CN102723935A - 一种自关断器件驱动保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自关断器件驱动保护电路，具体包括正负电源、光耦隔离电路、控制电路、抗饱和电路、大功率晶体管、复合缓冲电路，控制信号电流经阻容滤波后输入光耦器件原方发光二极管的正极，光耦器件副方光敏三极管的发射极直接连接控制电路中芯片UAA4002的输入端，正电源通过开关接光敏三极管的集电极，正负电源分别连接芯片UAA4002的正负电源引脚，并分别连接后续上下两路对管的集电极，控制电路经限流电阻连接抗饱和电路，抗饱和电路并联在大功率晶体管的基极和集电极之间，而复合缓冲电路直接并联在大功率晶体管的集电极和发射极之间，从而提供一种电路结构简单、功能完善、可靠性高、开关损耗小、保护响应快的自关断器件驱动保护电路。

Description

一种自关断器件驱动保护电路

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种自关断器件驱动保护电路。 

背景技术

大功率晶体管等自关断器件驱动保护电路的作用是将控制电路输出的控制信号电流放大到足以保证自关断器件能可靠开通和关断。大功率晶体管的基极驱动方式直接影响其工作状况，可使某些特性参数得到改善或受到伤害，驱动保护电路应与主电路相互匹配，保证大功率晶体管在导通期间随时处于准饱和状态，关断时可迅速加上足够大的反偏电压，并有足够的保护功能。目前，大功率晶体管多采用带反偏压的基极驱动电路或者带过载、短路保护的基极驱动电路拓扑结构。前者电路中钳位二极管和电位补偿二极管可使大功率晶体管在导通时始终处于临界饱和状态，稳压管和反偏二极管可使大功率晶体管在截止时加速关断，但稳压管的稳压值较难确定，过低反偏效果不明显，过高则会损坏功率元件，并且可能产生高频寄生振荡。大功率晶体管等自关断器件的热容量一般都比较小，过电流能力很低，当其运行于逆变系统时，由于自身关断时间较长，容易导致桥臂短路故障，而后者电路采用状态识别保护在轻度过载情况下监测的灵敏度较低。以上分立元件驱动保护电路均存在元件多、电路复杂、稳定性欠佳和使用不便的缺点。 

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种自关断器件驱动保护电路，提供一种电路结构简单、功能完善、可靠性高、开关损耗小、响应速度快的大功率晶体管等自关断器件的驱动保护电路。 

本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 

一种自关断器件驱动保护电路，其改进之处在于，所述驱动保护电路包括正负电源、光耦隔离电路、控制电路、抗饱和电路、大功率晶体管、复合缓冲电路；电路的控制信号经阻容滤波后输入光耦器件原方发光二极管的正极，发光二极管的负极经电阻接地，光耦器件副方光敏三极管的发射极直接连接控制电路中芯片UAA4002的输入端，并通过电阻和开关接负电源，正电源通过开关接光敏三极管的集电极，正负电源分别连接芯片UAA4002的正负电源引脚，并分别连接后续上下两路对管的集电极，上下两路对管分别经阻容滤波后再通过限流电阻连接抗饱和电路，抗饱和电路并联在大功率晶体管的基极和集电极之间，控制电路中芯 片UAA4002通过电阻以及后续阻容滤波后分别连接上下两路对管的基极，其各内部整定端经外围电路与大功率晶体管的发射极共同接地，负电源通过开关和电阻与大功率晶体管的发射极连接，而复合缓冲电路直接并联在大功率晶体管的集电极和发射极之间。 

本发明提供的第二优选的技术方案是：所述光耦隔离电路包括阻容滤波环节、光耦器件、电阻，阻容滤波环节采用电阻电容并联结构，然后连接光耦器件原方发光二极管的正极，发光二极管的负极通过电阻接地，光耦器件副方光敏三极管的集电极通过开关连接正电源，发射极通过电阻和开关连接负电源，并且直接连接后续控制电路。 

本发明提供的第三优选的技术方案是：所述控制电路主要包括芯片UAA4002及其外围电路、上下两路对管及其附加电路，芯片UAA4002通过电阻以及阻容滤波环节分别连接上下两路对管的基极，其正负电源引脚分别直接连接正负电源，输入端直接连接前述光耦器件副方光敏三极管的发射极，各内部整定端分别经芯片外围电路与大功率晶体管的发射极共同接地，而上下两路对管的发射极分别连接正负电源，集电极分别通过阻容滤波环节再经过限流电阻连接后续抗饱和电路。 

本发明提供的第四优选的技术方案是：所述抗饱和电路采用贝克钳位电路拓扑结构，直接并联在大功率晶体管的基极和集电极之间，与前述控制电路之间通过限流电阻连接，其包括三条支路，第一条支路包括一个钳位二极管，该二极管采用快速恢复二极管，连接前述限流电阻和大功率晶体管的集电极；第二条支路包括两个串联的电位补偿二极管，该二极管均采用快速二极管，连接前述限流电阻和大功率晶体管的基极；第三条支路包括一个反并联的二极管，直接与前述第二条支路并联。 

本发明提供的第五优选的技术方案是：所述复合缓冲电路采用开通吸收电路与关断吸收电路的复合结构，直接并联在大功率晶体管的集电极和发射极之间，其包括电感、电阻、电容、二极管，电感串联在大功率晶体管的集电极，电阻、电容串联后并接在大功率晶体管与电感组成的支路上，二极管跨接在大功率晶体管与电感组成的支路和电阻电容组成的支路之间，与电感、电阻组成开通吸收电路，同时又与电阻、电容组成关断吸收电路。 

本发明由于采用上述技术方案，因而具备以下有益效果： 

1、本发明由于控制信号电流经光耦隔离电路后再输入控制芯片，先期进行阻容滤波，信号电流波形稳定理想，可实现最优化驱动，同时可为后续电路提供阻容保护，有效抑制过电压和振荡，并且光耦器件使驱动保护电路与逻辑电路、控制电路在电气上隔离，提高了整体电路的安全系数。2、本发明由于采用正负电源供电和后续上下两路对管的桥式结构，芯片UAA4002的输出信号可稳定驱动上下两路对管，从而推挽输出提供大功率晶体管基极开通与 关断的电流，该驱动电流足够大而且比较稳定，并且上下两路对管接有加速电容，可向大功率晶体管提供瞬时开关大电流从而大幅提高了开关速度。3、本发明由于控制电路中采用芯片UAA4002，该芯片具备输入接口、输出接口、保护三大功能，输入接口可采用电平输入方式或脉冲输入方式，输出接口正向最大输出电流可自动调节以保证大功率晶体管总处于准饱和状态，反向最大输出电流可保证大功率晶体管快速关断，另外，芯片UAA4002通过限制发射极电流来实现过电流保护，通过检测集电极电位来实现减饱和保护，固定时延以防止直通、短路或误动作，当芯片温度超过规定数值后可自动切断输出脉冲，当芯片温度降到极限值以下时自动恢复输出，总之，芯片UAA4002的保护功能齐全，包括集电极电流的限制、防止减饱和、导通时间间隔控制、电源电压监测、时延、热保护等，其使用大大简化了驱动保护电路的结构，提高了系统的稳定性、灵活性和集成度。4、本发明由于控制电路与抗饱和电路之间接有限流电阻，同时可作为基极电流采样电阻，检测方便、实时响应，并且提高了电路的安全性。5、本发明中抗饱和电路由于采用贝克钳位电路结构，该电路配以固定的反向基极电流或固定的基极发射极-反向偏压，即可获得较为理想的驱动效果，既可以提供足够大的基极电流使大功率晶体管处于饱和或准饱和状态，从而降低通态损耗保证大功率晶体管的安全，同时又提高了系统的效率，并且该电路中采用的均为快速恢复二极管和快速二极管，进一步提高了大功率晶体管的开关频率，另外，钳位二极管相当于溢流阀的作用，可使过量的基极驱动电流不流入基极，串联电位补偿二极管的数目调整可防止大功率晶体管进入深度饱和状态，而反向并联二极管则为大功率晶体管关断反向偏置提供了通路。6、本发明中复合缓冲电路系开通吸收电路和关断吸收电路的组合，简化了电路结构，其上电感延缓了集电极电流的增长速度，且当电流急剧增大时会产生较大压降而使集射极电压在导通时迅速下降，电阻可使大功率晶体管关断后续流电流迅速衰减，并可限制导通时电容的放电电流，二极管则可隔离电阻对电感、电容的旁路作用，而电容可延缓关断时集射极间电压的上升速度，从而大大提高了电路的安全性，降低了功率损耗。7、本发明提供的自关断器件驱动保护电路结构简单，易于实现，可靠性高，驱动效果理想，系统效率高，响应速度快，调节灵活，保护功能齐全，具有广阔的应用前景和市场潜力。 

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图； 

图2是本发明的自关断器件驱动保护电路实现示意图； 

图3是本发明的光耦隔离电路结构示意图； 

图4是本发明的抗饱和电路结构示意图； 

图5是本发明的复合缓冲电路结构示意图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。 

如图1、图2所示，本发明包括正负电源、光耦隔离电路、控制电路、抗饱和电路、大功率晶体管、复合缓冲电路。 

电路的控制信号经R1、C1阻容滤波后输入光耦器件O1原方发光二极管的正极，发光二极管的负极经电阻R2接地，光耦器件O1副方光敏三极管的发射极直接连接控制电路中芯片UAA4002的输入端，并通过电阻R3和开关S2接负电源-Vcc，正电源Vcc通过开关S1接光敏三极管的集电极，正负电源分别连接芯片UAA4002的正负电源引脚，并分别连接后续上下两路对管VT1、VT2的集电极，上下两路对管VT1、VT2分别经阻容滤波(R13、C8，R14、C9)后再通过限流电阻R15连接抗饱和电路(VD1、VD2、VD3、VD4)，抗饱和电路并联在大功率晶体管GTR的基极和集电极之间，控制电路中芯片UAA4002通过电阻R9、R10以及后续阻容滤波(R8、C6，R11、C7)后分别连接上下两路对管VT1、VT2的基极，其各内部整定端分别经芯片外围电路与大功率晶体管GTR的发射极共同接地，负电源-Vcc通过开关S2和电阻R16与大功率晶体管的发射极连接，而复合缓冲电路(Ls、Rs、VDs、Cs)直接并联在大功率晶体管GTR的集电极和发射极之间。 

上述实施例中，如图2、图3所示，电路的控制信号电流经R1、C1阻容滤波后再输入光耦器件O1原方发光二极管的正极，这里R1、C1利用电容两端电压不能突变的特性可有效抑制过电压，电阻R1可消耗部分过电压能量，对后续电路起到阻容保护的作用，同时抑制振荡，并保证光耦器件O1工作在线性区域。光耦器件O1使驱动保护电路与逻辑电路、控制电路在电气上隔离，原方发光二极管的负极经电阻R2接地，副方光敏三极管的发射极通过电阻R3和开关S2接负电源-Vcc，提高了整体电路的安全系数。 

上述各实施例中，如图2、图3所示，光耦隔离电路中的光耦器件O1副方光敏三极管的发射极直接连接控制电路中芯片UAA4002的输入端，正负电源Vcc、-Vcc分别连接芯片UAA4002的正负电源引脚，并分别连接后续上下两路对管VT1、VT2的集电极，从而为芯片UAA4002和上下两路对管VT1、VT2供电。芯片UAA4002是整个电路的核心器件，具备输入接口、输出接口、保护等功能，其输入接口可将前述控制信号与芯片UAA4002内部的逻辑处理器进行必要的匹配，输入选择端接高电平为电平输入方式，接低电平为脉冲输入方式，输出接口的作用 是提供驱动电流，正向最大输出电流可自动调节以保证大功率晶体管GTR总处于准饱和状态，反向最大输出电流可保证大功率晶体管GTR快速关断，正、反两个输出电流均可通过外接晶体管来进行扩展，以上特性大大简化了驱动保护电路的结构，提高了系统的稳定性、灵活性和集成度。芯片UAA4002具备丰富的保护功能，其中有集电极电流的限制、防止减饱和、导通时间间隔控制、电源电压监测、时延、热保护等。芯片UAA4002利用限制发射极电流的方法实现过电流保护，当分流器检测出电流超过规定值时，比较器状态发生变化，逻辑处理器发出封锁基极的信号。芯片UAA4002的输出端电压前沿相对于输入端电压前沿延迟时间的整定端接有电阻，从而可使控制电压前后沿间能保持1～20μs的固定时间延迟，防止发生直通、短路或误动作。当芯片UAA4002的温度超过规定数值后能自动切断输出脉冲，而当芯片温度降到极限值以下时自动恢复输出。此外，芯片UAA4002各内部整定端分别经芯片外围电路与大功率晶体管的发射极共同接地，提高了系统的稳定性，并可通过检测集电极电位实现减饱和保护。总之，芯片UAA4002及其外围电路构成了大规模集成化基极驱动电路的核心部分，保护功能齐全，技术性能优越。 

上述各实施例中，如图2、图3所示，控制电路中芯片UAA4002通过电阻R9、R10以及后续阻容滤波(R8、C6，R11、C7)后分别连接上下两路对管VT1、VT2的基极，与前述阻容环节一致，这里的电阻、电容以及上下两路对管VT1、VT2所接R13、C8、R14、C9均具有滤波、阻容保护、防止振荡的功能。上下两路对管VT1、VT2分别由正负电源供电，推挽输出提供大功率晶体管开通与关断的电流，其中C8、C9为加速电容，可提供瞬时开关大电流，从而提高了开关速度。 

上述各实施例中，如图2、图4所示，控制电路通过限流电阻R15连接抗饱和电路(VD1、VD2、VD3、VD4)，该电阻可同时作为基极电流采样电阻，检测方便、实时响应，提高了电路的安全性能。该抗饱和电路并联在大功率晶体管GTR的基极和集电极之间，采用贝克钳位电路结构，此电路拓扑配以固定的反向基极电流或固定的基极发射极-反向偏压，即可获得较为理想的驱动效果，既可以提供足够大的基极电流使大功率晶体管GTR处于饱和或准饱和状态，从而降低通态损耗保证大功率晶体管GTR的安全，同时又提高了系统的效率，并且该电路中采用的均为快速恢复二极管和快速二极管，进一步提高了大功率晶体管GTR的开关频率。其中钳位二极管VD1相当于溢流阀的作用，可使过量的基极驱动电流不流入基极。改变VD2支路中串联的电位补偿二极管(VD2、VD3)的数目可以改善电路的性能。如集电极电流很大时，由于集电极内部电阻两端压降增大会使大功率晶体管GTR处于深度饱和状态，在此情况下可适当增加VD2支路的二极管数目。为满足大功率晶体管GTR关断时所需的反向截止偏置，抗 饱和电路中反并联了二极管VD4，从而使反向偏置有通路。 

上述各实施例中，如图2、图5所示，复合缓冲电路直接并联在大功率晶体管GTR的集电极和发射极之间。该复合缓冲电路属于开通吸收电路和关断吸收电路的组合，其中Ls、Rs、VDs组成开通吸收电路，Rs、VDs、Cs组成关断吸收电路，简化了电路结构。在开通吸收电路中，与大功率晶体管串联的电感Ls可延缓集电极电流的增长速度，且当电流急剧增大时会产生较大压降而使集射极电压在导通时迅速下降，而电阻Rs可使大功率晶体管GTR关断后续流电流迅速衰减，二极管VDs则可隔离电阻Rs对电感Ls的旁路作用。在关断吸收电路中，电容Cs两端电压不可突变，可延缓关断时集射极间电压的上升速度，使集射极间电压达到峰值之前集电极电流已变小，而电阻Rs可限制导通时电容的放电电流，二极管VDs则可隔离电阻Rs对电容Cs的旁路作用，以充分利用电容的稳压作用。复合缓冲电路拓扑结构大大提高了整体电路的安全性，降低了功率损耗。 

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本发明后依然可对其具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，这些变更、修改或者等同替换，其均在其发明待批的权利要求范围之内。 

Claims (5)

1.一种自关断器件驱动保护电路，其特征在于，所述驱动保护电路包括正负电源、光耦隔离电路、控制电路、抗饱和电路、大功率晶体管、复合缓冲电路；电路的控制信号经阻容滤波后输入光耦器件原方发光二极管的正极，发光二极管的负极经电阻接地，光耦器件副方光敏三极管的发射极直接连接控制电路中芯片UAA4002的输入端，并通过电阻和开关接负电源，正电源通过开关接光敏三极管的集电极，正负电源分别连接芯片UAA4002的正负电源引脚，并分别连接后续上下两路对管的集电极，上下两路对管分别经阻容滤波后再通过限流电阻连接抗饱和电路，抗饱和电路并联在大功率晶体管的基极和集电极之间，控制电路中芯片UAA4002通过电阻以及后续阻容滤波后分别连接上下两路对管的基极，其各内部整定端经外围电路与大功率晶体管的发射极共同接地，负电源通过开关和电阻与大功率晶体管的发射极连接，而复合缓冲电路直接并联在大功率晶体管的集电极和发射极之间。

2.如权利要求1所述的一种自关断器件驱动保护电路，其特征在于，所述光耦隔离电路包括阻容滤波环节、光耦器件、电阻，阻容滤波环节采用电阻电容并联结构，然后连接光耦器件原方发光二极管的正极，发光二极管的负极通过电阻接地，光耦器件副方光敏三极管的集电极通过开关连接正电源，发射极通过电阻和开关连接负电源，并且直接连接后续控制电路。

3.如权利要求1所述的一种自关断器件驱动保护电路，其特征在于，所述控制电路主要包括芯片UAA4002及其外围电路、上下两路对管及其附加电路，芯片UAA4002通过电阻以及阻容滤波环节分别连接上下两路对管的基极，其正负电源引脚分别直接连接正负电源，输入端直接连接前述光耦器件副方光敏三极管的发射极，各内部整定端分别经芯片外围电路与大功率晶体管的发射极共同接地，而上下两路对管的发射极分别连接正负电源，集电极分别通过阻容滤波环节再经过限流电阻连接后续抗饱和电路。

4.如权利要求1所述的一种自关断器件驱动保护电路，其特征在于，所述抗饱和电路采用贝克钳位电路拓扑结构，直接并联在大功率晶体管的基极和集电极之间，与前述控制电路之间通过限流电阻连接，其包括三条支路，第一条支路包括一个钳位二极管，该二极管采用快速恢复二极管，连接前述限流电阻和大功率晶体管的集电极；第二条支路包括两个串联的电位补偿二极管，该二极管均采用快速二极管，连接前述限流电阻和大功率晶体管的基极；第三条支路包括一个反并联的二极管，直接与前述第二条支路并联。

5.如权利要求1所述的一种自关断器件驱动保护电路，其特征在于，所述复合缓冲电路采用开通吸收电路与关断吸收电路的复合结构，直接并联在大功率晶体管的集电极和发射极之间，其包括电感、电阻、电容、二极管，电感串联在大功率晶体管的集电极，电阻、电容串联后并接在大功率晶体管与电感组成的支路上，二极管跨接在大功率晶体管与电感组成的支路和电阻电容组成的支路之间，与电感、电阻组成开通吸收电路，同时又与电阻、电容组成关断吸收电路。

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