CN102594099A - 智能功率模块的栅极驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能功率模块的栅极驱动电路，包括第一至第六绝缘栅双极型晶体管，其中第一绝缘栅双极型晶体管的射极与第四绝缘栅双极型晶体管的集极相连，连接点为电机的U相；第二绝缘栅双极型晶体管的射极与第五绝缘栅双极型晶体管的集极相连，连接点为电机的V相；第三绝缘栅双极型晶体管的射极与第六绝缘栅双极型晶体管的集板相连，连接点为电机的W相；其特征在于还包括第八、第九采样电阻、第一至第六电阻值自动调节电路及第一至第四电源。其优点为：能够自动适应不同的应用场合，在减少振铃干扰和控制开关损耗间取得平衡，有效降低智能功率模块发生电击穿和热击穿的几率。

Description

智能功率模块的栅极驱动电路

技术领域

本发明涉及一种智能功率模块的栅极驱动电路，尤其涉及智能功率模块（IPM）中的高压器件开关时间处理，其还涉及到智能功率模块的振铃抑制技术。

背景技术

智能功率模块即IPM（Intelligent Power Module）是一种将电力电子和集成电路技术结合的功率驱动类产品。智能功率模块把功率开关器件和高压驱动电路集成在一起并内藏有过电压、过电流和过热等故障检测电路。智能功率模块一方面接收MCU的控制信号来驱动后续电路工作，另一方面将系统的状态检测信号送回MCU。与传统分立方案相比，智能功率模块以其高集成度、高可靠性等优势赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器及各种逆变电源，是变频调速，冶金机械，电力牵引，伺服驱动，变频家电的一种理想电力电子器件。

智能功率模块的栅极驱动电路一般接感性负载，其内部的IGBT的开关速度的快慢会直接影响到I绝缘栅双极型晶体管开关时所产生的振铃的大小。目前应用于智能功率模块中的栅极驱动电路中使用的是固定的电阻对开关时间进行控制，对于不同的应用场合负载的电感不同，固定的电阻在一些应用场合产生的振铃大小在IGBT的可承受电压范围内，在另一些应用场合产生的振铃大小可能会超出IGBT的耐压范围，导致IGBT损坏并进而使智能功率模块发生爆炸。

如图1所示，目前使用的智能功率模块中的栅极驱动电路包括第一至第七电阻R1-R7及第一至第一至第六绝缘栅双极型晶体管IGBT1-IGBT6；其中H1为第一上桥臂、H2为第二上桥臂、H3为第三上桥臂；L1为第一下桥臂、L2为下桥臂、L3为第三下桥臂；H1接电阻101的一端，电阻101的另一端与IGBT管107的栅极相连；第一电阻R1串接在第一上桥臂H1与第一绝缘栅双极型晶体管IGBT1的栅极之间；第二电阻R2串接在第二上桥臂H2与第二绝缘栅双极型晶体管IGBT2的栅极之间；第三电阻R3串接在第三上桥臂H3与第三绝缘栅双极型晶体管IGBT3的栅极之间；第四电阻R4串接在第一下桥臂L1与第四绝缘栅双极型晶体管IGBT4的栅极之间；第五电阻R5串接在第二下桥臂L2与第五绝缘栅双极型晶体管IGBT5的栅极之间；第六电阻R6串接在第三下桥臂L3与第六绝缘栅双极型晶体管IGBT6的栅极之间；第一、二、三绝缘栅双极型晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT3的集极相连并接高压点P；第四、五、六绝缘栅双极型晶体管IGBT4、IGBT5、IGBT6的射极相连并接第七电阻7的一端，第七电阻的另一端接地电位GND；第一绝缘栅双极型晶体管IGBT1与第四绝缘栅双极型晶体管IGBT4的集极相连，该连接点为电机M的U相；第二绝缘栅双极型晶体管IGBT2与第五绝缘栅双极型晶体管IGBT2的集极相连，该连接点为电机M的V相；第三绝缘栅双极型晶体管IGBT3与第六绝缘栅双极型晶体管IGBT6的集相连，该连接点为电机M的W相。

工作时，第一绝缘栅双极型晶体管IGBT1与第四绝缘栅双极型晶体管IGBT4、第二绝缘栅双极型晶体管IGBT2与第五绝缘栅双极型晶体管IGBT5、第三绝缘栅双极型晶体管IGBT3与第六绝缘栅双极型晶体管IGBT6会交替导通，图2是以U相为例的波形：

（1）当H1为低电平及L1为高电平时，第一绝缘栅双极型晶体管IGBT1截止，第四绝缘栅双极型晶体管IGBT4导通，U电位与GND相同；

（2）当H1迅速从低电平变成高电平，L1迅速从高电平变成低电平时，第一绝缘栅双极型晶体管IGBT1迅速导通，第四绝缘栅双极型晶体管IGBT4迅速截止，U电位迅速上升并产生振铃，最后稳定在电压P；

（3）当H1为高电平及L1为低电平时，第一绝缘栅双极型晶体管IGBT1导通、第四绝缘栅双极型晶体管IGBT4截止，U电位与P相同；

（4）当H1迅速从高电平变成低电平及L1迅速从低电平变成高电平时，第一绝缘栅双极型晶体管IGBT1迅速截止、第四绝缘栅双极型晶体管IGBT4迅速导通，U电位迅速下降并产生振铃，最后稳定在电压GND。

U相产生的振荡幅度可以达到P点电压的2倍；而在U相发生大幅震荡时，第四、五、六绝缘栅双极型晶体管的电压也随之发生剧烈的高频振荡，其振幅可以达到其理论稳态值的数十倍。

第一至第一至第六绝缘栅双极型晶体管的开关速度及负载的电感大小是决定U、V、W相在迅速上升和下降时的振铃的振幅大小及持续时间；如果振铃过大，超过了第一至第一至第六绝缘栅双极型晶体管的可承受电压，就有可能电压击穿第一至第一至第六绝缘栅双极型晶体管；如果振铃持续时间过长，可能会导致第一至第一至第六绝缘栅双极型晶体管同时导通而产生大电流使它们热击穿。

发明内容

本发明旨在解决现有技术的不足，提供一种智能功率模块的栅极驱动电路，其可根据应用场合自动调节所有绝缘栅双极型晶体管的开关速度，可有效控制绝缘栅双极型晶体管开关时的振铃幅度。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种智能功率模块的栅极驱动电路，包括第一至第六绝缘栅双极型晶体管，其中第一绝缘栅双极型晶体管的射极与第四绝缘栅双极型晶体管的集极相连，连接点为电机的U相；第二绝缘栅双极型晶体管的射极与第五绝缘栅双极型晶体管的集极相连，连接点为电机的V相；第三绝缘栅双极型晶体管的射极与第六绝缘栅双极型晶体管的集板相连，连接点为电机的W相；其特征在于还包括第八采样电阻、第九采样电阻、第一至第六电阻值自动调节电路及第一至第四电源；其中第一至第三电阻值自动调节电路的第一输入端分别为第一上桥臂、第二上桥臂及第三上桥臂，第四至第六电阻值自动调节电路的第一输入端分别为第一下桥臂、第二下桥臂及第三下桥臂；高压点P通过第八采样电阻分别接第一、二、三绝缘栅双极型晶体管的集极及第一、二、三电阻值自动调节电路的第二输入端；所述第一电阻值自动调节电路的第三输入端接第一绝缘栅双极型晶体管的射极，第一电阻值自动调节电路的输出端接第一绝缘栅双极型晶体管的栅极，第一电源为第一电阻值自动调节电路提供工作电压；所述第二电阻值自动调节电路的第三输入端接第二绝缘栅双极型晶体管的射极，第二电阻值自动调节电路的输出端接第二绝缘栅双极型晶体管的栅极，第二电源为第二电阻值自动调节电路提供工作电压；所述第三电阻值自动调节电路的第三输入端接第三绝缘栅双极型晶体管的射极，第三电阻值自动调节电路的输出端接第三绝缘栅双极型晶体管的栅极，第三电源为第三电阻值自动调节电路提供工作电压；所述第九采样电阻的一端分别接第四、五、六绝缘栅双极型晶体管的射极及第四至第六电阻值自动调节电路的第三输入端，第九采样电阻的另一端接地；所述第四电阻值自动调节电路的第二输入端接地，第四电阻值自动调节电路的输出端接第四绝缘栅双极型晶体管的栅极；所述第五电阻值自动调节电路的第二输入端接地，第五电阻值自动调节电路的输出端接第五绝缘栅双极型晶体管的栅极；所述第六电阻值自动调节电路的第二输入端接地，第六电阻值自动调节电路的输出端接第四绝缘栅双极型晶体管的栅极；第四电源为第四至六电阻值自动调节电路提供工作电压。

所述第四电阻值自动调节电路包括RS触发器、电压比较器、第一非门、第二非门、第五电源、第十电阻及第十一电阻；其中第十电阻及第十一电阻的一端连接，该连接点为第四电阻值自动调节电路的第一输入端即第一下桥臂，第十电阻的另一端接场效应管的源极，第十一电阻的另一端分别接第四绝缘栅双极型晶体管的栅极及场效应管的漏极，该端为第四电阻值自动调节电路的输出端；场效应管的栅极接第一非门的输出端，第一非门的输入端接RS触发器的输出端；RS触发器的S输入端接第二非门的输出端，RS触发器的R输入端接地，第二非门的输入端接电压比较器的输出端；电压比较器的正输入端接第四绝缘栅双极型晶体管的射极，电压比较器的负输入端接第五电源的正极；所述第四电源为RS触发器、电压比较器、第一非门及第二非门提供工作电压；所述第一、二、三、五、六电阻值自动调节电路与第四电阻值自动调节电路相同。

所述第十一电阻的电阻值比第十电阻的电阻值大八倍以上。

本发明与现有技术相比的优点为：能够自动适应不同的应用场合，在减少振铃干扰和控制开关损耗间取得平衡，有效降低智能功率模块发生电击穿和热击穿的几率。

附图说明

图1是现有技术的电路原理图；

图2是现有技术的关键点的波形图；

图3是本发明的电路原理图；

图4是本发明的电阻值自动调节电路的电路原理图。

具体实施例

以下将结合附图和实施例对本发明内容进一步说明。

如图3所示，一种智能功率模块的栅极驱动电路，包括第一至第六绝缘栅双极型晶体管IGBT1-IGBT6，其中第一绝缘栅双极型晶体管IGBT1的射极与第四绝缘栅双极型晶体管IGBT4的集极相连，连接点为电机M的U相；第二绝缘栅双极型晶体管IGBT2的射极与第五绝缘栅双极型晶体管IGBT5的集极相连，连接点为电机M的V相；第三绝缘栅双极型晶体管IGBT3的射极与第六绝缘栅双极型晶体管IGBT6的集板相连，连接点为电机M的W相；本发明的特点是还包括第八采样电阻R8、第九采样电阻R9、第一至第六电阻值自动调节电路1-6及第一至第四电源E1-E4；其中第一电阻值自动调节电路1的第一输入端为第一上桥臂H1，第二电阻值自动调节电路2的第一输入端为第二上桥臂H2，第三电阻值自动调节电路3的第一输入端为第三上桥臂H3，第四电阻值自动调节电路4的第一输入端为第一下桥臂L1，第五电阻值自动调节电路5的第一输入端为第二下桥臂L2，第六电阻值自动调节电路6的第一输入端为第三下桥臂L3；高压点P通过第八采样电阻R8分别接第一、二、三绝缘栅双极型晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT3的集极及第一、二、三电阻值自动调节电路1、2、3的第二输入端；所述第一电阻值自动调节电路1的第三输入端接第一绝缘栅双极型晶体管IGBT1的射极，第一电阻值自动调节电路1的输出端接第一绝缘栅双极型晶体管IGBT1的栅极，第一电源E1为第一电阻值自动调节电路1提供工作电压；所述第二电阻值自动调节电路2的第三输入端接第二绝缘栅双极型晶体管IGBT2的射极，第二电阻值自动调节电路2的输出端接第二绝缘栅双极型晶体管IGBT2的栅极，第二电源E2为第二电阻值自动调节电路2提供工作电压；所述第三电阻值自动调节电路3的第三输入端接第三绝缘栅双极型晶体管IGBT3的射极，第三电阻值自动调节电路3的输出端接第三绝缘栅双极型晶体管IGBT3的栅极，第三电源E3为第三电阻值自动调节电路3提供工作电压；所述第九采样电阻R9的一端分别接第四、五、六绝缘栅双极型晶体管IGBT4、IGBT5、IGBT6的射极及第四至第六电阻值自动调节电路的第三输入端，第九采样电阻R9的另一端接地；所述第四电阻值自动调节电路4的第二输入端接地，第四电阻值自动调节电路4的输出端接第四绝缘栅双极型晶体管IGBT4的栅极；所述第五电阻值自动调节电路5的第二输入端接地，第五电阻值自动调节电路5的输出端接第五绝缘栅双极型晶体管IGBT5的栅极；所述第六电阻值自动调节电路6的第二输入端接地，第六电阻值自动调节电路6的输出端接第四绝缘栅双极型晶体管IGBT6的栅极；第四电源E4为第四至六电阻值自动调节电路提供工作电压。

 在本实施例中，如图4所示，所述第四电阻值自动调节电路4包括RS触发器IC1、电压比较器IC2、第一非门T1、第二非门T2、第五电源E5、第十电阻R10及第十一电阻R11；其中第十电阻R10及第十一电阻R11的一端连接，该连接点为第四电阻值自动调节电路4的第一输入端即第一下桥臂L1，第十电阻R10的另一端接场效应管MOS的源极，第十一电阻R11的另一端分别接第四绝缘栅双极型晶体管IGBT4的栅极及场效应管MOS的漏极，该端为第四电阻值自动调节电路4的输出端；场效应管MOS的栅极接第一非门T1的输出端，第一非门T1的输入端接RS触发器IC1的输出端；RS触发器IC1的S输入端接第二非门T2的输出端，RS触发器IC1的R输入端接地，第二非门T2的输入端接电压比较器IC2的输出端；电压比较器IC2的正输入端接第四绝缘栅双极型晶体管IGBT4的射极，该端为第四电阻值自动调节电路4的第三输入端，电压比较器IC2的负输入端接第五电源E5的正极，第五电源E5的负极接地，该端为第四电阻值自动调节电路4的第二输入端；所述第四电源E4为RS触发器IC1、电压比较器IC2、第一非门T1及第二非门T2提供工作电压；所述第一、二、三、五、六电阻值自动调节电路与第四电阻值自动调节电路4相同。所述第十一电阻R11的电阻值比第十电阻R10的电阻值大八倍以上。

如图4所示，其是第四电阻值自动调节电路4的工作原理。初始上电时，所述RS触发器IC1的输出端被复位到低电平，第一非门T1输出高电平，场效应管MOS导通，此时，第四绝缘栅双极型晶体管IGBT4的栅极驱动电阻为第十电阻R10及第十一电阻R11并联后的电阻，由于第十一电阻R11的阻值比第十电阻R10大八倍以上，因此此时的栅极驱动等效电阻Rg= R10* R11/ （R10+ R11）≈R10。开始工作后，第四绝缘栅双极型晶体管IGBT4不断开关，如图2所示，第四绝缘栅双极型晶体管IGBT4管开关时，会产生振铃：

（1）当|ΔV2|<|Vf|时：

因为ΔV2和V5都是负电压，电压比较器IC2的正端电压高于负端电压，电压比较器IC2输出高电平，第二非门T2输出低电平，RS触发器IC1的输出保持不变为低电平，第一非门T1的输出保持高电平，场效应管MOS保持导通，即第四绝缘栅双极型晶体管IGBT4的等效电阻Rg 仍然约等于R10。此时，因为第四绝缘栅双极型晶体管IGBT4的栅极驱动电阻较小，第四绝缘栅双极型晶体管IGBT4开关速度较快，开关损耗较小，发热量也较小；

（2）当|ΔV2|>|V5|时：

因为ΔV2和V5都是负电压，电压比较器IC1的正端电压低于负端电压，电压比较器IC2输出低电平，第二非门T2输出高电平，RS触发器IC1的输出被置位到高电平，第一非门T1的输出为低电平，场效应管MOS截止，第四绝缘栅双极型晶体管IGBT4的等效电阻Rg等于R11。此时，因为第四绝缘栅双极型晶体管IGBT4的栅极驱动电阻较大，第四绝缘栅双极型晶体管IGBT4开关速度变慢，虽然开关损耗较大，但是产生的振铃明显减小，这时的振铃也许已经满足|ΔV2|<|V5|，但是由于RS触发器IC1的锁存作用，场效应管MOS会保持截止状态，第四绝缘栅双极型晶体管IGBT4的等效电阻Rg保持等于R11，从而有效确保第四绝缘栅双极型晶体管IGBT4不再受到大振铃电压的冲击，使第四绝缘栅双极型晶体管IGBT4不会产生电压击穿。

关于V5的值的设置，应根据第四绝缘栅双极型晶体管IGBT4的耐压能力、电流能力、第九采样电阻R9的阻值等因素确定，设第四绝缘栅双极型晶体管IGBT4的击穿电压为V，电流能力为I（100℃时），第九采样电阻R9的阻值为Rm，则V5的值可设置为：0.85/Rm<|V5|<0.95/Rm；

（1）当第四电阻值自动调节电路4测量到第九采样电阻R9的负向振荡幅度较小时，第四电阻值自动调节电路4表现为一个小阻值，使第四绝缘栅双极型晶体管IGBT4的开关速度较快，降低第四绝缘栅双极型晶体管IGBT4的开关损耗；

（2）当第四电阻值自动调节电路4测量到采样电阻的负向振荡幅度较大时，第四电阻值自动调节电路4表现为一个大阻值，使第四绝缘栅双极型晶体管IGBT4的开关速度较慢，减小因第四绝缘栅双极型晶体管IGBT4开关引起的振铃大小，避免第四绝缘栅双极型晶体管IGBT4过压击穿。

Claims (3)

1.一种智能功率模块的栅极驱动电路，包括第一至第六绝缘栅双极型晶体管（IGBT1）-（IGBT6），其中第一绝缘栅双极型晶体管（IGBT1）的射极与第四绝缘栅双极型晶体管（IGBT4）的集极相连，连接点为电机（M）的U相；第二绝缘栅双极型晶体管（IGBT2）的射极与第五绝缘栅双极型晶体管（IGBT5）的集极相连，连接点为电机（M）的V相；第三绝缘栅双极型晶体管（IGBT3）的射极与第六绝缘栅双极型晶体管（IGBT6）的集板相连，连接点为电机（M）的W相；其特征在于还包括第八采样电阻（R8）、第九采样电阻（R9）、第一至第六电阻值自动调节电路及第一至第四电源（E1）-（E4）；其中第一至第三电阻值自动调节电路的第一输入端分别为第一上桥臂（H1）、第二上桥臂（H2）及第三上桥臂（H3），第四至第六电阻值自动调节电路的第一输入端分别为第一下桥臂（L1）、第二下桥臂（L2）及第三下桥臂（L3）；高压点P通过第八采样电阻（R8）分别接第一、二、三绝缘栅双极型晶体管（IGBT1）、（IGBT2）、（IGBT3）的集极及第一、二、三电阻值自动调节电路（1）、（2）、（3）的第二输入端；所述第一电阻值自动调节电路（1）的第三输入端接第一绝缘栅双极型晶体管（IGBT1）的射极，第一电阻值自动调节电路（1）的输出端接第一绝缘栅双极型晶体管（IGBT1）的栅极，第一电源（E1）为第一电阻值自动调节电路（1）提供工作电压；所述第二电阻值自动调节电路（2）的第三输入端接第二绝缘栅双极型晶体管（IGBT2）的射极，第二电阻值自动调节电路（2）的输出端接第二绝缘栅双极型晶体管（IGBT2）的栅极，第二电源（E2）为第二电阻值自动调节电路（2）提供工作电压；所述第三电阻值自动调节电路（3）的第三输入端接第三绝缘栅双极型晶体管（IGBT3）的射极，第三电阻值自动调节电路（3）的输出端接第三绝缘栅双极型晶体管（IGBT3）的栅极，第三电源（E3）为三电阻值自动调节电路（3）提供工作电压；所述第九采样电阻（R9）的一端分别接第四、五、六绝缘栅双极型晶体管（IGBT4）、（IGBT5）、（IGBT6）的射极及第四至第六电阻值自动调节电路的第三输入端，第九采样电阻（R9）的另一端接地；所述第四电阻值自动调节电路（4）的第二输入端接地，第四电阻值自动调节电路（4）的输出端接第四绝缘栅双极型晶体管（IGBT4）的栅极；所述第五电阻值自动调节电路（5）的第二输入端接地，第五电阻值自动调节电路（5）的输出端接第五绝缘栅双极型晶体管（IGBT5）的栅极；所述第六电阻值自动调节电路（6）的第二输入端接地，第六电阻值自动调节电路（6）的输出端接第四绝缘栅双极型晶体管（IGBT6）的栅极；第四电源（E4）为第四至六电阻值自动调节电路提供工作电压。

2.根据权利要求1所述的智能功率模块的栅极驱动电路，其特征在于所述第四电阻值自动调节电路（4）包括RS触发器（IC1）、电压比较器（IC2）、第一非门（T1）、第二非门（T2）、第五电源（E5）、第十电阻（R10）及第十一电阻（R11）；其中第十电阻（R10）及第十一电阻（R11）的一端连接，该连接点为第四电阻值自动调节电路（4）的第一输入端即第一下桥臂（L1），第十电阻（R10）的另一端接场效应管（MOS）的源极，第十一电阻（R11）的另一端分别接第四绝缘栅双极型晶体管（IGBT4）的栅极及场效应管（MOS）的漏极，该端为第四电阻值自动调节电路（4）的输出端；场效应管（MOS）的栅极接第一非门（T1）的输出端，第一非门（T1）的输入端接RS触发器（IC1）的输出端；RS触发器（IC1）的S输入端接第二非门（T2）的输出端，RS触发器（IC1）的R输入端接地，第二非门（T2）的输入端接电压比较器（IC2）的输出端；电压比较器（IC2）的正输入端接第四绝缘栅双极型晶体管（IGBT4）的射极，电压比较器（IC2）的负输入端接第五电源（E5）的正极；所述第四供电电源（E4）为RS触发器（IC1）、电压比较器（IC2）、第一非门（T1）及第二非门（T2）提供工作电压；所述第一、二、三、五、六电阻值自动调节电路与第四电阻值自动调节电路（4）相同。

3.根据权利要求2所述的智能功率模块的栅极驱动电路，其特征在于所述第十一电阻（R11）的电阻值比第十电阻（R10）的电阻值大八倍以上。

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