CN102780474A - 绝缘栅极双极型晶体管控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种绝缘栅双极型晶体管控制电路，包括IGBT，及第一负反馈电路和第二负反馈电路中的至少一个电路；第一负反馈电路的第一端与IGBT的栅极连接，第一负反馈电路的第二端与IGBT的辅助射极连接，用于在IGBT关断时降低IGBT的集电极和功率射极之间的电流变化速度；第二负反馈电路的第一端与IGBT的栅极连接，第二负反馈电路的第二端与IGBT的辅助射极连接，用于在IGBT开通时降低IGBT的集电极和功率射极之间的电流变化速度。通过控制IGBT的集电极和功率射极之间的电流变化率，可以减少对IGBT的损坏，进而保护了IGBT。

Description

绝缘栅极双极型晶体管控制电路

技术领域

本发明实施例涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种绝缘栅双极型晶体管控制电路。

背景技术

近年来，绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)作为第三代电力电子器件的代表成为一种被广泛使用的具有自关断能力的器件。IGBT可以广泛应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路和牵引传动等领域。

IGBT是由双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT）和金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，其中，BJT饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大，MOSFET驱动功率小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小，IGBT综合了以上两种器件的优点，兼有MOSFET的高输入阻抗和BJT的低导通压降两方面的优点。因此，IGBT具有易于驱动、峰值电流容量大、自关断、开关频率高的特点。

然而，IGBT的关断或开通过程中，当IGBT开通速度较快时，可能与IGBT直接相连的续流二极管产生反向恢复电流过大，而导致续流二级管损坏；当IGBT关断时，可能致负载电流下降过快，而产生较大的电流变化速度di/dt,，造成比较高的过电压最终击穿IGBT，而产生对IGBT的损坏。

发明内容

本发明实施例提供一种用于绝缘栅双极型晶体管控制电路，可以在IGBT开通或是关断时，降低IGBT的集电极和功率射极间的电流变化速度di/dt。

本发明实施例提供一种绝缘栅双极型晶体管控制电路，其特征在于，包括绝缘栅双极型晶体管，以及第一负反馈电路和第二负反馈电路中的至少一个电路；

所述第一负反馈电路的第一端与所述绝缘栅双极型晶体管的栅极连接，所述第一负反馈电路的第二端与所述绝缘栅双极型晶体管的辅助射极连接，用于在绝缘栅双极型晶体管关断时降低绝缘栅双极型晶体管的集电极和功率射极之间的电流变化速度；

所述第二负反馈电路的第一端与所述绝缘栅双极型晶体管的栅极连接，所述第二负反馈电路的第二端与所述绝缘栅双极型晶体管的辅助射极连接，用于在绝缘栅双极型晶体管开通时降低绝缘栅双极型晶体管的集电极和功率射极之间的电流变化速度。

在本发明实施例中，通过设置第一负反馈电路和/或第二负反馈电路，其中第一负反馈电路能够与绝缘栅双极型晶体管的寄生电感配合，在绝缘栅双极型晶体管关断时降低绝缘栅双极型晶体管的栅极和功率射极之间的电流变化速度，第二负反馈电路能够与绝缘栅双极型晶体管的寄生电感配合，在绝缘栅双极型晶体管开通时降低绝缘栅双极型晶体管的栅极和功率射极之间的电流变化速度，从而可以使得在IGBT开通或是关断时，当IGBT的集电极到功率射极的电流速度di/dt变化过大时，通过IGBT电路中设置的第一负反馈电路和/或第二负反馈电路，可以降低IGBT的集电极和发射极间的电流变化速度di/dt，从而减少开通或关断对IGBT的损坏，起到保护IGBT的作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例中IGBT控制电路的示意图；

图2为本发明另一个实施例中IGBT控制电路的示意图；

图3为本发明再一个实施例中IGBT控制电路的示意图；

图4为本发明还一个实施例中IGBT控制电路的示意图；

图5为本发明一个实施例中设置有驱动电路的IGBT控制电路示意图；

图6为本发明再一个实施例中设置有驱动电路的IGBT控制电路示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种绝缘栅双极型晶体管控制电路，包括IGBT，以及第一负反馈电路和第二负反馈电路中的至少一个电路。

图1为本发明一个实施例中IGBT控制电路的示意图。如图1所示，第一负反馈电路1可以在IGBT关断时对IGBT起到控制保护的作用，第一负反馈电路1的第一端与IGBT的栅极G连接，第一负反馈电路1的第二端与IGBT的功率射极E`连接，用于与绝缘栅双极型晶体管的寄生电感配合，在IGBT关断时降低IGBT的集电极C和功率射极E`之间的电流变化速度di/dt。在IGBT的辅助射极E与功率射极E`之间有一寄生电感L<sub>P</sub>，该寄生电感是在生产过程中产生的。本发明实施例是根据在寄生电感上产生的电流变化速度di/dt，运用寄生电感上产生的电压，抬升IGBT栅极G的电压，使得IGBT的关断速度减缓，控制集电极C到功率射极E`之间的电流变化速度di/dt，从而可以减少在IGBT过电压时的损坏，并保护IGBT。

图2为本发明另一个实施例中IGBT控制电路的示意图；如图2所示，第二负反馈电路2可以在IGBT开通时对IGBT起到控制保护的作用，第二负反馈电路2的第一端与IGBT的栅极G连接，第二负反馈电路2的第二端与IGBT的功率射极E`连接，用于与绝缘栅双极型晶体管的寄生电感配合，在IGBT开通时降低IGBT的集电极C和功率射极E`之间的电流变化速度di/dt。更进一步地，本发明实施例是根据在寄生电感上产生的电流变化速度di/dt，运用寄生电感上产生的电压，降低IGBT栅极G的电压，使得IGBT的开通速度减缓，控制集电极C到功率射极E`之间的电流变化速度di/dt，从而减少与IGBT相连的续流二极管的损坏。

本发明实施例通过在IGBT电路上设置第一负反馈电路1和第二负反馈电路2中的至少一个电路。在IGBT开通或是关断时，使上述的第一负反馈电路1和第二负反馈电路2与IGBT在辅助射极E与功率射极E`之间的寄生电感L_P配合，降低或是抬升IGBT栅极G的电压，减小电流变化率di/dt，从而能够减少对IGBT的损坏，并保护IGBT。本领域技术人员可以理解的，通过在IGBT电路中设置第一负反馈电路和第二负反馈电路，可以在开通或是关断IGBT电路时，产生较大的电流变化率时，可以直接控制IGBT的集电极到射极电流，从而通过寄生电感进行反馈控制，有效控制栅极和辅助射极(也称为开尔文连接)间的电压。

可选性的，IGBT控制电路还包括一附加电感L_P1，该附加电感L_P1的第一端与IGBT的寄生电感L_P的一端串联，附加电感L_P1的第二端与IGBT的功率射极E`连接。本实施例的附加电感也可以通过在寄生电感上串联一根导线来达到电感的作用，具体而言，将一根导线的第一端与IGBT的寄生电感L<sub>P</sub>的一端串联，该导线的第二端与IGBT的功率射极E`连接。在本实施例通过增加附加电感可以增大在电感上形成的电压，进而增大了电感产生的负反馈，从而提高IGBT控制电路的灵敏度。

如图1所示，IGBT控制电路的第一负反馈电路1包括串联的第一电阻R_a1、第一二极管D1和瞬态电压控制器TVS1，瞬态电压控制器TVS1的负极位于第一负反馈电路1的第二端一侧，与IGBT的功率射极E`连接，第一二极管D1的正极与瞬态电压控制器TVS1的正极相连，第一二极管D1的负极与第一电阻R_a1相连，第一电阻R_a1位于第一负反馈电路1的第一端一侧。其中，瞬态电压控制器TVS1可以在驱动关断IGBT时，在瞬态电压控制器TVS1两端产生瞬间的电压变化时，可以较高的速度的将其阻抗较大程度的降低，同时吸收一个大电流，将其两端间的电压箝位在一定的数值上，从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。瞬态电压控制器TVS1可以用稳压管替换，然而本实施例中使用瞬态电压控制器的效果较佳。第一二极管D1可以是快恢复二极管（Fast recovery diode，FRD），快恢复二极管是一种具有开关特性好、反响恢复时间短的半导体二极管，由于基区很薄，反向恢复二极管的反向恢复时间较短，因此正向压降较低，反向击穿电压（耐压值）较高，然而本实施例不以此为限，第一二极管也可以是肖特基二极管，凡是本领域技术人员所能想到的，可以实现本发明实施例中单向传导电流的电子器件均可，也就是说，第一二极管D1在IGBT关断的瞬间，由正电压变化成反电压的时间小于恢复时间时，可以恢复速度很快的实现单项导通，从而使电流正常流经第一二极管D1。

上述本实施例也可以是瞬态电压控制器的负极连接在IGBT的功率射极E`，瞬态电压控制器的正极与第一电阻连接，第一电阻再与第一二极管的正极相连，第一二极管的负连接在IGBT的栅极G，在此不具体限制第一电阻、第一二极管和瞬态电压控制器的串联顺序。

可选的，上述实施例中的瞬态电压控制器和第一二极管也可以通过一个双向瞬态电压控制器替换。

需要说明的，在驱动关断IGBT时，IGBT的栅极G和发射极E之间的电压开始降低，同时通过IGBT的集极C和发射极E之间的电流也在变小，因此在IGBT的辅助射极E与功率射极E`之间的寄生电感L_P上产生上负下正的电压。当IGBT的关断速度较快时，栅极G与发射极E之间的电压下降较快，则在寄生电感L_P上产生的电流变化率di/dt也较大，从而在寄生电感L_P上产生的电压较大，则可以击穿瞬态电压控制器TVS1，接着通过第一二极管D1的导通，电流再通过第一电阻R_a1后到达IGBT的栅极G，从而提高了IGBT的栅极电压，相当于减慢了IGBT关断的速度，在驱动关断IGBT时可以一定程度的减少对IGBT的损坏，进而保护IGBT。

如图2所示，IGBT控制电路的第二负反馈电路2包括串联的第二二极管D2、场效应管Q2和第二电阻R_e2，第二二极管D2的正极位于第二负反馈电路2的第一端一侧，第二二极管的负极与场效应管Q2漏极d连接，场效应管Q2的源极s位于第二负反馈电路2的第二端一侧，场效应管Q2的栅极g接地，第二电阻R_e2设置在场效应管Q2的源极s与第二负反馈电路2的第二端之间。其中，第二二极管D2可以是快恢复二极管也可以是肖特基二极管，凡是本领域技术人员所能想到的，可以实现本发明实施例中单向传导电流的电子器件均可。场效应管起到开关的作用，当场效应管的栅极g和源极s之间的电压足够大时，场效应管可以导通开始工作。

在驱动开通IGBT时，IGBT的栅极G和发射极E之间的电压开始上升，同时在IGBT的集极C和发射极E之间产生电流，因此电流的变化使得在IGBT的辅助射极E与功率射极E`之间的寄生电感L<sub>P</sub>上产生上正下负的电压。当IGBT的开通速度较快，电流可以导通第二二极管D2，在IGBT的辅助射极E与功率射极E`之间的寄生电感L_P上产生的电流变化率di/dt较大，因此寄生电感L_P上产生的电压也较大（电感电压U=L*（di/dt））,则可以在场效应管Q2的栅极g与源极s之间产生电压差，从而可以使场效应管Q2导通，接着通过第一电阻R_e2后，使整个串联的第二二极管D2、场效应管Q2和第二电阻R_e2，第二二极管D2的电流导通，进而降低了IGBT的栅极电压，可以减慢IGBT开通的速度，在驱动关断IGBT时能够减少对与IGBT相连续流二极管的损坏。

需要说明的，本实施例也可以将第二二极管D2和场效应管Q2的位置互换，具体而言，可以将场效应管Q2的漏极d设置在第二负反馈电路2的第一端一侧，场效应管Q2源极与第二二极管D2的正极连接，场效应管Q2的栅极g接地，第二二极管D2的负极位于第二负反馈电路2的第二端一侧，第二电阻R_e2设置在第二二极管D2的负极与第二负反馈电路2的第二端之间。通过将上述第二二极管D2和场效应管Q2的位置互换，在驱动开通IGBT时，IGBT的栅极G和发射极E之间的电压开始上升，场效应管Q2漏极d的电压也开始上升，可以利用二级管D2保护Q2，避免负电压过大对Q2造成损坏。

图3为本发明再一实施例中IGBT控制电路的示意图。如图2和图3所示，在图2所述IGBT控制电路的基础上，第二反馈电路2上还可以设置第三二极管D_clamp2，将第三二极管D_clamp2的负极与场效应管Q2的源极s相连，并将第三二极管D_clamp2的正极连接在驱动电路的负向电压VEE上。一般的场效应管的栅极g与源极s能承受的最大电压是±20V，通过在IGBT控制电路的第二反馈电路2上设置第三二极管D_clamp2，可以在场效应管Q2栅极g与源极s之间的电压过大时，通过第三二极管箝住场效应管Q2的栅极g与源极s之间的电压，进而对场效应管Q2有一定的保护。

图4本发明还一个实施例中IGBT控制电路的示意图。如图4所示，与图3的相同部分不再说明，区别在于图3中的第三二极管D_clamp2可以用一个瞬态电压控制器组TVS3替换，瞬态电压控制器组TVS3可以是双向瞬态电压控制器，也就是相当于两个稳压二极管反向串联，即两个瞬态电压控制器的负极相对设置，其中，一个瞬态电压控制器的正极与场效应管Q3的栅极g连接，另一个瞬态电压控制器的正极与场效应管Q3的源极s连接。通过在IGBT控制电路的第二反馈电路2上设置一个瞬态电压控制器组，可以在场效应管Q3栅极g与源极s之间的电压过大时，通过瞬态电压控制器组箝住场效应管Q3的栅极g与源极s之间的电压，进而对场效应管Q3有一定的保护。

图5为本发明一个实施例中设置有驱动电路的IGBT控制电路示意图。如图5所示，将上述实施例中的IGBT控制电路设置在驱动的电路中，本实施例的IGBT控制电路与图4中的IGBT控制电路相同，在此不再说明。本实施例的驱动电路可以是图腾柱电路，具体而言，图腾柱就是上下各一个晶体管，上管为NPN型三极管，集极c接正电源VCC，下管为PNP三极管，集极c接负电源VEE，两个基极b接一起，接在输入端，上管NPN型三极管和下管PNP三极管的射极e接到一起，并接在输出端，当输入信号为高时，上管NPN导通；当输入信号为低时，下管PNP导通，可以提供足够的电压、电流幅值，使IGBT在正常工作及过载情况下不致推出饱和而损坏。本实施例中的驱动电路在此不作限制，凡是本领域技术人员所能想到，可以实现对IGBT的开通或断开的驱动的电路均可。

图6为本发明再一个实施例中设置有驱动电路的IGBT控制电路示意图。如图6所示，本实施例的IGBT控制电路与图1中的IGBT控制电路相同，在此不再说明。驱动电路可以是图腾柱电路，在此不作限制，凡是可以提供足够的电压、电流幅值，使IGBT在正常工作及过载情况下不致推出饱和而损坏的任何驱动电路均可。

在上述的发明实施例中，通过在IGBT电路上设置第一负反馈电路1和第二负反馈电路2中的至少一个电路，在IGBT开通或是关断时，可以根据IGBT在辅助射极E与功率射极E`之间的寄生电感L<sub>P</sub>上形成的电流变化率di/dt，降低或是抬升IGBT栅极G的电压，使得IGBT的关断速度减缓，运用寄生电感上产生的电压，从而可以减少在IGBT过电压时的损坏，并保护IGBT；或是使得IGBT的开通速度减缓，控制集电极C到功率射极E`之间的电流变化速度di/dt，从而减少与IGBT相连的续流二极管的损坏。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种绝缘栅双极型晶体管控制电路，其特征在于，包括绝缘栅双极型晶体管，以及第一负反馈电路和第二负反馈电路中的至少一个电路；

所述第一负反馈电路的第一端与所述绝缘栅双极型晶体管的栅极连接，所述第一负反馈电路的第二端与所述绝缘栅双极型晶体管的功率射极连接，用于与绝缘栅双极型晶体管的寄生电感配合，在绝缘栅双极型晶体管关断时降低绝缘栅双极型晶体管的集电极和功率射极之间的电流变化速度；

所述第二负反馈电路的第一端与所述绝缘栅双极型晶体管的栅极连接，所述第二负反馈电路的第二端与所述绝缘栅双极型晶体管的功率射极连接，用于与绝缘栅双极型晶体管的寄生电感配合，在绝缘栅双极型晶体管开通时降低绝缘栅双极型晶体管的集电极和功率射极之间的电流变化速度。

2.根据权利要求1所述的绝缘双极型晶体管控制电路，其特征在于，还包括一附加电感；

所述附加电感的第一端与绝缘栅双极型晶体管的寄生电感的一端串联，所述附加电感的第二端与绝缘栅双极型晶体管的功率射极连接。

3.根据权利要求1或2所述的绝缘双极型晶体管控制电路，其特征在于，所述第一负反馈路包括串联的第一电阻、第一二极管和瞬态电压控制器，所述瞬态电压控制器的正极位于所述第一负反馈电路的第一端一侧，所述第一二极管的正极位于所述第一负反馈电路的第二端一侧。

4.根据权利要求1或2所述的绝缘双极型晶体管控制电路，其特征在于，所述第二负反馈电路包括串联的第二二极管、场效应管和第二电阻，所述第二二极管的正极位于所述第二负反馈电路的第一端一侧，所述第二二极管的负极与所述场效应管漏极连接；所述场效应管的源极位于所述第二负反馈电路的第二端一侧，所述场效应管的栅极接地，所述第二电阻设置在所述场效应管漏极的源极与所述第二负反馈电路的第二端之间；或所述场效应管的漏极位于所述第二负反馈电路的第一端一侧，所述场效应管源极与所述第二二极管的正极连接，所述场效应管的栅极接地，所述第二二极管的负极位于所述第二负反馈电路的第二端一侧，所述第二电阻设置在所述第二二极管的负极与所述第二负反馈电路的第二端之间。

5.根据权利要求4所述的绝缘双极型晶体管控制电路，其特征在于，还包括第三二极管，所述第三二极管的正极连接负向电压，所述第三二极管的负极与所述场效应管的源极连接。

6.根据权利要求4所述的绝缘双极型晶体管控制电路，其特征在于，还包括一个瞬态电压控制器组，所述瞬态电压控制器组的两个瞬态电压控制器的负极相对设置，其中一个瞬态电压控制器的正极与所述场效应管的栅极连接，另一个瞬态电压控制器的正极与所述场效应管的源极连接。

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