CN102315763B - 一种具有软关断功能的智能功率模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有软关断功能的智能功率模块，包括IGBT、门极驱动电路、软关断电路和控制逻辑电路，所述软关断电路包括：开关场效应管；放电场效应管；电容，其一端与所述开关场效应管的源极相连，另一端接地；开关，其输入端与所述开关场效应管的源极相连；恒流源，其输入端与所述开关的输出端相连，输出端接地；运算放大器，其反相输入端与所述开关场效应管的源极相连，同相输入端与所述IGBT的门极相连，输出端与所述放电场效应管的栅极相连；比较器，其同相输入端与所述放电场效应管的栅极相连，反相输入端与参考电压相连，输出端与开关的控制端相连。本发明可用于智能功率模块。
Description
技术领域
本发明涉及智能功率模块，尤其是涉及一种具有软关断功能的智能功率模块。
背景技术
智能功率模块（Intelligent Power Module，IPM）是以IGBT（Insulated Gate Bipolar
Transistor，绝缘栅双极型晶体管）为内核的先进混合集成功率部件，其由高速低功耗管芯IGBT、门极驱动电路和快速保护电路构成，快速保护电路包括有软关断电路等。IPM内的IGBT管芯都选用高速型的，而且驱动电路紧靠IGBT，驱动延时小，所以IPM开关速度快，损耗小。IPM内部集成了能连续检测IGBT电流和温度的实时检测电路，当发生严重过载甚至直接短路时，以及温度过热时，快速保护电路的软关断电路工作，IGBT将被有控制地软关断，同时发出故障信号。
现有智能功率模块的软关断通常采用固定电阻放电的软关断保护电路，智能功率模块的电路图如图3所示。IGBT T＇的集电极C接高压V+，同时，高压V+连接到二极管D＇的阴极K，二极管D＇的阳极A连接到控制逻辑电路的电压采样检测端VSOC，控制逻辑电路的开启脉冲输出端on与第一场效应管M1＇的栅极相连，第一场效应管M1＇的漏极与24V的电源VCC＇相连，第一场效应管M1＇的源极与第一电阻R1＇串联后连接到IGBT T＇的门极。控制逻辑电路的关闭脉冲输出端off与第二场效应管M2＇的栅极相连，第二场效应管M2＇的漏极与第二电阻R2＇串联后连接到IGBT T＇的门极，第二场效应管M2＇的源极接地。控制逻辑电路的软关断输出控制端softoff与第三场效应管M3＇的栅极相连，第三场效应管M3＇的漏极与第三电阻R3＇串联后连接到IGBT T＇的门极，第三场效应管M3＇的源极接地。控制逻辑电路的波形输入端PW接收从外部输入的波形，并经过变换后从开启脉冲输出端on、关闭脉冲输出端off和软关断输出控制端softoff输出。其中，第一电阻R1＇和第二电阻R2＇均为4Ω较小，用于硬关断，第三电阻R3＇为20 Ω较大，用于软关断。
其中，第一场效应管M1＇、第二场效应管M2＇、第一电阻R1＇和第二电阻R2＇构成门极驱动电路，第三场效应管M3＇和电阻R3＇构成软关断电路，二极管D＇构成电压采样检测电路，控制逻辑电路用于产生控制门极驱动电路和软关断电路的脉冲波形。该技术通过在软关断输出控制端softoff输出脉冲控制第三场效应管M3＇导通，采用固定电阻放电来将IGBT T＇的门极电位拉到低电平，使IGBT T＇关断。但是，该种方法存在一定的缺陷：第一、关断的延时过长；第二、模块电压有产生尖峰脉冲的隐患，造成模块由于过压而损坏。
因此，如何设计出能保证在较短的时间里，实现更安全的软关断，而且低成本的电路是业界内有待解决的技术问题。
发明内容
本发明为了解决现有技术智能功率模块的软关断通常采用固定电阻放电的软关断保护电路，导致关断的延时过长和智能功率模块电压易产生尖峰脉冲造成过压而损坏的技术问题，提供了一种具有软关断功能的智能功率模块。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为设计一种具有软关断功能的智能功率模块，包括IGBT、用于控制IGBT的门极驱动电路、用于关断IGBT的软关断电路和用于控制所述门极驱动电路和软关断电路的控制逻辑电路，所述控制逻辑电路、门极驱动电路和IGBT依次连接，所述软关断电路连接在所述控制逻辑电路和IGBT之间，且所述软关断电路与所述门极驱动电路并联，所述控制逻辑电路具有软关断输出控制端，所述软关断电路包括：
开关场效应管，其栅极与所述软关断输出控制端相连，漏极与电源相连；
放电场效应管，其漏极与所述IGBT的门极相连，源极接地；
电容，其一端与所述开关场效应管的源极相连，另一端接地；
开关，其输入端与所述开关场效应管的源极相连；
恒流源，其输入端与所述开关的输出端相连，输出端接地；
运算放大器，其反相输入端与所述开关场效应管的源极相连，同相输入端与所述IGBT的门极相连，输出端与所述放电场效应管的栅极相连；
比较器，其同相输入端与所述放电场效应管的栅极相连，反相输入端与参考电压相连，输出端与开关的控制端相连。
所述控制逻辑电路还具有开启脉冲输出端和关闭脉冲输出端，所述门极驱动电路包括：
第一场效应管，其栅极与所述控制逻辑电路的开启脉冲输出端相连，漏极与电源相连；
第一电阻，其一端与所述第一场效应管的源极相连，另一端与所述IGBT的门极相连；
第二场效应管，其栅极与所述控制逻辑电路的关闭脉冲输出端相连，源极接地；
第二电阻，其一端与所述第二场效应管的漏极相连，另一端与所述IGBT的门极相连。
所述具有软关断功能的智能功率模块还包括电压采样检测电路，所述控制逻辑电路还具有一电压采样检测端，所述电压采样检测电路包括二极管，其阴极与所述IGBT的集电极相连，阳极与所述控制逻辑电路的电压采样检测端相连。
本发明通过设置开关场效应管、放电场效应管、电容、开关、比较器、运算放大器和恒流源，使得正常工作的时候，电容已经充满电，当控制逻辑电路输出高电平的时候，开关场效应管关断，此时运算放大器的反相输入端的电压为高，开关处于闭合状态，电容通过恒流源进行线性放电，使得运算放大器的反相输入端处的电压呈线性变化，放电场效应管的漏极端的电压也呈线性变化，因此能有效地控制IGBT门极的关断速度。当放电场效应管栅极的电压达到参考电压时，说明放电场效应管驱动能力不足，IGBT进入米勒平台期。比较器输出的电平翻转变为高电平，开关断开，电容停止放电，放电场效应管继续大电流放电，迅速结束米勒平台，之后，放电场效应管栅极电压掉落参考电压以下，开关接通，电容继续线性放电，IGBT门极电压线性下降，IGBT集电极电流近似线性减小。缩短了IGBT关断时的米勒效应时间平台，加长了放电时间，避免了IGBT集电极高压的产生，实现了具有安全保障的软关断保护。
附图说明
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：
图1是本发明具有软关断功能的智能功率模块的电路图；
图2是本发明具有软关断功能的智能功率模块与现有技术的波形对比图；
图3是现有技术智能功率模块的电路图。
具体实施方式
请参见图1。本发明具有软关断功能的智能功率模块，包括IGBT、用于控制IGBT的门极驱动电路、用于关断IGBT的软关断电路、用于控制所述门极驱动电路和软关断电路的控制逻辑电路和用于检测IGBT集电极电流是否过大的电压采样检测电路，所述控制逻辑电路、门极驱动电路和IGBT依次连接，所述软关断电路连接在所述控制逻辑电路和IGBT之间，且所述软关断电路与所述门极驱动电路并联。其中：
控制逻辑电路用于产生控制门极驱动电路和软关断电路的脉冲波形，其具有软关断输出控制端softoff、电压采样检测端VSOC、开启脉冲输出端on、关闭脉冲输出端off和外部脉冲接收端PW。控制逻辑电路的波形输入端PW接收外部脉冲并经过转换后转换成用于控制门极驱动电路和软关断电路的脉冲，同时，控制逻辑电路还与电压采样检测电路连接，以接收电压采样检测电路送来的检测信号，并当检测到IGBT集电极电流过大时输出脉冲至软关断输出控制端，控制软关断电路工作，软关断IGBT。控制逻辑电路可采用单片机，也可以采用其他触发电路等。
门极驱动电路包括第一场效应管M1、第二场效应管M2、第一电阻R1和第二电阻R2。电压采样检测电路包括二极管D。软关断电路包括开关场效应管M4、放电场效应管M3、电容C、开关B、恒流源H、运算放大器OPA和比较器comp。
IGBT T的集电极C接高压V+，同时，高压V+连接到二极管D的阴极K，二极管D的阳极A连接到控制逻辑电路的电压采样检测端VSOC，控制逻辑电路的开启脉冲输出端on与第一场效应管M1的栅极相连，第一场效应管M1的漏极与24V的电源VCC相连，第一场效应管M1的源极与第一电阻R1串联后连接到IGBT T的门极。控制逻辑电路的关闭脉冲输出端off与第二场效应管M2的栅极相连，第二场效应管M2的漏极与第二电阻R2串联后连接到IGBT T的门极，第二场效应管M2的源极接地。控制逻辑电路的波形输入端PW接收从外部输入的波形，并经过变换后从开启脉冲输出端on、关闭脉冲输出端off和软关断输出控制端softoff输出。其中，第一电阻R1＇和第二电阻R2＇均为4Ω，较小。
开关场效应管M4的栅极与软关断输出控制端softoff相连，漏极与电源VCC相连，源极与电容C、运算放大器OPA的反相输入端和开关B相连。电容C的一端与所述开关场效应管的源极相连，另一端接地。开关B的输入端与开关场效应管M4的源极相连，输出端与恒流源H的输入端相连，控制端与比较器comp的输出端相连。放电场效应管M3的漏极与所IGBT T的门极相连，源极接地，栅极与运算放大器OPA的输出端相连。恒流源H的输入端与开关B的输出端相连，输出端接地。运算放大器OPA的反相输入端与开关场效应管M4的源极相连，同相输入端与IGBT T的门极相连，输出端与放电场效应管M3的栅极相连。比较器comp的同相输入端与放电场效应管M3的栅极相连，反相输入端与参考电压VREF相连，输出端与开关B的控制端相连。
请一并参见图2和图3。在图3中，PW表示PW端的脉冲波形，on表示开启脉冲输出端on端的脉冲波形，off表示关闭脉冲输出端off端的脉冲波形，softoff表示软关断输出控制端softoff端的脉冲波形，VCAP表示电容C的电压，VG表示IGBT门极电压， VC表示IGBT集电极电压，IC表示IGBT集电极电流。VG＇表示现有技术IGBT门极电压， VC＇表示现有技术IGBT集电极电压，IC＇表示现有技术IGBT集电极电流。△t表示本发明IGBT米勒平台时间，△t1表示现有技术IGBT米勒平台时间。△t2表示本发明IGBT结束米勒平台后的放电时间，△t3表示现有技术IGBT结束米勒平台后的放电时间。
本发明具有软关断功能的智能功率模块的工作原理如下：
正常工作情况下，控制逻辑电路的软关断输出控制端softoff为低电平，开关场效应管M4导通，对电容C进行充电，放电场效应管M3处于关断状态，软关断电路不工作，门极驱动电路正常工作。即：当控制逻辑电路的开启脉冲输出端on、关闭脉冲输出端off为低电平时，第一场效应管M1导通，第二场效应管M2关断，VG电位拉高，IGBT T就开启导通了，当on、off端由低电平变为高电平时，第一场效应管M1关断，第二场效应管M2导通，VG电位拉低，IGBT T关断，这种关断属于正常的硬关断。
当IC电流过大，超过智能功率模块的保护值时，通过控制逻辑电路的电压采样检测端VSOC分析，控制逻辑电路进行逻辑处理，软关断输出控制端softoff变为高电平，开关场效应管M4关断，on端变为高电平，第一场效应管M1关断，off端为低电平，第二场效应管M2关断，智能功率模块进入软关断保护状态，驱动电路关断不工作。
由于正常工作的时候，开关场效应管M4导通，对电容C进行充电，电容C已经充满电，当softoff端变为高电平的时候，开关场效应管M4关断，此时VCAP处的电压为高，开关B处于闭合状态，电容C通过恒流源H进行线性放电，使得VCAP处的电压呈线性变化，soft端的电压VG也呈线性变化，因此能有效地控制IGBT T的门极的关断速度。当放电场效应管M3栅极的电压达到VREF参考电压时，说明放电场效应管M3驱动能力不足，IGBT T进入米勒平台期。比较器comp输出的电平翻转变为高电平“1”，开关B断开，电容C停止放电。 放电场效应管M3继续大电流放电，迅速结束米勒平台，之后，放电场效应管M3栅极电压掉落VREF以下，比较器comp输出的电平翻转变为低电平“0”，开关B接通，电容C继续线性放电，IGBT门极电压线性下降，IGBT集电极电流近似线性减小。显然，同现有技术相比，△t<△t1，△t2>△t3。由于缩短了IGBT关断时的米勒平台时间△t，加长了米勒平台后的放电时间△t2，从而减小di/dt，避免了IGBT集电极高压的产生，实现了最具有安全保障的软关断保护。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种具有软关断功能的智能功率模块，包括IGBT、用于控制IGBT的门极驱动电路、用于关断IGBT的软关断电路和用于控制所述门极驱动电路和软关断电路的控制逻辑电路，所述控制逻辑电路、门极驱动电路和IGBT依次连接，所述软关断电路连接在所述控制逻辑电路和IGBT之间，且所述软关断电路与所述门极驱动电路并联，所述控制逻辑电路具有软关断输出控制端，其特征在于：所述软关断电路包括：
开关场效应管，其栅极与所述软关断输出控制端相连，漏极与电源相连；
放电场效应管，其漏极与所述IGBT的门极相连，源极接地；
电容，其一端与所述开关场效应管的源极相连，另一端接地；
开关，其输入端与所述开关场效应管的源极相连；
恒流源，其输入端与所述开关的输出端相连，输出端接地；
运算放大器，其反相输入端与所述开关场效应管的源极相连，同相输入端与所述IGBT的门极相连，输出端与所述放电场效应管的栅极相连；
比较器，其同相输入端与所述放电场效应管的栅极相连，反相输入端与参考电压相连，输出端与开关的控制端相连。
2.根据权利要求1所述的具有软关断功能的智能功率模块，其特征在于：所述控制逻辑电路还具有开启脉冲输出端和关闭脉冲输出端，所述门极驱动电路包括：
第一场效应管，其栅极与所述控制逻辑电路的开启脉冲输出端相连，漏极与电源相连；
第一电阻，其一端与所述第一场效应管的源极相连，另一端与所述IGBT的门极相连；
第二场效应管，其栅极与所述控制逻辑电路的关闭脉冲输出端相连，源极接地；
第二电阻，其一端与所述第二场效应管的漏极相连，另一端与所述IGBT的门极相连。
3.根据权利要求1所述的具有软关断功能的智能功率模块，其特征在于：所述具有软关断功能的智能功率模块还包括电压采样检测电路，所述控制逻辑电路还具有一电压采样检测端，所述电压采样检测电路包括二极管，其阴极与所述IGBT的集电极相连，阳极与所述控制逻辑电路的电压采样检测端相连。
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