CN101483424A - 适用于大功率igbt商用驱动芯片的软关断电路 - Google Patents

Abstract

一种软关断电路，它与商用驱动芯片配合使用，实现软关断功能或替代原有的不合适的软关断功能。这个电路应具有简单的电路接口，便于与商用驱动芯片配合，且使用商用驱动芯片的内部电源作为供电电源。其软关断功能中各种参数可调，以适应不同工况下的软关断需要，并且满足大功率场合的电磁兼容要求。

Description

适用于大功率IGBT商用驱动芯片的软关断电路

技术领域

本发明属于大功率IGBT驱动电路技术领域，特别是涉及一种适用于大功率IGBT商用驱动芯片的软关断电路。

背景技术

由于大功率IGBT(绝缘栅双极型晶体管)具有较高的功率等级、较宽的开关频率范围以及开关完全可控的绝缘栅门极特性，使其在大功率电力电子领域得以广泛应用。此外，通过串并联IGBT可进一步提升其功率等级，使其应用扩展到电力系统电力电子领域。但是在大功率场合，短路或过流故障时，流过IGBT的电流很大，此时如果采用传统的硬关断，电流下降率在主电路分布参数上产生极高的感应电压，极易造成IGBT的击穿，集电极电压的快速上升也会产生转移电流使IGBT误导通。此外，串联使用的IGBT由于集电极电压上升率很高，使电压的不均衡现象更加明显。所以在这些情况下，采用硬关断是不合适的。

对于大功率IGBT短路及过流故障，通常使用软关断，即通过对门极关断信号的控制以调节IGBT的关断速率，进而控制di/dt、dv/dt，避免出现上述事故。目前，只有部分大功率IGBT商用驱动芯片具有软关断功能，且用户往往不能调节其软关断参数，因而不能适应于多种工况。

目前没有看到这种与商用驱动芯片结合的软关断电路思想。

发明内容

本发明提出一种软关断电路，它可与商用驱动芯片配合使用，实现软关断功能或替代原有的不合适的软关断功能。这个电路应具有简单的电路接口，便于与商用驱动芯片配合，其软关断功能中各种参数可调以适应不同工况下的软关断需要，能够提供足够的驱动功率，并且满足大功率场合的电磁兼容要求。

为减小大功率绝缘栅双极型晶体管IGBT关断过程中产生的di/dt、dv/dt及过电压，门极关断信号不能采用阶跃变化的方波。软关断过程中，IGBT的门极信号应呈现一种逐渐下降的趋势，以控制IGBT关断速率进而抑制di/dt、dv/dt及过电压。可采用的软关断信号有三种：阶梯波下降波形、斜坡下降波形和指数下降波形，如附图1所示。为提高软关断电路的性能以适用于不同关断要求的电路，门极信号波形的参数要求可调。以阶梯波下降波形为例，其中可调的参数有：电平台阶数、各个电平台阶的电压值、每两个电平间的变化率及各个电平台阶的持续时间。对于斜坡下降波形和指数下降波形，只要求对应的斜率和时间常数可调。软关断电路可选择产生上述的任一种可调波形。

由于软关断电路需要与商用驱动芯片配合使用，所以两者与IGBT的连接要简单，供电应采用驱动芯片输出侧电源，避免额外的供电要求。整个系统应保证正常运行时，软关断电路不会影响商用驱动芯片输出，只在短路过流时发挥作用。系统可以采用的连接方法有串联模式A、串联模式B和并联模式，如附图2所示，在权利要求书中2有说明。其中串联模式，由于门极控制信号与软关断电路有联系，设计不当会影响门极信号输出波形、包括上升沿、下降沿等。

由于软关断电路应用于功率侧，所以要求其可以输出足够的驱动功率；由于主电路侧电压电流变换剧烈，所以电磁环境比较恶劣。鉴于以上两点要求，软关断电路主要使用模拟器件，也可以使用部分抗干扰性能好、功率较大的数字芯片实现。

本发明的有益效果是：

1、本发明补充了部分大功率IGBT商用驱动芯片缺少的软关断功能，在短路过流故障时，有效减小关断时所产生的di/dt，同时避免了由此造成的误导通和过电压击穿可能，提高了关断的可靠性。

2、对于IGBT的串联应用，本发明可以控制其两端的电压变化率，过流关断时的均压状况将得以改善。

3、软关断波形参数可调，以满足不同的需要。

4、本发明与商用驱动芯片配合使用，外部接线简单，且没有额外的供电电源要求。

5、本发明不影响商用驱动芯片的正常运行，只在过流短路故障时发挥作用。

6、本发明满足大功率IGBT驱动的要求，具有满足驱动的功率容量，且可以避免功率侧电磁干扰可能的影响。

附图说明

图1是依据本发明的可采用的软关断信号示意图；

图2是依据本发明的系统可采用的连接方法示意图；

图3示出了依据本发明的软关断电路的示意图；

图4示出了依据本发明的电平台阶的生成电路示意图；

图5是依据本发明的延时电路示意图；

图6是依据本发明的阶梯波下降波形中的三个电平台阶仿真波形图；

图7是依据本发明的阶梯波下降波形的软关断门极信号仿真波形图；

图8是依据本发明的阶梯波下降波形的软关断门极信号实验波形图。

具体实施方式

阶梯波输出软关断电路的示意图如附图3所示，采用并联模式连接。软关断电路包括以下几个功能块：电平转换电路、延时电路、电平台阶发生电路、信号结合电路及功率放大电路。软关断控制信号经电平转换电路输入延时电路，由延时后的信号控制电平台阶发生电路的动作，产生的电平台阶信号经过信号结合电路得到预期的软关断控制阶梯波信号。

在正常运行时，软关断信号为低，软关断电路不动作，不影响商用驱动芯片的正常工作。在发生过流故障时，置软关断信号为高，软关断开始动作，延时电路在软关断信号的上跳沿动作，在经过不同时间段后分别启动其所对应的电平台阶电路，延时电路的时间均可调节，以改变不同电平台阶的持续时间。在附图5中，例举了两种延时电路拓扑结构。在延时电路A中，软关断信号输入后，经过电阻R1、R2的分压，电容C并联在电阻R2两侧，电容正极与稳压管Z负极相连，稳压管Z正极为延时门控信号。电容C两端电压减去稳压管额定电压达到开关管导通阈值电压的充电时间为延时时间，所以改变电阻R1和R2的分压比，或阻容时间常数R1·C，或稳压管Z任一值都可以改变延时时间。在延时电路B中，软关断信号作为单稳态触发器的触发端，电阻R和电容C决定其延时时间，触发器的输出为延时门控信号，通过改变阻容时间常数RC即可改变延时时间。

经过延时电路的控制信号触发各电平台阶电路中开关管。在附图4中给出了电平台阶的生成电路，通过改变其中的稳压管Z，可以改变电平台阶的电压值，其中RC常数决定了电平变换速率。第n电平台阶是商用驱动芯片输出的最低电平(其中n为正整数)，也是IGBT完全关断后的维持电平。当IGBT的门极电平为零时，其内部已经完全关断，负电平只为保障IGBT维持安全可靠的关断状态，所以在零电平以下，不设电平台阶。

通过添加延时电路和电平台阶电路，可以产生不同台阶数的阶梯波，满足不同调节精度的软关断需求。在附图6给出三电平阶梯波中不同电平台阶的输出波形。

上述的n个电平台阶信号输入处的信号结合电路，该部分类似于“与”逻辑，使得n个电平台阶电路的输出依次出现，组合成阶梯波型下降的关断电路。在附图7和附图8分别给出了三电平阶梯波仿真波形和实验波形。软关断的控制信号通过功率放大电路的放大，经二极管将门极电压拉低，完成整个软关断过程。

由于软关断电路与商用驱动芯片为并联模式，所以在软关断电路不工作时，驱动芯片输出的上升下降沿均不受影响。对于并联模式，在软关断动作后，商用驱动芯片应尽快关断闭锁，待故障解除后再恢复工作，否则，如果商用驱动芯片的输出持续为高，在软关断信号的控制下，IGBT门极可以保持为低，但是功耗将有所增加，且在软关断信号消失后，门极电平的上升将比较缓慢，会引起IGBT开通损耗过大。

此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。

Claims (5)

1、一种适用于大功率IGBT商用驱动芯片的软关断电路，包括以下功能模块：电平转换电路、延时电路、电平台阶发生电路、信号结合电路及功率放大电路等，其连接方式为：软关断控制信号经过电平转换电路，由控制电平转换为驱动侧高电平，电平转换电路的输出并联接入n个不同时间常数的延时电路，其中n为正整数，各延时电路连接其对应的电平台阶发生电路，电平台阶电路输出不同时间下降至不同电位的台阶电平，这n路电平台阶信号并行进入信号结合电路，形成阶梯状下降的信号，信号结合电路的输出再由功率放大电路放大后形成IGBT门极软关断信号，所述软关断电路作为独立的功能模块，与商用驱动芯片配合进行使用，用于单管、串联和并联IGBT的驱动，从而降低IGBT在过流时承受的电压电流应力，及提高在串联应用时电压的均一性。

2、如权利要求1所述的软关断电路，其特征在于该软关断电路与所述商用驱动芯片包括以下3种连接方式：串联模式A、串联模式B和并联模式，串联模式A将软关断电路连接在商用驱动器的输出端和IGBT的门极之间；串联模式B是将软关断电路连接在商用驱动器的控制信号输入端；并联模式是将软关断电路和商用驱动器并行连接，其输出端共同接入IGBT的门极，以上的任一种方式都要保证对驱动器正常开关动作无影响。

3、如权利要求1-2所述的软关断电路，其特征在于该电路采用的三种软关断信号波形是：阶梯波下降波形、斜坡下降波形和指数下降波形；

所述阶梯波下降波形是在软关断时，门极信号由正常开通的电平值下降到第一电平台阶，并维持一段时间后继续下降至第二电平台阶，其中所述第二电平台阶的电压值低于第一电平台阶，再持续一段时间，不断重复这一过程直至达到最低负电位，这种门极控制波形可以使IGBT由饱和状态逐步过渡到非饱和状态，直至最终关断，在每个不同的电平台阶，IGBT的集射极间电压变化可控。这个阶梯波使得IGBT在关断的整个过程中，每个阶段的集电极电压变化率的变化都是可控的；

所述斜坡下降波形是在软关断时，门极信号沿正比关系下降，比例系数可调，直到电压下降为最低值，这种缓慢的门极电压下降率可以减缓关断过程中Vce的上升速率；

所述指数下降波形为沿指数曲线下降的波形，由阻容放电的方式产生，放电终止对应于最低电压，其指数下降的门极电压也可以起到控制Vce缓慢上升的作用。

4、如权利要求1-3所述的软关断电路，其特征在于通过调节部分阻容及稳压管值，方便的实现软关断波形的调节，以满足不同的应用需要，阶梯波下降波形中可调参数包括：电平台阶数、各个电平台阶的电压值、每两个电平间的变化率及各个电平台阶的持续时间，斜坡下降波形的可调参数为斜率，指数下降波形中可调参数为时间常数。

5、如权利要求1-4所述的软关断电路，其特征在于在所述阶梯波生成电路中，软关断控制信号输入电平转换电路，由转换后的高电平信号驱动延时电路，进而由延时电路输出信号控制各电平台阶电路中的开关管动作，当延时时间达到后，各电平台阶电路输出不同电平台阶信号，这些信号统一送入信号结合电路，生成软关断电路的阶梯波控制信号。

Images