综上所述，本发明提出了一种IGBT的保护电路，该IGBT保护电路通过4个不同功能的并联电路，连接在IGBT栅极与驱动器之间。在IGBT不同的开关阶段，接入不同阻值的电阻，实现加速开启和过流关断保护等功能。与现有技术相比，本发明的保护电路不仅结构简单、易于实现、成本低廉，而且还可以有效提高IGBT开通关断的时间，同时在IGBT出现过流短路等异常现象时，可以更好的保护IGBT。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种IGBT保护电路，设置于IGBT栅极和驱动器之间，其特征在于：包括并联在IGBT栅极上的第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，该四个电阻分别具有独立控制通断的开关，其中所述第一电阻为IGBT栅极标准电阻，用以作为栅极电压标准开关电阻；所述第二电阻的阻值小于所述第一电阻，用于作为栅极电压加速升压电阻；所述第三电阻的阻值大于所述第一电阻，用于作为第一过流关断电阻；所述第四电阻的阻值介于所述第三电阻和第一电阻之间，用于作为第二过流关断电阻。

2.如权利要求1所述的IGBT保护电路，其特征在于：所述控制四个电阻通断的开关为一组MOSFET管。

3.如权利要求2所述的IGBT保护电路，其特征在于：所述IGBT保护电路还包括用于检测IGBT工作状态的检测模块和开关驱动模块，所述MOSFET管连接在该开关驱动模块上。

4.一种IGBT驱动电路，其特征在于：包括IGBT驱动器，以及如权利要求1所述的IGBT保护电路，所述IGBT驱动器通过所述IGBT驱动保护电路连接在IGBT栅极上。

5.如权利要求4所述的IGBT驱动电路，其特征在于：所述IGBT驱动器中设有检测模块用于检测IGBT工作状态的检测模块和开关驱动模块，所述IGBT驱动保护电路中的开关为一组MOSFET管，该组MOSFET管连接在所述开关驱动模块上。

6.一种IGBT控制方法，该IGBT设有如权利要求5所述的驱动电路，其特征在于：

在开启阶段：开关驱动模块驱动第二电阻导通，使IGBT加速升压，检测模块对IGBT进行实时检测，当检测模块检测到IGBT的电压达到IGBT导通需求的电压时，开关驱动模块驱动第一电阻导通，IGBT模块进入正常导通状态；

在工作阶段：当检测模块检测到IGBT短路时，IGBT模块进入过流关断状态，此时开关驱动模块驱动第三电阻导通，使IGBT模块的栅极电压下降幅度减缓，然后开关驱动模块驱动第四电阻导通，使栅极电压进一步下降至关断电压，最后切换到第一电阻对IGBT进行正常关断。

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