一種分段電阻型IGBT驅動電路及其控制方法與流程
2023-05-12 01:33:51
本發明涉及一種分段電阻型IGBT驅動電路，還涉及一種分段電阻型IGBT驅動電路的控制方法，屬於電力電子技術領域。
背景技術：
IGBT和其它電力電子器件一樣，應用的可靠性依賴於驅動電路,IGBT的高輸入阻抗使其驅動較為容易,但也容易引起源極電流過大或者dv/dt過大導致擎住效應而失效。因此性能優良的驅動電路是保證IGBT高效、可靠運行的必要條件。IGBT的門極驅動電阻Rg對驅動的效果有著直接的影響，IGBT的開通和關斷均依存於Rg的大小。Rg越大，其開通和關斷時間就越大，開關損耗也越大，但浪湧電壓變小，減少了dv/dt造成誤導通的可能。同時，Rg越小，IGBT柵極驅動端的振蕩就會更嚴重，使得驅動效率降低。
在IGBT應用中，尤其在高壓IGBT應用中，開關頻率低、損耗大極大的制約著它的應用。譬如在高壓變頻應用中，為了器件的安全，必須設計足夠的空載時間，同時器件的開關時間又很長，器件應用頻率很低。這主要是由IGBT開關過程中密勒平臺時間及拖尾電流時間過長造成的。傳統改善這一性能的做法是通過二極體旁路電阻來實現不同的開通和關斷電阻，雖然能夠在一定程度上獲得了開關時間及浪湧抑制上的折中，但是並沒有能提高器件的應用頻率及降低損耗。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術中的不足，提供一種分段電阻型IGBT驅動電路，解決現有技術中IGBT管開關損耗大、應用頻率低的技術問題。
為解決上述技術問題，本發明提供的分段電阻型IGBT驅動電路所採用的技術方案是：一種分段電阻型IGBT驅動電路，包括驅動推挽電路、分段電阻驅動電路和IGBT門極鉗位電路；
所述分段電阻驅動電路包括若干串聯連接的分段電阻，每個分段電阻的兩端均並聯有旁路MOS管；各旁路MOS管的門極以及所述驅動推挽電路的控制輸入端分別與驅動控制器連接；所述IGBT門極鉗位電路包括分別與IGBT門極連接的：IGBT門極穩壓鉗位電路及IGBT門極電源鉗位電路；所述IGBT的門極通過串聯連接的分段電阻與驅動推挽電路的To埠連接，還通過IGBT門極電源鉗位電路與驅動推挽電路的VSS埠連接。
所述IGBT門極電源鉗位電路包括一個肖特基二極體和兩個支撐電容，肖特基二極體的陽極與IGBT門極電連接，陰極通過並聯連接的兩支撐電容接地；肖特基二極體的陰極同時與驅動推挽電路的VSS端連接。
所述IGBT門極穩壓鉗位電路包括兩個穩壓二極體，其中一個穩壓二極體的陰極與IGBT的門極電連接，陽極與另一穩壓二極體的陽極連接，另一穩壓二極體的陰極接地。
所述驅動控制器選用FPGA控制器。
與現有技術相比，本發明提供的分段電阻型IGBT驅動電路所達到的有益效果是：
1、在IGBT門極接入分段電阻，分段電阻R1～Rn可以根據實際情況分段投入，可以提高器件應用頻率，減小開關損耗；
2、所有控制脈衝統一由驅動控制器發出，結構簡單，控制方便，編程容易；
3、採用高速MOS管作為分段電阻的旁通MOS管，同樣適用於傳統的IGBT驅動方式，具有通用性，易於實現。
本發明還提供一種分段電阻型IGBT驅動電路的控制方法，IGBT開通時，當IGBT進入導通過程，將大於2/3數量的分段電阻接入IGBT門極，降低IGBT門極震蕩；
當IGBT進入密勒平臺時間，將接入IGBT門極的分段電阻數減少至1/3數量以下，縮短密勒平臺時間，加快IGBT源極s與漏極d之間電壓下降，減少IGBT開通損耗；
IGBT關斷時，在IGBT門極g與漏極d之間電壓下降到密勒平臺結束的時間內，將1/3數量以下分段電阻接入IGBT門極，加快IGBT門極抽取電荷，減少IGBT門極開關時間；
在密勒平臺電壓逐漸降低到閾值電壓時，IGBT進入關斷過程，將1/2以上數量分段電阻接入IGBT門極，降低浪湧；
當浪湧結束進入拖尾電流時間後，將1/3數量以下分段電阻接入IGBT門極，減少拖尾電流時間。
與現有技術相比，本發明提供的分段電阻型IGBT驅動電路的控制方法所達到的有益效果是：能夠在確保抑制浪湧及門極震蕩的同時，達到減小IGBT器件開關損耗、提高器件應用頻率的目的。
附圖說明
圖1是本發明提供的分段電阻型IGBT驅動電路的電路圖。
圖2是圖1中驅動推挽電路的電路圖。
圖3是IGBT開通和關斷過程中的各極間的電壓及電流波形圖。
具體實施方式
本發明在傳統驅動技術的基礎上，提出一種分段電阻型IGBT驅動電路及控制方法，在門極驅動脈衝上升沿及下降沿對IGBT的驅動電阻進行控制，減小IGBT器件開關損耗，提高器件的應用頻率。下面結合附圖對本發明作進一步描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此來限制本發明的保護範圍。
如圖1所示，IGBT為被驅動元件，G為IGBT門極，C為集電極，E為發射極。本發明提供的分段電阻型IGBT驅動電路包括驅動推挽電路、分段電阻驅動電路和IGBT門極鉗位電路。
分段電阻驅動電路包括驅動電阻：R1，R2，……Rn及旁路MOS管：MOS1，MOS2，……MOSn。驅動電阻：R1，R2，……Rn順序串聯連接，MOS1並聯於電阻R1兩端，MOS2並聯於R2兩端，……MOSn並聯於Rn兩端。圖中g1，g2，……gn對應為驅動控制器發出的MOS1，MOS2，……MOSn的驅動控制脈衝。旁路MOS管採用英飛凌IRF7862PbF型號SO-8封裝的高速MOS管，用於快速切換。驅動控制器選用FPGA控制器，
如圖2所示，是本發明採用的驅動推挽電路的電路圖，包括To、VSS、VEE和Ti四個接線端，g0為驅動控制器發出的驅動推挽電路的驅動控制脈衝。圖中三極體T1、T32採用型號為2SD2098的NPN三極體，三極體T2、T4採用型號為2SB1386的PNP三極體，電阻R11～R14為輔助驅動電阻。IGBT的門極通過串聯連接的分段電阻與驅動推挽電路的To埠連接。
IGBT門極鉗位電路包括：IGBT門極穩壓鉗位電路及IGBT門極電源鉗位電路，IGBT門極電源鉗位電路與驅動推挽電路的VSS埠連接。IGBT門極電源鉗位電路包括一個肖特基二極體D1和兩個支撐電容C1、C2。肖特基二極體D1主要將驅動過壓尖峰返送回電源，支撐電容C1、C2為IGBT門極提供足夠的衝擊能量。肖特基二極體D1的陽極與IGBT門極電連接，陰極通過並聯連接的兩支撐電容C1、C2接地；肖特基二極體D1的陰極同時與驅動推挽電路的VSS端連接。IGBT門極穩壓鉗位電路包括兩個反接的穩壓二極體D2、D3，穩壓二極體D2的陰極與IGBT的門極電連接，陽極與穩壓二極體D3的陽極連接，穩壓二極體D3的陰極接地。D1、D2、D3需要較快的反應速度，布置在距離IGBT門極較近的地方，以減小寄生電感。
本發明提供的分段電阻型IGBT驅動電路的控制方法是基於上述驅動電路實現的，具體控制方法為：
IGBT開通時，當IGBT進入導通過程，將大於2/3數量的分段電阻接入IGBT門極，降低IGBT門極震蕩；
當IGBT進入密勒平臺時間，將接入IGBT門極的分段電阻數減少至1/3數量以下，縮短密勒平臺時間，加快IGBT源極s與漏極d之間電壓下降，減少IGBT開通損耗；
IGBT關斷時，在IGBT門極g與漏極d之間電壓下降到密勒平臺結束的時間內，將1/3數量以下分段電阻接入IGBT門極，加快IGBT門極抽取電荷，減少IGBT門極開關時間；
在密勒平臺電壓逐漸降低到閾值電壓時，IGBT進入關斷過程，將1/2以上數量分段電阻接入IGBT門極，降低浪湧；
當浪湧結束進入拖尾電流時間後，將1/3數量以下分段電阻接入IGBT門極，減少拖尾電流時間。
下面以圖3的IGBT開通和關斷過程來說明本發明提供的分段電阻型IGBT驅動電路的控制方法，具體如下：
開通過程中：
(1)t0～t1時刻，IGBT沒有到達閾值電壓，這時候Vge主要給柵極－發射極電容Cgs充電，這個過程電流很大，甚至可以達到幾安培的瞬態電流，這時候的能量主要來自支撐電容C1、C2，可以通過控制某幾個MOS管開通來旁路部分門極驅動電阻取得較小的門極驅動電阻；
(2)t1～t3，當IGBT門極電壓達到閾值電壓後，IGBT正式進入導通過程，這時候需要較大的門極驅動電阻，降低門極震蕩，這時候需要控制某幾個MOS管關斷來投入較大的門極驅動電阻；
(3)t3～t5，IGBT門極電壓處在密勒平臺時間到完全導通，這時候可以減小門極驅動電阻，縮短密勒平臺時間，加快Vce的下降，減小開通損耗。
關斷過程中：
(1)t0～t2時刻，IGBT門極電壓沒有到達閾值電壓，這時候處於門極電荷抽取過程，通過控制某幾個MOS管開通來旁路部分門極驅動電阻，加快這一過程，可以顯著減小這一部分時間；
(2)t2～t4，IGBT密勒平臺電壓不足以維持，逐漸減低到閾值電壓以下，IGBT正式進入關斷過程，這時候需要關斷MOS管加大關斷門極驅動電阻，可以降低浪湧，減小器件損壞的風險；
(3)t4～t6，由於存儲電荷效應，IGBT進入拖尾電流時期，這時候可以減小關斷門極驅動電阻，加快抽取時間。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發明的保護範圍。