一種igbt驅動的有源鉗位電路的製作方法
2023-09-23 03:00:10
一種igbt驅動的有源鉗位電路的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種IGBT驅動的有源鉗位電路，包括依次連接在所述IGBT的集電極和柵極之間的第一瞬態電壓抑制二極體、第二瞬態電壓抑制二極體、二極體、限流電阻，所述第二瞬態電壓抑制二極體並聯有電容和放電電阻。實現了IGBT動態有源鉗位和靜態有源鉗位的保護。該電路結構簡單，通用性強，可以根據各種應用場合進行有源鉗位電壓的參數設置，可以應用在各種工況下的IGBT驅動電路設計中。
【專利說明】—種IGBT驅動的有源鉗位電路
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及電力機車用變流器，尤其涉及一種電力機車用變流器的IGBT驅動的有源鉗位電路。
【背景技術】
[0002]IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型電晶體)集功率場效應管(MOSFET)和雙極性功率電晶體(BJT)的優點於一身，既具有輸入阻抗高、開關速度快，熱穩定性好和驅動電路簡單的特點，又具有通態電壓低、耐壓高和承受電流大等優點，因此在現代電力電子技術中得到越來越廣泛的應用。
[0003]IGBT應用的關鍵技術之一是過電壓抑制。過電壓抑制不僅直接關係到IGBT本身的工作特性和運行安全，還影響到整個系統的性能和安全。IGBT在正常情況關斷時會產生一定的電壓尖峰，但是數值不會太高，但在變流器過載或者橋臂短路時，如果要關斷管子，產生的電壓尖峰則非常高，此時IGBT非常容易被打壞。
[0004]有源鉗位電路的目標是鉗住IGBT的集電極電位，使其不要到達太高的水平，如果關斷時產生的電壓尖峰太高，或者太陡，都會使IGBT受到威脅。所以有源鉗位電路通常在故障狀態下才會動作，正常時不工作。
[0005]在現有技術方案中一種典型有源鉗位電路，如圖1所示。該電路結構簡單，動態性能好，響應速度快。該電路屬於靜態有源鉗位，在電力機車用的變流器應用中，由於母線電壓較高且波動較大往往會高於有源鉗位動作的電壓點，若不處理，有源鉗位會進入連續動作的狀態，容易損壞驅動電路。針對此情況專業的IGBT驅動電路生產商CONCEPT公司開發的驅動核採用高級動態有源鉗位DA2C技術，通過專用ASIC去控制部分TVS管短接來改變有源鉗位電壓閥值，如圖2所示。
[0006]現有技術中，廣泛使用的IGBT驅動電路是可以通過商業手段獲得的獨立集成驅動晶片，如CONCEPT公司；這種集成驅動晶片不僅驅動能力有限，而且很難實現對線路中的參數進行靈活調節，因此這種獨立集成驅動晶片無法滿足電力機車在不同應用場景下對IGBT驅動電路的驅動能力和線路保護能力進行靈活調節的需求；另一方面，由於電力機車上的電磁環境十分惡劣，而獨立集成驅動晶片很容易會受到電磁幹擾發生故障，因此現有技術中，獨立集成驅動晶片往往無法在電力機車的複雜環境下保證IGBT變流器能夠安全可靠運行，基本採用專門設計的驅動電路。
實用新型內容
[0007]本實用新型的主要目的是提供一種電力機車用變流器的IGBT驅動的有源鉗位電路，該電路在典型有源鉗位電路的基礎上進行改進，實現了 IGBT動態有源鉗位和靜態有源鉗位的保護。該電路結構簡單，通用性強，可以根據各種應用場合進行有源鉗位電壓的參數設置，可以應用在各種工況下的IGBT驅動電路設計中。
[0008]本實用新型的目的是通過以下技術方案實現的:
[0009]本實用新型的IGBT驅動的有源鉗位電路，該部分電路為IGBT驅動電路的一部分，連接在變流器的IGBT的集電極和柵極之間，包括依次連接在所述IGBT的集電極和柵極之間的第一瞬態電壓抑制二極體、第二瞬態電壓抑制二極體、二極體、限流電阻，所述第二瞬態電壓抑制二極體並聯有電容和放電電阻。
[0010]由上述本實用新型提供的技術方案可以看出，本實用新型實施例所提供的IGBT驅動的有源鉗位電路，由於包括依次連接在所述IGBT的集電極和柵極之間的第一瞬態電壓抑制二極體、第二瞬態電壓抑制二極體、二極體、限流電阻，所述第二瞬態電壓抑制二極體並聯有電容和放電電阻，實現了動態有源鉗位和靜態有源鉗位的結合:當IGBT導通瞬態時，IGBT的集-射電壓被鉗位在穩壓值Utvs = UTVS1+UTVS2，此時有源鉗位電路相當於一個保護電路，避免過電壓發生；當IGBT關斷瞬態時分三種情況，當IGBT的集-射電壓小於UTVSi時，此時有源鉗位電路不需要工作，IGBT的功率損耗也較低；當IGBT的集-射電壓大於UTVSi時，瞬態電壓抑制二極體TVSl被擊穿，電容c流過反饋電流Ic = CdVCE/dt，該電流對門級充電，使得VGE電壓下降變緩，保持在IGBT柵級閥值電壓以上，此時集電極電流處於可控狀態，也可理解為電容c並聯在IGBT的柵-集極之間，增大了 IGBT的柵-集極電容Cgc ;當IGBT的集-射電壓大於Utvs時，即出現過電壓，瞬態電壓抑制二極體TVSl和TVS2都導通，IGBT和TVS相互作用抑制過電壓等同於典型有源鉗位電路。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為現有技術方案典型IGBT驅動有源鉗位電路的結構示意圖；
[0012]圖2為現有技術方案CONCEPT驅動提供的動態有源鉗位電路的結構示意圖；
[0013]圖3為本實用新型實施例提供的IGBT驅動的有源甜位電路的結構不意圖；
[0014]圖4為本實用新型實施例提供的IGBT驅動的有源甜位電路的電路原理圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。
[0016]本實用新型的IGBT驅動的有源鉗位電路，該部分電路為IGBT驅動電路的一部分，連接在變流器的IGBT的集電極和柵極之間，包括依次連接在所述IGBT的集電極C和柵極G之間的第一瞬態電壓抑制二極體TVS1、第二瞬態電壓抑制二極體TVS2、二極體D、限流電阻R，所述第二瞬態電壓抑制二極體TVS2並聯有電容c和放電電阻Re。
[0017]所述IGBT的集電極C與所述第一瞬態電壓抑制二極體TVSl的陰極電連接，所述第一瞬態電壓抑制二極體TVSl的陽極與所述第二瞬態電壓抑制二極體TVS2的陰極電連接，所述第二瞬態電壓抑制二極體TVS2的陽極與二極體D的陽極電連接，所述二極體D的陰極與所述限流電阻R的一端連接，所述限流電阻R的另一端連接到所述IGBT的柵極G。
[0018]需要說明的是，本實用新型實施例所提供的IGBT驅動有源鉗位電路主要適用於電壓為3300V甚至更高的電力機車變流器。下面開始對該IGBT有源鉗位電路驅動電路進行詳細描述。
[0019]如圖3所示，一種IGBT驅動有源鉗位電路為IGBT驅動電路的一部分，連接在變流器的IGBT的集電極和柵極之間，其具體結構可以包括:瞬態電壓抑制二極體TVSl和TVS2、二極體D、電容c、放電電阻Re、限流電阻R。
[0020]TVSl構成動態有源鉗位電壓閥值，當IGBT的集-射電壓大於UTVSl時，瞬態電壓抑制二極體TVSl被擊穿，電容C流過反饋電流Ic = CXdVo/dt,該電流對門級充電,使得
電壓下降變緩，保持在IGBT柵級閥值電壓以上，此時集電極電流處於可控狀態。TVSl和TVS2構成靜態有源鉗位電壓閥值，當判定Vra過電壓時，即當IGBT的集-射電壓大於Utvs =UTVS1+UTVS2時，瞬態電壓抑制二極體TVSl和TVS2都導通，IGBT和TVS相互作用抑制VCE電壓在額定電壓之下，此時電容c不起作用，寄生電感能量消耗在IGBT和TVS中。
[0021]二極體D的作用是防止IGBT柵級電壓流向集電極。電容c為動態有源鉗位時並聯在IGBT的柵-集極之間，增大了 IGBT的柵-集極電容Cgc。放電電阻Re為當IGBT處於關斷穩態是電容c對其放電，同時當IGBT串聯使用時，其也可作為靜態均壓電阻。限流電阻R起保護瞬態電壓抑制二級管的限流作用。
[0022]具體地,該IGBT驅動有源鉗位電路具體實施方案可以包括:
[0023](I)TVS管的閥值選取和選型:TVS1管的閥值根據實際工作電壓進行選取，一般選取要大於額定工作電壓的最大值，同時也要考慮網測過電壓。如果母線電壓大於有源鉗位電壓導致IGBT打開時是非常危險的情況，如橋臂電路中IGBT上管打開時，有源鉗位電路導致IGBT下管誤打開會導致變流器損壞；TVS2和TVSl的閥值根據IGBT的電壓等級進行選取，一般選取IGBT的擊穿電壓等級的80% -90%，注意TVS管的擊穿電壓有最大值和最小值，IGBT的擊穿電壓要大於TVS管的擊穿電壓最大值。對TVS管來說，相同功率等級的TVS電壓越低，能承受的峰值電流越大，使用較低電壓的TVS管串聯不僅能承受更高峰值脈衝電流，還能減少串聯TVS的總結電容，一般根據鉗位電流和PCB的設計選取TVS管的型號和數量。
[0024](2)限流電阻R的選取:限流電阻R的選值可以計算出相應TVS管擊穿的電流值(擊穿電壓和鉗位電壓的差值除以電阻R)和功率值(電流值乘以TVS電壓)，這樣可以根據所選的TVS管的型號確定限流電阻R的選擇，注意在電力機車變流器應用場合，要考慮到環境溫度會導致TVS管的功率下降到額定的80% ；
[0025](3)電容c和放電電阻Re的選取:電容c 一般可以通過定性的仿真確定，目的是當dVCE/dt超過一定值後，IGBT的柵極電壓開始上升，根據電容c的選值，確定放電電阻Re的選值，但一般Re電阻的阻值要大，達到M Ω級別。
[0026]需要說明的是，本實用新型是在圖1所示的現有技術方案典型IGBT驅動有源鉗位電路的基礎上進行的改變，針對該基礎電路在現在的設計上有很多改進，雖然改進目的和方法並不相同，但是大多採取複雜的控制手段和成本較高的ASIC技術，如圖2所示的高級動態有源鉗位技術，這使得要麼採用商業的驅動晶片，要麼採用複雜的控制手段去實現。本實用新型電路拓撲結構簡單，可以被引用在任何IGBT驅動電路中，並根據所驅動IGBT模塊的型號和實際應用場合進行參數設計。
[0027]此外，在本實用新型實施例所提供的IGBT驅動電路中，通過對第一瞬態電壓抑制二極體TVSl和第二瞬態電壓抑制二極體TVS2進行靈活選型，實現不同的串聯組合，可以使該有源鉗位電路具有不同的保護閥值和承受功率，從而能夠適應電力機車的不同應用場景對IGBT過電壓保護能力的需求；通過對電容C、放電電阻Re的參數設計，當IGBT的集-射電壓大於仏⑶時，可以使IGBT柵極關斷電壓呈現不同的下降趨勢，從而控制IGBT的開關轉換速度，適應電力機車的對IGBT關斷速度的需求。
[0028]綜上可見，本實用新型實施例的實施不僅能夠良好的實現IGBT驅動中有源鉗位電路的保護功能，保障IGBT變流器安全可靠地運行，同時還能夠在電力機車的不同應用場景靈活調節保護閥值和保護能力，因而有力地保證了電力機車的安全性和可靠性。
[0029]為使本實用新型所提供技術方案的內容、目的和有益效果更加清楚，下面通過具體實例進行詳細描述。
[0030]實施例一
[0031 ] 如圖4所示，一種IGBT驅動有源鉗位電路為IGBT驅動電路的一部分，連接在變流器的IGBT的集電極和柵極之間，其具體結構可以採用上述技術方案。該有源鉗位電路成功的應用於電路機車牽引變流器的IGBT驅動電路設計中，在1800VDC-1300VAC的兩電平三相逆變器中，用於對3300V，1200A的IGBT進行有源鉗位保護。
[0032]其中，上述技術方案中所使用的元器件可以採用如下的具體實施方案:
[0033](I)在圖4所示的電路中，Dl至D30為VISHAY的SMCJ系列瞬態電壓抑制二極體，其中Dl至D22為SMCJ100A，D23至D25為SMCJ5A，他們構成TVSl的串聯組合，Utvsi電壓閥值為2215V ;D26至D29為SMCJ150A，他們構成TVS2的串聯組合，Utvs2電壓值為600V，UTVS電壓閥值為2815V ；D30為SMCJ33A，其作用為二極體D，防止IGBT柵級電壓流向集電極。
[0034](2)在圖4所示的電路中，Cl的選型為22nF，1000V的金屬化聚丙烯薄膜電容。電阻Rl至R4為221k歐姆的金屬化薄膜電阻，他們串聯組合成放電電阻Re。電阻R5至R7為22歐姆的金屬化薄膜電阻，他們並聯組合成限流電阻R。
[0035]可見，本實用新型實施例的可以根據所驅動的IGBT型號，工作電壓等級，功率損耗需求，甚至PCB的設計體積進行器件選型和參數設計，具有極大的靈活性和應用性。
[0036]以上所述，僅為本實用新型較佳的【具體實施方式】，但本實用新型的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本實用新型披露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護範圍之內。因此，本實用新型的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。
【權利要求】
1.一種IGBT驅動的有源鉗位電路，該部分電路為IGBT驅動電路的一部分，連接在變流器的IGBT的集電極和柵極之間，其特徵在於，包括依次連接在所述IGBT的集電極(C)和柵極(G)之間的第一瞬態電壓抑制二極體(TVSl)、第二瞬態電壓抑制二極體(TVS2)、二極體(D)、限流電阻(R)，所述第二瞬態電壓抑制二極體(TVS2)並聯有電容(c)和放電電阻(Re)。
2.根據權利要求1所述的IGBT驅動的有源鉗位電路，其特徵在於，所述IGBT的集電極(C)與所述第一瞬態電壓抑制二極體(TVSl)的陰極電連接，所述第一瞬態電壓抑制二極體(TVSl)的陽極與所述第二瞬態電壓抑制二極體(TVS2)的陰極電連接，所述第二瞬態電壓抑制二極體(TVS2)的陽極與所述二極體(D)的陽極電連接，所述二極體(D)的陰極與限流電阻(R)的一端連接，所述限流電阻(R)的另一端連接到所述IGBT的柵極(G)。
【文檔編號】H02H9/04GK204068233SQ201420381121
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年7月10日 優先權日:2014年7月10日
【發明者】劉志華, 賀覓知, 趙利忠, 仝超 申請人:北京賽德高科鐵道電氣科技有限責任公司