CN101741361A - 一种用于绝缘栅双极晶体管的斜率与峰值综合控制电路 - Google Patents

一种用于绝缘栅双极晶体管的斜率与峰值综合控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于绝缘栅双极晶体管的斜率与峰值综合控制电路,其特征在于:它包括一绝缘栅双极晶体管、一斜率与峰值综合控制电路、一门极驱动电路和一主电路;绝缘栅双极晶体管的门极并联连接斜率与峰值综合控制电路的输出端和门极驱动电路的一输出端,斜率与峰值综合控制电路的输入端并联连接绝缘栅双极晶体管的集电极和主电路的一输入端;门极驱动电路的另一输出端并联连接绝缘栅双极晶体管的发射极和主电路的另一输入端。本发明由于采用了电阻、电容和齐纳二极管等简单的小型元器件构成了斜率与峰值综合控制电路,并直接跨接在绝缘栅双极晶体管的集电极和门极之间,因此实现了电路拓扑简单的特点,提高了电路的可靠性。本发明可以广泛应用于电力电子领域的各种设备中。

Description

一种用于绝缘栅双极晶体管的斜率与峰值综合控制电路
技术领域
[0001] 本发明涉及一种功率半导体器件的控制电路,特别是关于一种电力电子领域中的 用于绝缘栅双极晶体管(IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor)的斜率与峰值综合 控制电路。
背景技术
[0002] IGBT是当前应用最为广泛的可关断电力电子器件,从低压电器到高压输配电设 备、从民用电力设施到军事装备、从传统的火力发电到新能源发电,都应用了这种器件。在 普通的应用场合中,采用普通的IGBT控制与保护电路,就可以满足运行要求。但在一些特 殊的应用领域中,IGBT器件必须承载很高的电压和很大的电流,甚至要求IGBT串联运行, 例如高压电子开关、高压脉冲电源、高压变频器、高压静止无功发生器(STATC0M)、轻型直流 输电、统一潮流控制器(UPFC)等等。这些应用场合都要求极高的可靠性,因此,必须重视 IGBT的控制与保护,保证IGBT的集-射电压不超出安全极限。可能导致IGBT集-射电压 越限的因素主要有以下两点:(1) IGBT开关过程中,集-射电压变化斜率太大,使得回路杂 散电感的感生电势过高,导致IGBT集-射电压峰值超过安全极限;(2) IGBT串联运行时不 均压,导致集_射电压峰值超过安全极限。由于IGBT开关速度极快,集_射电压变化斜率 通常不低于6000V/s,所以对IGBT的控制与保护必须具有纳秒级的响应速度,技术难度 很高。
[0003] 现有的IGBT集-射电压控制与保护的方法可大致分为两类:负载侧控制和门极侧 控制。负载侧控制主要通过在IGBT的集-射两端并联RCD(电阻电容二极管)吸收电路实 现,虽然效果较好,但其体积大、损耗高,不仅给实际电路结构设计带来很大麻烦,而且显著 提高了造价。门极侧控制主要包括:门极信号延迟调整、米勒电容伺服控制、跟踪电压参考 值和基于门极RCD辅助电路的控制。门极信号延迟调整,尤其是在线调整,控制电路必须能 够适应随温升而变化的IGBT特性,所以比较复杂,可靠性偏低。米勒电容伺服控制在实用 中也存在较大难度,因为很难精确定位米勒效应的起始和结束时刻。跟踪电压参考值的方 法又包含具体的措施,但要么是对IGBT串联个数有限制,要么是控制电路用到了微处理器 和高性能运放等芯片,比较复杂,可靠性较低而造价较高。基于门极RCD辅助电路的控制电 路简单,可靠性较高,但最大的问题是,它会导致IGBT集-射电压出现显著的振荡,甚至可 能导致IGBT误动作,危及设备安全。
发明内容
[0004] 针对上述问题,本发明的目的是提供一种结构简单、可靠性较高、控制效果较好的 用于绝缘栅双极晶体管的斜率与峰值综合控制电路。
[0005] 为实现上述目的,本发明采取以下技术方案:一种用于绝缘栅双极晶体管的斜率 与峰值综合控制电路,其特征在于:它包括一绝缘栅双极晶体管、一斜率与峰值综合控制电 路、一门极驱动电路和一主电路;所述绝缘栅双极晶体管的门极并联连接所述斜率与峰值
3综合控制电路的输出端和所述门极驱动电路的一输出端,所述斜率与峰值综合控制电路的 输入端并联连接所述绝缘栅双极晶体管的集电极和所述主电路的一输入端;所述门极驱动 电路的另一输出端并联连接所述绝缘栅双极晶体管的发射极和所述主电路的另一输入端。 [0006] 所述斜率与峰值综合控制电路包括三个电阻、两个电容、一个二极管和一个以上 的齐纳二极管;第一个所述电阻的一端并联连接第三个所述电阻的一端和所述绝缘栅双极 晶体管的集电极,另一端经串联第一个所述电容后,并联连接所述二极管的阴极和所述绝 缘栅双极晶体管的门极;第三个所述电阻的另一端依次与全部所述齐纳二极管反向串联, 最后一个所述齐纳二极管的两端分别并联连接第二个所述电阻和第二个所述电容,第一个 所述齐纳二极管的阳极串联连接所述二极管的阳极。
[0007] 所述主电路连接一个以上串联连接的所述绝缘栅双极晶体管,每个所述绝缘栅双
极晶体管对应连接一个所述斜率与峰值综合控制电路和 一个所述门极驱动电路。
[0008] 所述齐纳二极管的个数由所述绝缘栅双极晶体管的集-射电压峰值的参考值和
单只所述齐纳二极管的启动电压值确定。
[0009] 本发明由于采取以上技术方案,其具有以下优点:1、本发明由于采用了电阻、电容 和齐纳二极管等简单的小型元器件构成了斜率与峰值综合控制电路,并直接跨接在绝缘栅 双极晶体管的集电极和门极之间,因此实现了电路拓扑简单的特点,提高了电路的可靠性。 2、本发明由于在斜率与峰值综合控制电路中采用了米勒阻抗和纳秒级响应的齐纳二极管, 使得绝缘栅双极晶体管的集_射电压变化斜率和峰值均受到快速的负反馈控制,从而所有 受控的绝缘栅双极晶体管的集-射电压的变化斜率和峰值均保持一致,确保不超过安全极 限,因此改善了对绝缘栅双极晶体管的控制和保护效果。3、本发明由于采用在绝缘栅双极 晶体管的开关过程中,分两个阶段对集-射电压变化斜率和峰值实施控制,控制的强度可 通过电路参数进行调整,因此实现了可统筹考虑控制效果和开关损耗。因此,本发明可以广 泛应用于电力电子领域的各种设备中。
附图说明
[0010] 图1是本发明的电路结构示意图
[0011] 图2是本发明的斜率与峰值综合控制电路示意图
[0012] 图3是本发明的实施例一实验结果
[0013] 图4是本发明的实施例二实验结果
[0014] 图5是本发明的实施例三实验结果
具体实施方式
[0015] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0016] 如图1所示,本发明包括 一 绝缘栅双极晶体管(IGBT, Insulated Gate BipolarTransistor) 1、一斜率与峰值综合控制电路2、一门极驱动电路3和一主电路4。绝 缘栅双极晶体管1的门极并联连接斜率与峰值综合控制电路2的输出端和门极驱动电路3 的一输出端,斜率与峰值综合控制电路2的输入端并联连接绝缘栅双极晶体管1的集电极 和主电路4的一输入端。门极驱动电路3的另一输出端并联连接绝缘栅双极晶体管1的发 射极和主电路4的另一输入端,以实现对主电路4的控制。[0017] 如图2所示,斜率与峰值综合控制电路包括三个电阻I^〜R3、两个电容Q、(^、一个 用于防止门极驱动电流流向集电极的二极管D和n个齐纳二极管^〜Zn,其中n^ 1。电 阻&的一端并联连接电阻R3的一端和绝缘栅双极晶体管1的集电极,另一端经串联电容Q 后,分别与二极管D的阴极和绝缘栅双极型晶体管1的门极并联连接。电阻1?3的另一端依 次与n个齐纳二极管Zn〜Z工反向串联,并在第n个齐纳二极管Zn的两端并联连接电阻R2 和电容G,并且齐纳二极管Z工的阳极串联连接二极管D的阳极。
[0018] 上述实施例中,主电路4可以连接一个以上串联连接的绝缘栅双极晶体管l,每个
绝缘栅双极晶体管1对应连接一个斜率与峰值综合控制电路2和一个门极驱动电路3。
[0019] 上述实施例中,齐纳二极管Z工〜Zn的个数n,根据绝缘栅双极晶体管1的集_射
电压峰值的参考值和单只齐纳二极管的启动电压值确定。
[0020] 综上所述,本发明在使用时,其斜率与峰值综合控制过程如下:
[0021] 1)当绝缘栅双极晶体管1的集-射电压变化时,绝缘栅双极晶体管1的集电极通
过电阻&和电容Q向门极提供反馈电流,电阻&和电容Q为米勒阻抗,集_射电压变化斜
率越大,该反馈电流越强,从而实现对集-射电压变化斜率的负反馈闭环控制。
[0022] 2)当集-射电压峰值超过(n-l)个齐纳二极管Z工〜Zn—J勺启动电压之和时,(n-l)
个齐纳二极管Z工〜Zn—工启动。此时,由绝缘栅双极晶体管1的集电极经电阻R3、电容C2、
(n-l)个齐纳二极管Z工〜Zn—工和二极管D向门极提供反馈电流,此时电阻R3和电容C2为米
勒阻抗,减小了集_射电压变化斜率,起到抑制集_射电压尖峰的作用,并且反馈电流使得
绝缘栅双极晶体管1的门极电压升高,从而使得集-射电压不再迅速增加,实现了对集-射
电压峰值的第_阶段的负反馈控制。
[0023] 3)若集-射电压继续升高,反馈电流继续对电容C2充电,使得电容C2上的电压超 过齐纳二极管Zn的启动电压,那么齐纳二极管Zn启动。此时,由绝缘栅双极晶体管1的集 电极经电阻R3、 n个齐纳二极管Z工〜Zn和二极管D向门极提供反馈电流,反馈电流使得门 极的电压继续维持在较高的水平,从而抑制住集_射电压峰值的升高,实现了对集_射电压 峰值的第二阶段的负反馈控制。
[0024] 下面通过具体实施例对本发明的控制电路进行进一步的描述。 [0025] 实施例一 :
[0026] 如图3所示,在采用两个串联的1.7kV/800A绝缘栅双极晶体管,在直流电压 1. 7kV、负载电流520A时关断(阻感性负载),集-射电压斜率参考值为3000V/ y s,集-射 电压峰值参考值为1. 2kV的情况下,本发明的斜率与峰值综合控制电路的控制效果。两个 绝缘栅双极晶体管的斜率均受到控制,集-射电压V^峰值在达到约1. lkV时受到第一阶 段的峰值控制,波形发生转折,接着在约1.2kV时受到第二阶段的峰值控制。其中,V^为 集-射电压;Ic为集电极电流。实验证明,斜率和峰值综合控制有效,绝缘栅双极晶体管始 终工作在安全范围之内,并实现了两个绝缘栅双极晶体管1的动态均压。 [0027] 实施例二 :
[0028] 如图4所示,在采用两个串联的1. 7kV/800A绝缘栅双极晶体管,在直流电压 1. 7kV、负载电流470A时关断(阻感性负载),集-射电压斜率参考值为3000V/ y s,集-射 电压峰值参考值为1. lkV,两个绝缘栅双极型晶体管的关断信号相差400ns的情况下,本发 明的斜率与峰值综合控制电路的控制效果。两个绝缘栅双极晶体管的斜率均受到控制,早关断的绝缘栅双极晶体管的集_射电压VCE峰值先达到1. lkV,并分别受到第一阶段和第二 阶段的峰值控制,波形发生两次转折;接着晚关断的绝缘栅双极晶体管的集_射电压VCE峰 值也达到1. lkV,并分别受到第一阶段和第二阶段的峰值控制,波形也发生了两次转折。其 中,VcE为集-射电压;Ic为集电极电流。实验证明,斜率和峰值综合控制有效,绝缘栅双极
晶体管始终工作在安全范围之内,并实现了两个绝缘栅双极晶体管的动态均压。 [0029] 实施例三:
[0030] 如图5所示,在采用八个串联的1.7kV/800A绝缘栅双极晶体管,在直流电压 7. 3kV、负载电流700A时关断(阻感性负载),集-射电压斜率参考值为3000V/ y s,集-射 电压峰值参考值为1. 2kV的情况下,本发明的斜率与峰值综合控制电路的控制效果。八个 绝缘栅双极晶体管的斜率和峰值均受到控制,全部工作在安全范围之内,并实现了全部绝 缘栅双极晶体管的动态均压。
[0031 ] 上述各实施例仅为本发明的应用,并非用于限定本发明的实施范围。凡基于本发 明技术方案上的变化和改进,不应排除在本发明的保护范围之外。
6

Claims (5)

  1. 一种用于绝缘栅双极晶体管的斜率与峰值综合控制电路,其特征在于:它包括一绝缘栅双极晶体管、一斜率与峰值综合控制电路、一门极驱动电路和一主电路;所述绝缘栅双极晶体管的门极并联连接所述斜率与峰值综合控制电路的输出端和所述门极驱动电路的一输出端,所述斜率与峰值综合控制电路的输入端并联连接所述绝缘栅双极晶体管的集电极和所述主电路的一输入端;所述门极驱动电路的另一输出端并联连接所述绝缘栅双极晶体管的发射极和所述主电路的另一输入端。
  2. 2. 如权利要求1所述的一种用于绝缘栅双极晶体管的斜率与峰值综合控制电路,其特 征在于:所述斜率与峰值综合控制电路包括三个电阻、两个电容、一个二极管和一个以上的 齐纳二极管;第一个所述电阻的一端并联连接第三个所述电阻的一端和所述绝缘栅双极晶 体管的集电极,另一端经串联第一个所述电容后,并联连接所述二极管的阴极和所述绝缘 栅双极晶体管的门极;第三个所述电阻的另一端依次与全部所述齐纳二极管反向串联,最 后一个所述齐纳二极管的两端分别并联连接第二个所述电阻和第二个所述电容,第一个所 述齐纳二极管的阳极串联连接所述二极管的阳极。
  3. 3. 如权利要求1所述的一种用于绝缘栅双极晶体管的斜率与峰值综合控制电路,其特 征在于:所述主电路连接一个以上串联连接的所述绝缘栅双极晶体管,每个所述绝缘栅双 极晶体管对应连接一个所述斜率与峰值综合控制电路和一个所述门极驱动电路。
  4. 4. 如权利要求2所述的一种用于绝缘栅双极晶体管的斜率与峰值综合控制电路,其特 征在于:所述主电路连接一个以上串联连接的所述绝缘栅双极晶体管,每个所述绝缘栅双 极晶体管对应连接一个所述斜率与峰值综合控制电路和一个所述门极驱动电路。
  5. 5. 如权利要求1或2或3或4所述的一种用于绝缘栅双极晶体管的斜率与峰值综合控 制电路,其特征在于:所述齐纳二极管的个数由所述绝缘栅双极晶体管的集-射电压峰值 的参考值和单只所述齐纳二极管的启动电压值确定。
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