專利名稱：一種大功率絕緣柵雙極性晶體管的兩級(jí)有源門極控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)的應(yīng)用領(lǐng)域，涉及一種大功率絕緣 柵雙極性晶體管(IGBT)的驅(qū)動(dòng)電路，尤其是一種大功率絕緣柵雙極性晶體管的兩級(jí)有源 門極控制電路。
背景技術(shù)：
在絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)的使用中通常采用門極串聯(lián)驅(qū)動(dòng)電阻的方法，結(jié) 合并聯(lián)于IGBT集電極與發(fā)射極間的無源緩沖電路，實(shí)現(xiàn)IGBT的正常開關(guān)，并保證IGBT工 作于安全工作區(qū)內(nèi)。然而，對(duì)于大功率IGBT，其所處理的電能量具有電壓高，電流大的特點(diǎn)， 因此，在無源緩沖電路中產(chǎn)生大量的損耗，影響整個(gè)電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的可靠性；并且，由于無 源器件體積的問題，其安裝也存在很大困難。 上世紀(jì)九十年代，開始有國(guó)外學(xué)者從IGBT器件的全控性入手，提出通過改變開關(guān) 過程中門極電壓的方法取代傳統(tǒng)的無源緩沖電路，稱之為有源門極控制技術(shù)(Active Gate Control)。其中，針對(duì)IGBT關(guān)斷過電壓的有源門極控制技術(shù)研究最為廣泛。已有的方法多 采用一級(jí)反饋網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT關(guān)斷電壓的控制，通常延長(zhǎng)了 IGBT的整個(gè)關(guān)斷過程，使得 IGBT需要承受更大的損耗。也有方法為了提高IGBT的響應(yīng)速度，將反饋環(huán)節(jié)的增益設(shè)置得 很大，使得IGBT的關(guān)斷電壓很容易產(chǎn)生震蕩。以上兩種方法都需要使用與IGBT同電壓等 級(jí)的高壓電容組成反饋環(huán)節(jié)。還有方法通過高速數(shù)字處理器在IGBT關(guān)斷過程中切換不同 的門極驅(qū)動(dòng)電阻，這種方法成本高，電路復(fù)雜，可靠性差。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種大功率絕緣柵雙極性 晶體管的兩級(jí)有源門極控制電路，該控制電路針對(duì)現(xiàn)存的有源門極控制技術(shù)中存在的問 題，在IGBT關(guān)斷過程中引入兩級(jí)反饋，對(duì)IGBT的關(guān)斷過程進(jìn)行精確控制，從而提高有源門 極控制技術(shù)在損耗、穩(wěn)定性、可靠性、性價(jià)比方面的性能。 本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案來解決的 這種大功率絕緣柵雙極性晶體管的兩級(jí)有源門極控制電路，包括絕緣柵雙極性晶 體管，其特征在于在絕緣柵雙極性晶體管的集電極和門極之間連接一路瞬態(tài)抑制二極管 電路組，所述瞬態(tài)抑制二極管電路組由第一TVS串聯(lián)組和第二TVS串聯(lián)組串聯(lián)組成，瞬態(tài)抑 制二極管電路組的陰極端與絕緣柵雙極性晶體管的集電極連接，瞬態(tài)抑制二極管電路組的 陽極端通過第一二極管與絕緣柵雙極性晶體管的門極連接，所述第一 TVS串聯(lián)組并聯(lián)有第 一電容，第一TVS串聯(lián)組的陽極端連接有第二電容和第二二極管的串聯(lián)電路，所述第二二 極管的正極連接有第二三極管和第三三極管，所述第二三極管和第三三極管的基極均與第 二二極管的正極連接，第二三極管與第三三極管的發(fā)射極連接，第二三極管的發(fā)射極還連 接有第一電阻，第一電阻連接到絕緣柵雙極性晶體管的門極，第三三極管的集電極通過第 三三極管與第二三極管的負(fù)極連接，第二三極管的正極還連接有第二電阻，第二電阻連接有脈沖寬度調(diào)制。 上述第二三極管是NPN型三極管，所述第三三極管是PNP型三極管。 上述第二二極管的負(fù)極與第二電容連接。 本實(shí)用新型通過對(duì)IGBT關(guān)斷過程分段處理，利用TVS的電壓嵌位特性將關(guān)斷電壓 上升率在關(guān)斷過程的不同階段以不同的反饋系數(shù)反饋回IGBT門極電壓控制電路，通過動(dòng) 態(tài)的控制關(guān)斷過程中IGBT門極電壓，從而動(dòng)態(tài)的控制IGBT的關(guān)斷電流變化，高效的控制了 IGBT的關(guān)斷過電壓，優(yōu)化了由于延長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間所帶來的關(guān)斷損耗，同時(shí)可以達(dá)到關(guān)斷電壓 上升率的分段控制。 本實(shí)用新型取代了傳統(tǒng)的無源緩沖電路，相比現(xiàn)存的有源門極控制技術(shù)降低了關(guān) 斷損耗，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。電路中組成反饋網(wǎng)絡(luò)所使用的電容Q、C2的電壓等級(jí)都 遠(yuǎn)低于IGBT的電壓等級(jí)。同時(shí)，由于維持IGBT門極電壓在米勒平臺(tái)所需的反饋增益遠(yuǎn)小于 VCE過電壓抑制時(shí)所需的增益，因此Q遠(yuǎn)小于C2。對(duì)于變頻器的應(yīng)用，為了降低EMI，通常需 要降低IGBT關(guān)斷過程的dVcE/dt，此時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)Q的值實(shí)現(xiàn)。通過采用此實(shí)用新型， 就可以實(shí)現(xiàn)了對(duì)關(guān)斷電壓變化率和關(guān)斷過電壓的獨(dú)立控制。此外，本實(shí)用新型并未大幅改 變傳統(tǒng)的IGBT驅(qū)動(dòng)電路，易于疊加在已有驅(qū)動(dòng)電路之上。

圖1是IGBT的關(guān)斷波形以及關(guān)斷過程分段時(shí)間定義； 圖2是本實(shí)用新型的電路結(jié)構(gòu)圖； 圖3是采用本實(shí)用新型前后IGBT關(guān)斷波形對(duì)比圖； 圖4是使用基本有源控制方法的電路結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)描述 如圖1是大功率絕緣柵雙極性晶體管(即IGBT)的關(guān)斷波形以及關(guān)斷過程分段時(shí) 間定義，通過對(duì)IGBT關(guān)斷過程的分析，要達(dá)到抑制關(guān)斷過電壓的目的，必須降低關(guān)斷電流 的變化率，因此t卜fall的延長(zhǎng)是無法優(yōu)化的。然而，tv—rise的延長(zhǎng)是可以根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化 的。這一時(shí)間延長(zhǎng)只是為了保證在電流下降到來時(shí)，IGBT門極電壓依然保持在米勒平臺(tái)之 上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電流下降率的有效控制。 如圖2所示，本實(shí)用新型通過連接在IGBT的集電極和門極之間的一組串聯(lián)的瞬態(tài) 抑制二極管(即TVS)實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT關(guān)斷過程中VCE電壓的檢測(cè)和分級(jí)。本實(shí)用新型的連接 關(guān)系如下 在絕緣柵雙極性晶體管的集電極和門極之間連接一路瞬態(tài)抑制二極管電路組，所 述瞬態(tài)抑制二極管電路組由第一 TVS串聯(lián)組Z工和第二 TVS串聯(lián)組Z2串聯(lián)組成，瞬態(tài)抑制二 極管電路組的陰極端與絕緣柵雙極性晶體管的集電極連接，瞬態(tài)抑制二極管電路組的陽極 端通過第一二極管D工與絕緣柵雙極性晶體管的門極連接，所述第一TVS串聯(lián)組Z工并聯(lián)有 第一電容Q，第一TVS串聯(lián)組Z工的陽極端連接有第二電容(:2和第二二極管D2的串聯(lián)電路， 第二二極管D2的負(fù)極與第二電容C2連接，第二二極管D2的正極連接有第二三極管T2和第 三三極管T3，所述第二三極管T2和第三三極管T3的基極均與第二二極管^的正極連接，第
4二三極管T2與第三三極管T3的發(fā)射極連接，第二三極管T2的發(fā)射極還連接有第一電阻&， 第一電阻Ri連接到絕緣柵雙極性晶體管的門極，第三三極管T3的集電極通過第三三極管T3 與第二三極管T2的負(fù)極連接，第二三極管T2的正極還連接有第二電阻1 2，第二電阻1 2連接 有脈沖寬度調(diào)制P麗。其中第二三極管T2是NPN型三極管，第三三極管T3是PNP型三極管。 該控制電路得工作原理是這樣的當(dāng)絕緣柵雙極性晶體管1\兩端的電壓VCE低于 Z工的擊穿電壓時(shí)，通過第一電容&和第二電容C2串聯(lián)支路感應(yīng)電流i^，此電流與VCE上升 率成正比。ia流過02、 1 2，在R2上產(chǎn)生的壓降使得A點(diǎn)電壓升高，維持IGBT門極電壓在米 勒平臺(tái)之上。當(dāng)V^Q被Z工旁電壓高于Z工的擊穿電壓時(shí)路，通過G感應(yīng)電流i^，此電流依 然與V^上升率成正比。此實(shí)用新型通過設(shè)置Z工的的擊穿電壓為IGBT的穩(wěn)態(tài)斷態(tài)電壓，從 而，iC2直接反應(yīng)VCE的過電壓。通過調(diào)節(jié)C2的取值，即可達(dá)到對(duì)VCE過電壓的獨(dú)立控制。icl 和i^只是提供觸發(fā)作用，其作用將通過L、 T3組成的放大電路進(jìn)行功率放大，因此，在Q、 C2、 Z工產(chǎn)生的損耗很小。在緊急情況下，VeE可能無法通過C2得到足夠的控制，則VeE將超過 Z2的擊穿電壓，此時(shí)通過Z2感應(yīng)電流iz通過Di直接流入門極，控制門極電壓從而達(dá)到 限制l過電壓的作用。k遠(yuǎn)小于流過IGBT集電極的電流，因此實(shí)現(xiàn)有源門極控制技術(shù)的 電路所消耗的能量微乎其微。D"^保證反饋電流的單向流動(dòng)，防止驅(qū)動(dòng)電路額外的能量損 耗。D3為Q和G提供放電回路。 圖3是采用本實(shí)用新型前后IGBT關(guān)斷波形對(duì)比圖，圖中實(shí)線為所本實(shí)用新型的關(guān) 斷波形，虛線為未使用任何控制電路的的關(guān)斷波形，點(diǎn)畫線為使用基本有源控制方法的關(guān) 斷波形(其電路結(jié)構(gòu)如圖4所示)。藍(lán)色表征關(guān)斷電壓，紅色表征關(guān)斷電流，綠色表征門極 電壓。采用本實(shí)用新型與虛線相比有效地降低了關(guān)斷過電壓峰值，并且可以控制關(guān)斷電壓 上升率；與點(diǎn)畫線相比縮短了關(guān)斷時(shí)間，從而減小了關(guān)斷損耗，并且可以分段控制關(guān)斷電壓 上升率，靈活度高。
權(quán)利要求一種大功率絕緣柵雙極性晶體管的兩級(jí)有源門極控制電路，包括絕緣柵雙極性晶體管(T1)，其特征在于在絕緣柵雙極性晶體管(T1)的集電極和門極之間連接一路瞬態(tài)抑制二極管電路組，所述瞬態(tài)抑制二極管電路組由第一TVS串聯(lián)組(Z1)和第二TVS串聯(lián)組(Z2)串聯(lián)組成，瞬態(tài)抑制二極管電路組的陰極端與絕緣柵雙極性晶體管的集電極連接，瞬態(tài)抑制二極管電路組的陽極端通過第一二極管(D1)與絕緣柵雙極性晶體管的門極連接，所述第一TVS串聯(lián)組(Z1)并聯(lián)有第一電容(C1)，第一TVS串聯(lián)組(Z1)的陽極端連接有第二電容(C2)和第二二極管(D2)的串聯(lián)電路，所述第二二極管(D2)的正極連接有第二三極管(T2)和第三三極管(T3)，所述第二三極管(T2)和第三三極管(T3)的基極均與第二二極管(D2)的正極連接，第二三極管(T2)與第三三極管(T3)的發(fā)射極連接，第二三極管(T2)的發(fā)射極還連接有第一電阻(R1)，第一電阻(R1)連接到絕緣柵雙極性晶體管的門極，第三三極管(T3)的集電極通過第三三極管(T3)與第二三極管(T2)的負(fù)極連接，第二三極管(T2)的正極還連接有第二電阻(R2)，第二電阻(R2)連接有脈沖寬度調(diào)制(PWM)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率絕緣柵雙極性晶體管的兩級(jí)有源門極控制電路，其特 征在于所述第二三極管(T2)是NPN型三極管，所述第三三極管(T3)是PNP型三極管。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率絕緣柵雙極性晶體管的兩級(jí)有源門極控制電路，其特 征在于所述第二二極管(D2)的負(fù)極與第二電容(C2)連接。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種大功率絕緣柵雙極性晶體管的兩級(jí)有源門極控制電路，包括絕緣柵雙極性晶體管，在絕緣柵雙極性晶體管的集電極和門極之間連接一路瞬態(tài)抑制二極管電路組。本實(shí)用新型通過對(duì)IGBT關(guān)斷過程分段處理，利用TVS的電壓嵌位特性將關(guān)斷電壓上升率在關(guān)斷過程的不同階段以不同的反饋系數(shù)反饋回IGBT門極電壓控制電路，通過動(dòng)態(tài)的控制關(guān)斷過程中IGBT門極電壓，從而動(dòng)態(tài)的控制IGBT的關(guān)斷電流變化，高效的控制了IGBT的關(guān)斷過電壓，優(yōu)化了由于延長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間所帶來的關(guān)斷損耗，同時(shí)可以達(dá)到關(guān)斷電壓上升率的分段控制。本實(shí)用新型并未大幅改變傳統(tǒng)的IGBT驅(qū)動(dòng)電路，易于疊加在已有驅(qū)動(dòng)電路之上。
文檔編號(hào)H03K17/567GK201533294SQ20092003512
公開日2010年7月21日 申請(qǐng)日期2009年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月20日
發(fā)明者方雄, 李明, 王兆安, 王躍 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)