CN102780384A

CN102780384A - 高性能低成本igbt 负压自举驱动电路

Info

Publication number: CN102780384A
Application number: CN201210299622XA
Authority: CN
Inventors: 蒋小春
Original assignee: CHENGDU ZHONGDA HUARUI TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: CHENGDU ZHONGDA HUARUI TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2012-08-22
Filing date: 2012-08-22
Publication date: 2012-11-14

Abstract

高性能低成本IGBT负压自举驱动电路，包括直流电源、下臂光耦、栅极电阻R3、下臂绝缘栅双极型晶体管Q₂、负压电容C4和稳压二极管D5；上臂快恢复二极管D₁、上臂光耦、自举电容、栅极电阻R1、上臂绝缘栅双极型晶体管Q₁、负压电容C3和稳压二极管D2。改进处为：上臂Q₁的栅极和发射极间增设一支路,一端与Q₁发射极相连，另一端连在上臂光耦输出脚到Q₁栅极间的电路上；该支路有稳压二极管D6和反向串联的快恢复二极管D7。Q1开通时，栅极-发射极间电压是IGBT的最佳驱动电压，Q1关断时是负压，因此可以可靠地关断Q1。本发明解决了现有IGBT负压自举电路不能实现充电，上臂IGBT不能可靠关断，在大负载时出现烧毁设备的问题。设计参数合理，损耗小。节省了独立电源数目，使成本降低。用于驱动电机、逆变上网和变频器。

Description

高性能低成本IGBT 负压自举驱动电路

(一)技术领域：本发明涉及一种绝缘栅双极型晶体管IGBT的驱动电路。主要用于驱动电机、逆变上网和变频器。属直流和交流的转换电源类（H02M），脉冲技术类（H03K）。

(二)背景技术：

绝缘栅双极型晶体管（即IGBT）兼具电力场效应晶体管(MOSFET)和电力晶体管(BJT)的特点，使之在电力电子系统中得到了广泛的应用，特别是在变频技术行业。IGBT的使用关键在于设计合适的驱动电路。

在变频器中，IGBT的驱动电路按驱动电源分类，大致可分为两类：1）第1类是每个桥臂中上臂IGBT均采用一个独立低压直流电源（属控制回路供电电源）：见图1，三相三个桥臂共六个IGBT，需设四个独立直流电源A。图1中Q₁为上臂IGBT，L₁为上臂IGBT驱动光耦，C_1n、C_2n为上臂滤波电容；Q₂为下臂IGBT，L₂为下臂驱动光耦，C5、C6为下臂滤波电容。M为电机负载。2）第2类是采用自举的方式，只需提供一个独立低压直流电源。见图2，三相三个桥臂共六个IGBT，只需设一个独立低压直流电源A，而每个上臂则由自举电容C1作为电源，同时并联电容C2。显然相比于独立驱动电源的方式自举驱动方式可以减少驱动电源的数目，从而大大地节省制造成本。一般独立的IGBT驱动电源集成负压产生电路，增强IGBT关断的可靠性，而自举驱动电路本身不能实现负压，IGBT关断的可靠性难以保证。

现有的IGBT负压自举驱动电路如图3所示，是在自举驱动电路中增设上臂负压电容C3、稳压二极管D2和下臂负压电容C4、稳压二极管D5，该拓扑结构能实现上臂驱动电压自举，以达到减少驱动电源数目之目的。但此结构存在如下问题：从测试的负压电容C3两端的电压波形U_C3（见图4）和Q1的栅极-发射极间电压波形U_C3Q（见图5）可以证明：见图4，负压电容C3只有正向的电压（电压U_C3值在0-1之间），见图5，由此也导致的栅极-发射极间电压U_C3Q没有负压；同时IGBT开通时的栅极-发射极间电压U_C3Q为20V高于IGBT的最佳驱动电压15V（两电压波形都是以上臂IGBT的发射极为电压参考零点）。其原因如下：由于IGBT自身栅极-发射极之间的电容很小（通常是几个纳法），故图3电路中的负压电容C3很难充上电。如若负压电容C3不能充上电，结果将导致上臂IGBT不能可靠关断。当负载比较大的情况下，可能导致上下臂直通，最终烧毁设备。图1，图2中三相交流电AC（220V）经三相整流桥B输出高压直流电，高压直流电正极接上臂Q1集电极，高压直流电负极接下臂Q2发射极，负载为电机M，三线分别接在驱动电路三相上下桥臂两IGBT的中点。由此形成高压负载回路。

（三）发明内容：

本发明提供的高性能低成本IGBT负压自举驱动电路，就是解决现有的IGBT负压自举驱动电路中负压电容C3与IGBT自身结构不匹配，不能充上电，而不能实现IGBT的驱动负压，导致上臂IGBT不能可靠关断；在大负载时导致上下臂直通，最终烧毁设备的问题。

其技术方案如下：

高性能低成本IGBT负压自举驱动电路，包括:1)设如下组成的下臂驱动电路：独立低压直流电源A、下臂驱动光耦L₂、滤波电容C5、滤波电容C6、栅极电阻R3、限流电阻R2、绝缘栅双极型晶体管Q₂和续流二极管D4、负压电容C4、稳压二极管D5；2)设如下组成的上臂驱动电路：与独立低压直流电源A连接的快恢复二极管D1、上臂驱动光耦L₁、自举电容C1、电容C2、栅极电阻R1、绝缘栅双极型晶体管Q₁和续流二极管D3、负压电容C3、稳压二极管D2；其特征是：上臂绝缘栅双极型晶体管Q₁的栅极和发射极之间增设一支路,该支路一端N与Q₁发射极相连，另外一端连在上臂光耦输出端V0到Q₁的栅极之间的电路上，另外一端分别取为：光耦输出端V0与Q₁的栅极电阻R1之间的位置W₁，或者栅极电阻R1与Q₁栅极之间的位置W₂；该支路上设一只稳压二极管D6和一只与稳压二极管D6反向串联的快恢复二极管D7。

上述独立低压直流电源A和下臂驱动光耦L₂的电源引脚V_CC间可接入一个稳压二极管D₈。上述选择的稳压二极管D6的电压与IGBT的最佳开启电压相同。上述选择的快恢复二极管D7反向恢复时间可小于等于75纳秒。上述负压电容C3选择范围可为0.1-1uf。上述自举电容C1选择范围可为为负压电容C3的10到100倍。上述电容C2可选为0.1uf。上臂光耦输出端V0与栅极电阻R1之间可增设调节电阻R4。

本发明有益效果：

1）本发明采用的负压自举驱动电路，与独立驱动电路相比只增加了几个二极管，但节省了独立电源数目，使成本大大降低。2）由于增设了稳压二极管D6和反向串联的快恢复二极管D7支路，当栅极驱动电压高于给定值时，D6导通，从而给负压电容C3快速充电。D6保证了Q₁的栅极与发射极之间的最大开启电压不大于给定值。当关断Q₁时，D7反向截止，从而使C3可以保持一个负压，该负压即IGBT的驱动负压。从图7中C3的电压仿真波形UC3可以看出C3很快地充上了-5V电压。设置的D7防止了IGBT关断时负压电容C3通过该支路放电。图7、图8的波形以上臂IGBT发射极为电压参考零点。从图8可以看出Q1的栅极-发射极间电压完全满足设计要求，即Q1开通时，栅极-发射极间电压为正15V，是IGBT的最佳驱动电压，而在Q1关断至Q2开启之间，栅极-发射极间电压为-5V，只有下臂Q2开通时，负压电容才放电，因此可以可靠地关断Q1。由此证明本发明提供的负压自举驱动拓扑是真正能实现自举负压驱动的高性能的IGBT驱动电路。3）增设的稳压二极管D8，实现了下臂驱动光耦L₂的电源电压与上臂驱动光耦L₁电源电压相等，使下臂驱动光耦L₂能向Q2栅极-发射极间提供最佳驱动电压。由此克服了现有IGBT负压自举驱动电路下臂驱动光耦提供的驱动电压超过Q2最佳驱动电压而导致Q2损耗大的问题。4）设置的稳压二极管D6的电压与Q1的最佳开启电压相同，保证了Q1的栅极与发射极之间的最大开启电压不大于给定值，使Q1自身损耗最小。5）设置的快恢复二极管D7反向恢复时间小于等于75纳秒，防止了Q1关断时负压电容通过该支路放电。6）负压电容C3选择范围为0.1-1uf，可以保证在Q1关断期间，Q₂开通前，给Q1提供关断负压。6）电容C2选为0.1uF，用来吸收高频毛刺干扰电压，使Q1上电压波形峰值不出现下降。自举电容C1按C3的10到100倍选择，保证Q1开启期间自举电容两端电压稳定。7）设置的调节电阻R4，用于调节流过稳压二极管D6和快恢复二极管D7支路的电流。

(四)附图说明：

图1上臂IGBT用独立低压直流电源A的三相IGBT驱动及高压负载电路图。

图2现有用一个独立低压直流电源A的三相IGBT自举驱动及高压负载电路图。

图3现有的IGBT负压自举驱动电路图（一相）。

图4现有的IGBT负压自举驱动电路中负压电容C3两端电压波形图U_C3。

图5现有的IGBT负压自举驱动电路中Q1的栅极-发射极间电压波形图U_C3Q。

图6本发明高性能低成本IGBT负压自举驱动电路图（一相）。

图7高性能低成本IGBT负压自举驱动电路中负压电容C3两端电压波形图U_C3。

图8高性能低成本IGBT负压自举驱动电路中Q1的栅极-发射极间电压波形图U_C3Q。

(五)具体实施方式：

实施例1：本实施例高性能低成本IGBT负压自举驱动电路如下组成：

见图6，设如下组成的下臂驱动电路：①独立低压直流电源A：一般采用开关电源。②下臂驱动光耦L₂。③在下臂光耦电源引脚VCC和Vee间并联滤波电容C5（选0.1ｕ）和滤波电容C6（选4.7ｕ）。④在下臂光耦L₂输出脚V_o与绝缘栅双极型晶体管Q₂栅极间串接入栅极电阻R3。⑤下臂绝缘栅双极型晶体管Q₂和并接于下Q2发射极和集电极之间的续流二极管D4。⑥在Q₂发射极和下臂光耦电源引脚Vee间串接入的负压电容C4（选4.7ｕ）和与负压电容C4并联的稳压二极管D5（选⒌1V）。⑦在独立低压直流电源A和负压电容C4间接入限流电阻R2。⑧在独立低压直流电源A和下臂驱动光耦L₂的电源引脚V_CC间接入一个稳压二极管D₈。D8的稳压值等于低压直流电源A的电压值减去Q2最佳开启电压，再减去Q2关断负压的绝对值。

见图6，设如下组成的上臂驱动电路：①设与独立低压直流电源A连接的快恢复二极管D₁（型号ｕｆ4007）。②上臂驱动光耦L₁。③在上臂光耦L₁电源引脚V_CC和V_ee间并联的自举电容C1（C1按负压电容C3的10到100倍选择）和电容C2（选0.1ｕ）。④在光耦L₁输出脚V_o与绝缘栅双极型晶体管Q₁间接入栅极电阻R₁，R₁的取值为购买的市售产品Q₁所推荐的相匹配数值。⑤上臂绝缘栅双极型晶体管Q₁和并接于下Q1发射极和集电极之间的续流二极管D3。⑥在Q₁发射极和上臂光耦L₁引脚Vee间串接入负压电容C3（选择范围为0.1-1uf）和并联于负压电容C3的稳压二极管D2（选5.1V）。⑦上臂绝缘栅双极型晶体管Q₁的栅极和发射极之间增设一支路W₁N,该支路一端N与Q₁发射极相连，另外一端W₁连在上臂光耦输出端V0到Q₁栅极之间的电路上。该支路W₁N间设一只稳压二极管D6，选择的稳压二极管D6的电压与IGBT的最佳开启电压相同，IGBT的最佳开启电压可在现有的IGBT数据手册中得到。该支路上还增设一只与稳压管D6反向串联的快恢复二极管D7，快恢复二极管D7反向恢复时间小于等于75纳秒。⑧上臂光耦输出脚V0与栅极电阻R1之间增设调节电阻R4。

本实施例高性能低成本IGBT负压自举驱动电路上述描述的是一相的驱动电路，当应用于变频器中，三相IGBT负压自举驱动电路、三相交流电AC及负载电机M等形成的高压负载回路与图2相同。描述详见说明书第1页倒数1-4行，这里不再重复。

实施例2：

本实施例2除以下特征与实施例1不同，其余全部相同。见图6，上臂绝缘栅双极型晶体管Q1的栅极和发射极之间增设一支路W2N，即该支路一端N与Q1发射极相连，另外一端连在栅极电阻R1与Q1的栅极之间的位置W2。W2N支路见图6中虚线所示。

Claims

1.高性能低成本IGBT负压自举驱动电路，包括:

1)设如下组成的下臂驱动电路：独立低压直流电源A、下臂驱动光耦L₂、滤波电容C5、滤波电容C6、栅极电阻R3、限流电阻R2、绝缘栅双极型晶体管Q₂和续流二极管D4、负压电容C4、稳压二极管D5；

2)设如下组成的上臂驱动电路：与独立低压直流电源A连接的快恢复二极管D1、上臂驱动光耦L₁、自举电容C1、电容C2、栅极电阻R1、绝缘栅双极型晶体管Q₁和续流二极管D3、负压电容C3、稳压二极管D2；

其特征是：

上臂绝缘栅双极型晶体管Q₁的栅极和发射极之间增设一支路,该支路一端N与Q₁发射极相连，另外一端连在上臂光耦输出端V0到Q₁的栅极之间的电路上，另外一端分别取为：光耦输出端V0与Q₁的栅极电阻R1之间的位置W₁，或者栅极电阻R1与Q₁栅极之间的位置W₂；该支路上设一只稳压二极管D6和一只与稳压二极管D6反向串联的快恢复二极管D7。

2.按权利要求1所述IGBT负压自举驱动电路，其特征是在独立低压直流电源A和下臂驱动光耦L₂的电源引脚V_CC间接入一个稳压二极管D₈。

3.按权利要求1或2所述IGBT负压自举驱动电路，其特征是选择的稳压二极管D6的电压与I GBT的最佳开启电压相同；快恢复二极管D7反向恢复时间小于等于75纳秒；负压电容C3选择范围为0.1-1uf；自举电容C1选择范围为负压电容C3的10到100倍；电容C2选为0.1uf。

4.按权利要求1或2或3所述IGBT负压自举驱动电路，其特征是上臂光耦输出端V0与栅极电阻R1之间增设调节电阻R4。