一種新型igbt有源鉗位保護電路的製作方法
2023-10-09 05:49:39 2
一種新型igbt有源鉗位保護電路的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種新型絕緣柵雙極電晶體IGBT集電極有源鉗位保護電路，主要包括提供工作的電源、一個絕緣柵雙極電晶體IGBT、過壓信號反饋電路、電流信號放大電路、過壓信號調節電路以及輸出電路等；所述電流信號放大電路包括一個高電壓搖擺率運算放大器，可以將絕緣柵雙極電晶體IGBT集電極反饋回來的小電流信號轉換為足以使雙極型電晶體開通的電壓信號。在絕緣柵雙極電晶體IGBT關斷過程中產生的電壓尖峰信號通過瞬態抑制二極體反饋到主迴路中，這樣使瞬態抑制二極體的工作點得到有效優化，增強有源鉗位的效果。
【專利說明】一種新型IGBT有源鉗位保護電路
【技術領域】
[0001]本發明屬於電力電子領域，具體涉及一種新型的絕緣柵雙極電晶體IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)有源甜位保護電路。
【背景技術】
[0002]絕緣柵雙極電晶體IGBT是MOSFET與雙極電晶體的複合器件。它既具有功率MOSFET輸入阻抗高、工作速度快、易驅動的優點，又具有雙極達林頓功率管GTO飽和電壓低、電流容量大、耐壓高等優點，能正常工作於幾十千赫茲頻率範圍內，故在較高頻率的大、中功率設備(如變頻器、UPS電源、高頻焊機等)應用中佔據了主導地位。IGBT的開通關斷保護是其應用設計很重要的一點。由於電路間雜散電感的存在，IGBT在正常關斷時會在集電極產生一定的電壓尖峰，通常該電壓尖峰數值不會太高，但在變流器過載或者橋臂發生短路的情況下，關斷IGBT時集電極會產生非常高的尖峰電壓，過高的尖峰電壓很容易使IGBT受到損壞。有源鉗位電路的目標就是要鉗住IGBT的集電極電位，使其不要達到太高的水平。現有技術方案中一種典型有源鉗位電路的拓撲結構，如圖1所示，該電路的特點是結構簡單，電路的動態性能較好，響應速度較快，但是反饋迴路中瞬態抑制二極體的擊穿電流存在電流旁路，瞬態抑制二極體的工作點不夠優化，這就造成有源鉗位電路在反饋電流
I2較小的情況下有源鉗位效果不夠理想。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在於解決上述現有技術的不足，提供一種在絕緣柵雙極電晶體集電極C反饋電流Iz較大或較小的情況下都能可靠進行有源鉗位保護的電路。
[0004]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
一種新型IGBT有源鉗位保護電路，主要包括:
兩個用於提供工作電壓的電源VC+和VC-；
一個用於控制負載通斷的絕緣柵雙極電晶體IGBT ；
過壓信號反饋電路，用於將絕緣柵雙極電晶體IGBT (Q4)集電極C端關斷時產生的過壓信號反饋到主電路中來。所述過壓信號反饋電路主要包括瞬態電壓抑制二極體D2、D3、D4、D5、D8、D9，肖特基二極體Dl、D7，電阻Rl、R3、R6、R9 ;其輸入端接絕緣柵雙極型電晶體IGBT的集電極C端，其輸出端通過電阻R3、R6、R9接到主電路中；
輸出電路，主要由雙極型電晶體VT1、VT2，齊納二極體D12、D16構成。其中，雙極型電晶體VTl的基極與雙極型電晶體VT2的基極相連，並接到過壓信號反饋電路的電阻R9 ;雙極型電晶體VTl的集電極接電源VC+，晶雙極型體管VT2的集電極接電源VC-，雙極型電晶體VTl和雙極型電晶體VT2的發射極接到一起，齊納二極體D16的陽極接到雙極型電晶體VTl的發射極，陰極接電源VC+，齊納二極體D12的陽極接電源VC-，陰極接雙極型電晶體VT2的發射極。雙極型電晶體VTl的發射極接到絕緣柵雙極電晶體IGBT的門極G。[0005]本發明中還包括一個電流信號放大電路，作用是將過壓信號反饋電路輸入的小電流信號進行放大，並將放大後的信號反饋到主電路。它包括一個高電壓搖擺率運算放大器U2，運算放大器U2的同相輸入端通過電阻R7接到電阻R9，反相輸入端通過電阻R12接到電阻R9 ;同時，開關二極體Q3、Q6的陰極接電源VC+，陽極接電源VC-，其中開關二極體Q3的中性端與電阻R9、齊納二極體D13的陽極相連，開關二極體Q6的中性端接電阻R9、R12和齊納二極體D15的陽極，齊納二極體D13、D15的陰極接到一起；電阻R7通過電阻R9接地；電阻R12 —端接齊納二極體D15的陽極，另一端通過電阻R13接運算放大器U2的輸出端6腳；運算放大器U2輸出端6腳接電阻R11，齊納二極體D14的陰極和反向器UlB的輸入端，其中齊納二極體D14的陽極與電阻Rll —端相連後接地；反相器UlB的輸出端接到電阻R5和快恢復二極體DlO的陰極，電阻R5和快恢復二極體DlO並聯，另一端接電容C2和功率MOSFET器件Ql的柵極G2，功率MOSFET器件Ql的源極S2接電源VC+，漏極D2與Dl接在一起，功率MOSFET器件Ql中柵極Gl與過壓信號反饋電路中電阻R3和R6相連，功率MOSFET器件Ql源極SI接電阻R9與開關二極體Q6的公共端。
[0006]本發明中還包括一個過壓信號調節電路，主要作用是當過壓信號反饋電路中有比較大的反饋電壓和反饋電流時，能幫助電流信號放大電路及時調整反饋電壓值，將比較高的反饋電壓降低。電路主要包括齊納二極體Dll，快恢復二極體D6和MUR1，電阻R2、R4，電容Cl，功率MOSFET器件Ql，以及反相器U1A。電路輸入端接在電阻R6和電阻R9兩端，電路輸出端直接接到主電路中。其中快恢復二極體MURl接電阻R4和反相器UlA的輸入端，電阻R4接地，反相器UlA的輸出端接電阻R2和快恢復二極體D6的陰極，電阻R2和快恢復二極體D6並聯，另一端接到電容Cl和功率MOSFET器件Q2中P溝道MOS管的柵極，P溝道MOS管的源極接電源VC+，P溝道MOS管的漏極接到功率MOSFET器件Q2中N溝道MOS管的漏極，N溝道MOS管的源極接齊納二極體Dll的陽極，電阻Cl接地。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]下面結合【專利附圖】
【附圖說明】詳細說明本發明的基本結構組成和工作原理。
[0008]圖1是一種現有技術方案的電路原理圖；
圖2是本發明的電路功能結構框圖；
圖3是圖2中電流信號放大電路和過壓信號調節電路原理圖。
【具體實施方式】
[0009]如圖2、圖3所示，本發明主要包括:
兩個用於提供工作電壓的電源VC+和VC-，本實施例中VC+選取+15V，VC-選取-15V ； 一個用於控制負載通斷的絕緣柵雙極電晶體IGBT ；
一個過壓信號反饋電路，用於將絕緣柵雙極電晶體IGBT集電極C端關斷時產生的過壓信號反饋到控制電路中來。從圖2中可以看到，本發明的過壓信號反饋電路主要包括瞬態電壓抑制二極體D2、D3、D4、D5、D8、D9，肖特基二極體D1、D7，電阻Rl、R3、R6、R9 ;其中瞬態電壓抑制二極體D2、D3、D4、D5、D8、D9按照陰極接陽極的順序依次串聯，瞬態電壓抑制二極體D9的陰極接在絕緣柵雙極型電晶體IGBT的集電極C端；瞬態電壓抑制二極體D2的陽極接到肖特基二極體Dl和D7的陽極；肖特基二極體D7的陰極通過電阻Rl接到絕緣柵雙極型電晶體IGBT的門極G ;肖特基二極體Dl的陰極通過電阻R3接到串聯的電阻R6和R9上。
[0010]輸出電路，主要由雙極型電晶體VT1、VT2，齊納二極體D12、D16構成。其中，雙極型電晶體VTl的基極與雙極型電晶體VT2的基極相連，並接到過壓信號反饋電路的電阻R9 ；雙極型電晶體VTl的集電極接電源VC+，晶雙極型體管VT2的集電極接電源VC-，雙極型電晶體VTl和雙極型電晶體VT2的發射極接到一起，齊納二極體D16的陽極接到雙極型電晶體VTl的發射極，陰極接電源VC+，齊納二極體D12的陽極接電源VC-，陰極接雙極型電晶體VT2的發射極。雙極型電晶體VTl的發射極接到絕緣柵雙極電晶體IGBT的門極G。
[0011]本發明的主要特點還包括電流信號放大電路，作用是將過壓反饋的小電流信號進行放大並反饋到過壓信號反饋電路中。主要包括開關二極體Q3、Q6，齊納二極體D13、D14、D15，電阻R6、R7、R9、Rll、R12、R13，電容C2，快恢復二極體D10,功率MOSFET器件Q1，反相器UlB以及差模運算放大器U2 ;其中，開關二極體Q3、Q6的陰極接到電源VC+，陽極接到電源VC-，開關二極體Q3的中性端接到電阻R7和串聯電阻R6、R9的中間，以及齊納二極體D13的陽極，開關二極體Q6的中性端接電阻R9、R12和齊納二極體D15的陽極，齊納二極體D13、D15的陰極接到一起；電阻R7與電阻R9相連，同時接到差模運算放大器U2的同相輸入端，電阻R9另一端接地；電阻R12 —端接齊納二極體D15的陽極，另一端接電阻R13和運算放大器U2的反相輸入端，電阻R13另一端接運算放大器U2的輸出端6腳；運算放大器U2輸出端6腳接電阻R11，齊納二極體D14的陰極和反向器UlB的輸入端，其中齊納二極體D14的陽極與電阻Rll —端相連後接地；反相器UlB的輸出端接到電阻R5和快恢復二極體DlO的陰極，電阻R5和快恢復二極體DlO並聯，另一端接電容C2和功率MOSFET器件Ql的柵極G2，功率MOSFET器件Ql的源極S2接電源VC+，功率MOSFET器件Ql的漏極D2與Dl接在一起，功率MOSFET器件Ql的柵極Gl接過壓信號反饋電路中電阻R3與電阻R6的公共端，功率MOSFET器件Ql的源極SI接到電阻R9與開關二極體Q6的公共端。
[0012]過壓信號調節電路，主要作用是當過壓信號反饋電路中有比較大的反饋電壓和反饋電流時，能幫助電流信號放大電路及時調整反饋電壓值，將比較高的反饋電壓降低。電路主要包括齊納二極體DlI，快恢復二極體D6和MUR1，電阻R2、R4，電容Cl，功率MOSFET器件Ql，以及反相器U1A。電路輸入端接在電阻R6和電阻R9兩端，電路輸出端直接接到主電路中。其中快恢復二極體MURl接電阻R4和反相器UlA的輸入端，電阻R4接地，反相器UlA的輸出端接電阻R2和快恢復二極體D6的陰極，電阻R2和快恢復二極體D6並聯，另一端接到電容Cl和功率MOSFET器件Q2的柵極G2，功率MOSFET器件Q2的源極S2接電源VC+，功率MOSFET器件Q2的漏極D2與漏極Dl相連，功率MOSFET器件Q2的源極SI接齊納二極體Dll的陽極，電阻Cl接地。
[0013]本發明的基本工作原理是:首先絕緣柵雙極電晶體IGBT的驅動電路通過主電路給IGBT輸出正常驅動信號(本例中為±15V)，IGBT開通關斷過程正常；但當變流器過載或者橋臂發生短路時，-15V驅動信號通過主電路傳輸給IGBT時，IGBT關斷過程中集電極會產生非常高的尖峰電壓，這個尖峰電壓會擊穿瞬態電壓抑制二極體D2、D3、D4、D5、D8、D9，從而形成一個電流信號Iz。這個電流信號在較小的情況下，電流信號放大電路會把它放大，使其足以開通雙極型電晶體VT1，VC+通過VTl加到絕緣柵雙極電晶體IGBT的門極G，使IGBT開通，降低集電極電壓，起到有源鉗位的作用；當反饋電流較大時，電流信號放大電路和過壓信號調節電路同時工作，將反饋電流灌輸到雙極型電晶體上，使雙極型電晶體VTl開通，同時絕緣柵雙極電晶體IGBT開通，集電極C端電壓下降，達到電壓鉗位的目的。
[0014]下面結合圖3描述本發明電流信號放大電路的具體工作過程及原理:
當絕緣柵雙極型電晶體IGBT集電極電位C在關斷過程出現尖峰電壓時(超過1400V)，這個電壓信號會擊穿瞬態電壓抑制二極體D2、D3、D4、D5、D8、D9 (瞬態抑制二極體的閾值電
壓共1400V),形成一個擊穿電流Iz,電流12有三條反饋通路:
一個是通過快恢復二極體D7直接流回絕緣柵雙極電晶體IGBT的門極G，抬升門極電壓，從而使絕緣雙極型電晶體IGBT重新開通，降低集電極C端電壓；
另一個是當電流I2較大時，過壓信號調節電路可以迅速反應；當電流由B點通過電阻
R6和R9流到A點時，電阻R6和R9兩端電壓升高，且A點電壓升高；當A點電壓達到8V門限電壓時，反相器UlA輸出低電平，低電平信號通過快恢復二極體D6和電阻R2使功率MOSFET器件Q2的P溝道MOS管導通；其中快恢復二極體D6和電阻R2的作用是使功率MOSFET器件Q2的P溝道MOS管快開通、慢關斷；功率MOSFET器件Q2的P溝道MOS管導通後，電源VC+直接連通到功率MOSFET器件Q2的N溝道MOS管的漏極D2 ;這樣的結果是，當N溝道MOS管的柵源電壓達到門限值使其導通時，N溝道MOS管漏極電壓VC+會直接接到A點上，及IGBT驅動器的主電路上，使主電路電壓迅速抬升到VC+ ；A點電壓抬升，則C點電壓也抬升，從而使雙極型電晶體VTl導通，使後級的絕緣柵雙極電晶體IGBT門極電壓抬升，IGBT管導通，從而使集電極C電壓下降，整個過程不超過100ns，起到電壓鉗位的作用。
[0015]當反饋電流Iz較小(不超過IOOmA)時，由於驅動器前級電路的旁路作用，會將這個小電流分流，從而使過壓信號 調節電路不工作，這個時候瞬態抑制二極體的工作點就不夠優化，此時起作用的是電流信號放大電路。電流Iz由D點流向A點，當兩端電壓達到40mA時(瞬態抑制二極體的理想工作點)，電阻R9兩端的電壓升高，這個電壓差值通過運算放大器U2被放大(U2電壓搖擺率達到7000V/US，工作電壓在± 15V之間)，增益放大倍數▲為
【權利要求】
1.一種新型IGBT有源鉗位保護電路，其特徵在於，所述IGBT有源鉗位保護電路主要包括:兩個用於提供工作電壓的電源VC+、VC-，一個絕緣柵雙極電晶體IGBT，一個過壓信號反饋電路，電流信號放大電路，過壓信號調節電路以及輸出電路， 所述絕緣柵雙極電晶體IGBT，用於控制負載通斷； 所述過壓信號反饋電路，用於將絕緣柵雙極電晶體IGBT集電極C端關斷時產生的過壓信號反饋到主電路中來； 所述電流信號放大電路，用於將過壓信號反饋電路輸入的小電流信號進行放大，並將放大後的信號反饋到主電路； 所述過壓信號調節電路，主要作用是當過壓信號反饋電路中有比較大的反饋電壓和反饋電流時，能幫助電流信號放大電路及時調整反饋電壓值，將比較高的反饋電壓降低；所述輸出電路，用於直接驅動絕緣柵雙極電晶體IGBT，主要由功率電晶體VTl、VT2，齊納二極體D12、D16，以及電阻R14構成； 所述過壓信號反饋電路包括:瞬態電壓抑制二極體D2、D3、D4、D5、D8、D9，肖特基二極體01、07，電阻1?1、1?3、1?6、1?9 ;其輸入端接絕緣柵雙極型電晶體IGBT的集電極C端，其輸出端通過電阻R3、R6、R9接到主電路中； 所述電流信號放大電路包括:開關二極體Q3、Q6,齊納二極體D13、D14、D15，電阻R5、R12、R13，電容C2，快恢復二極體D10，功率MOSFET器件Ql，反相器UlB以及運算放大器U2 ；電流信號放大電路輸入端是電阻R9兩端的差分電壓信號，其輸出端直接接到主電路中；所述過壓信號調節電路包括:齊納二極體D11，快恢復二極體D6和MUR1，電阻R2、R4，電容Cl，功率MOSFET器件Ql，以及反相器U1A，電路輸入端接在電阻R6和電阻R9兩端，電路輸出端直接接到主電路中； 所述輸出電路包括:雙極型電晶體VT1、VT2，齊納二極體D12、D16，其中，雙極型電晶體VTl的基極與雙極型電晶體VT2的基極相連，並接到過壓信號反饋電路的電阻R9 ;雙極型電晶體VTl的集電極接電源VC+，晶雙極型體管VT2的集電極接電源VC-，雙極型電晶體VTl和雙極型電晶體VT2的發射極接到一起，齊納二極體D16的陽極接到雙極型電晶體VTl的發射極，陰極接電源VC+，齊納二極體D12的陽極接電源VC-，陰極接雙極型電晶體VT2的發射極，雙極型電晶體VTl的發射極接到絕緣柵雙極電晶體IGBT的門極G。
2.根據權利要求書I所述的有源鉗位保護電路，其特徵在於，所述電流信號放大電路中的運算放大器U2是一個高電壓搖擺率運算放大器，運算放大器U2的同相輸入端通過電阻R7接到電阻R9，反相輸入端通過電阻R12接到電阻R9 ;同時，開關二極體Q3、Q6的陰極接電源VC+，陽極接電源VC-，其中開關二極體Q3的中性端與電阻R9、齊納二極體D13的陽極相連，開關二極體Q6的中性端接電阻R9、R12和齊納二極體D15的陽極，齊納二極體D13、D15的陰極接到一起；電阻R7通過電阻R9接地；電阻R12—端接齊納二極體D15的陽極，另一端通過電阻R13接運算放大器U2的輸出端6腳；運算放大器U2輸出端6腳接電阻R11，齊納二極體D14的陰極和反向器UlB的輸入端，其中齊納二極體D14的陽極與電阻Rll —端相連後接地；反相器UlB的輸出端與電阻R5和快恢復二極體DlO的陰極相連，電阻R5和快恢復二極體DlO並聯，另一端接電容C2和功率MOSFET器件Ql的柵極G2，功率MOSFET器件Ql的源極S2接電源VC+，漏極D2與Dl接在一起，功率MOSFET器件Ql中柵極Gl與過壓信號反饋電路中電阻R3和R6相連，功率MOSFET器件Ql源極SI接電阻R9與開關二極體Q6的公共端。
3.根據權利要求書I和2所述的有源鉗位保護電路，其特徵在於，所述過壓信號調節電路中快恢復二極體MURl接電阻R4和反相器UlA的輸入端，電阻R4接地，反相器UlA的輸出端接電阻R2和快恢復二極體D6的陰極，電阻R2和快恢復二極體D6並聯，另一端接到電容Cl和功率MOSFET器件Q2中P溝道MOS管的柵極，P溝道MOS管的源極接電源VC+，P溝道MOS管的漏極接到功率MOSFET器件Q2中N溝道MOS管的漏極，N溝道MOS管的源極接齊納二極體Dll的陽 極，電阻Cl接地。
【文檔編號】H02M1/32GK103545802SQ201310530777
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年11月1日 優先權日:2013年11月1日
【發明者】王松, 厲傑, 劉璐燕, 李曉坤 申請人:山東大學（威海）