CN103259392B - 用于igbt的自举电路系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于IGBT的自举电路系统。描述了一种用于向半桥IGBT装置的高侧IGBT提供栅极-发射极电压的自举电路，其中所述自举电路包括用于提供关断高侧IGBT的负的栅极-发射极电压的降压-升压电路。
Description
背景技术
简称为IGBT的绝缘栅双极晶体管已经被建立作为半导体功率开关，即用于在高电压下切换高电流。典型的应用包括例如功率转换器系统中的开关电路，例如简称为SPMS的开关功率模式供应器。在这些应用中，IGBT典型地快速连续地接通和关断。因此，开关特性是令人感兴趣的。
在一个实施例中，IGBT用在开关模式电源中，其中两个IGBT以半桥配置设置，即高侧IGBT利用其集电极耦合到直流电压源的阳极，高侧IGBT的发射极连接到低侧IGBT的集电极，并且低侧IGBT的发射极耦合到参考地。通过交替地接通和关断IGBT，可以将IGBT之间的耦合点切换到直流电源的电压或者参考地。得到的该耦合点处的电压可以通过使用平滑电容器而平滑。
基本上，IGBT可以通过施加比阈值电压更高的正的栅极-发射极电压而从其非传导状态（即所谓的断开状态）切换到其传导接通状态，即通过这种方式可以接通IGBT。为了关断IGBT，即为了将IGBT从其接通状态切换到其断开状态，可以向IGBT施加零电压或者负的基极-发射极电压。
可以使用反相的脉宽调制信号来控制IGBT，因此高侧IGBT切换到传导状态，即切换到其接通状态，而低侧IGBT切换到其断开状态，并且反之亦然。由于交替切换的原因，连接点处的电压在参考地与电压源的电压之间切换。
为了提供驱动高侧IGBT的控制电压，即为了向高侧IGBT提供栅极-发射极电压，可以使用自举电路，其提供参考到IGBT半桥装置的连接点的电压。然而，当使用单极栅极驱动时，在IGBT的接通瞬态期间的寄生电流振荡以及由IGBT两端的高压升造成的意外寄生接通由于Miller效应而切换。为了移除寄生电流振荡，在高侧IGBT处需要负的栅极电压。为了防止IGBT由Miller效应造成的意外的寄生接通，可以提供Miller钳。然而，这些解决方案具有缺陷。为了提供负的栅极电压，SMPS需要增大的额定功率以及附加的电路系统，因此SMPS变得更加复杂和昂贵。再者，Miller钳在自举电路中造成附加的电路系统，因此进一步增加了复杂度和成本。
因此，需要一种改进的自举电路，其允许纠正上面所述问题，同时使用尽可能少的部件。
发明内容
在本发明的一个方面中涉及一种自举电路用于提供控制IGBT半桥装置的高侧IGBT的驱动电压。该自举电路包括降压-升压电路部分，该电路部分提供可用于关断高侧IGBT的负电压，从而改进半桥装置的开关特性。
附图说明
关于附图，将更好地理解本发明的特征、方面和优点，其中
图1绘出了依照本发明的自举电路的示意图，
图2绘出了由自举电路提供的正负电压的曲线图。
具体实施方式
图1绘出了开关模式电源电路的示意图100。该SMPS电路包括处于半桥配置的高侧IGBT101和低侧IGBT102，即高侧IGBT101的发射极耦合到低侧IGBT102的集电极，从而形成连接点。高侧IGBT101的集电极耦合到DC电压源UDC的正电极，并且低侧IGBT102的发射极耦合到所述电压源的负电极。在所绘出的实施例中，这两个IGBT为n沟道型，但是本发明并不限于这个方面。控制器103向这两个IGBT提供栅极信号以便交替地将连接点耦合到电压源UDC的正或负电极。这可以通过向这些IGBT的基极电极提供反相的脉宽调制信号而实现。通过这种方式，可以向利用其一个电极耦合到连接点的负载104供应开关电压。
值得注意的是，在该实施例中，负载104被建模为电感，其反映了最真实的负载。然而，其他特性的负载也可以耦合到SMPS，因此本发明不应当限于这个方面。此外，被提供用于平滑提供给负载的电压的电容器105和106不是本申请中的要求。
此外，SMPS电路100包括由虚线椭圆包围的自举电路107。自举电路107在一侧耦合到供应电压USUPPLY，该电压典型地反映了将IGBT切换到其接通阶段所需的基极-发射极电压摆幅。在一个实施例中，所述电压摆幅USUPPLY可以为大约15V。在其另一侧，自举电路耦合到半桥的连接点，即高侧IGBT101的发射极耦合到低侧IGBT102的集电极的地方。
自举电路包括自举二极管Dbs108，其在低侧IGBT处于其接通状态（即传导）时允许充电电流从自举供应电压流过自举电路。指出的是，二极管108的尺寸被确定用于高于DC电压UDC的电压。在一个实施例中，二极管108可以被设计用于二倍于UDC的电压。
此外，自举电路包括将自举二极管的阴极与连接点连接的第一充电路径。所述第一充电路径包括与第一充电二极管110和第一充电电阻器111串联耦合的第一自举电容器Cbs109，其中充电电阻器111限定对自举电容器109充电时的充电电流。
指出的是，自举电容器Cbs109的尺寸被确定得足够大以便满足针对完整周期的高侧能量要求。在一个实施例中，Cbs的尺寸可以被确定为提供47nF（即47纳法拉第）的电容。在一个实施例中，充电电阻器111的尺寸可以被确定为具有10Ω的电阻。
此外，自举电路包括从自举二极管108的阴极到连接点的第二充电路径，该第二充电路径因此与第一充电路径并联。所述第二充电路径包括和与第二充电二极管115串联的电容器Cse114和电感器113的并联装置串联耦合的第二充电电阻器112。第二充电电阻器112控制充电时流经电感器113的电流。在一个实施例中，所述第二充电电阻器112可以具有100Ω的电阻值并且电感器113可以具有680纳亨利的电感值。
当操作自举电路时，即当操作SMPS100时，第一充电路径在116处（即在第一自举电容器109处）提供正电压Vbs，并且第二充电路径在117处（即在第二自举电容器114处）提供负电压Vns。所述正电压Vbs和所述负电压被提供（未示出）给控制器103，该控制器使用这些电压作为用于控制高侧IGBT的栅极电压，如下文更详细地说明的。
在初始周期中，即当接通电路100从而启动第一周期时，控制器103例如通过向IGBT101施加零栅极-发射极电压并且向低侧IGBT102施加超过阈值电压的正栅极-发射极电压，而将高侧IGBT101控制为其断开状态并且将低侧IGBT102控制为其接通状态。当高侧IGBT101断开（即阻塞）并且低侧IGBT接通（即传导）时，连接点耦合到参考地。然后，电流从供应电压USUPPLY流经自举二极管108。所述电流的第一部分流经第一充电路径，即流经二极管110和第一充电电阻器111，并且然后对第一自举电容器109充电。电流的所述第一部分然后离开自举电路并且经由低侧IGBT流到供应电压源USUPPLY。取决于初始周期的持续时间，第一自举电容器109充电到几乎为供应电压减去跨自举二极管108和充电二极管110的电压降。第一自举电容器109两端的充电电压Vbs116耦合到控制器103并且为用于在下一周期中接通高侧IGBT的高侧IGBT驱动器的正供应电压；指出的是，Vbs从116耦合到控制器103。
在电流的第一部分对第一自举电容器109充电的同时，来自USUPPLY的电流的残余部分流经第二充电路径，即流经第二充电电阻器112和流经电感器113。该电流对电感器113充电。指出的是，在该周期期间，没有流经第二自举电容器114的电流，因为第二充电二极管115正阻塞该电流方向。
在下一周期中，即在第二周期中，通过将Vbs耦合到高侧IGBT101的栅极作为栅极-发射极电压而使高侧IGBT101接通，即切换到其传导状态。同时，低侧IGBT102关断，即从其传导切换到其非传导状态，从而将连接点与参考地隔离。低侧IGBT的开关可以通过向低侧IGBT的栅极施加关于地的零电压而实现。然后，连接点关于地的电压将相应地上升到UDC，表现出快速电压上升。然而，该电压上升并不影响栅极-发射极电压Ubs，因为其参考到连接点。
关断低侧IGBT102阻止电流从供应电压源USUPPLY发出。然而，由于电感器113的性质，流经电感器113的电流不可能突然停止，而是将流经第二自举电容器114，从而对所述电容器充电。指出的是，第二充电二极管115被设置成允许该电流。此外，指出的是，通过电感器113的电流不影响第一自举电容器109的电荷（即电压），因为该电流方向被第一充电路径中的第一充电二极管110阻塞。通过这种方式，电感器113中存储的能量移入电容器114中。此外，指出的是，即117处关于连接点的电压Vns关于连接点为负。
在下一周期中，即在第三周期中，高侧IGBT101再次关断，并且低侧IGBT102接通。接通低侧IGBT102可以容易地通过施加参考到地的正栅极-发射极电压而实现，因为低侧IGBT的发射极耦合到参考地。
为了关断高侧IGBT，电压Vns作为栅极-发射极电压耦合到高侧IGBT101。指出的是，该负电压Vns不受通过接通低侧IGBT并且关断高侧IGBT而造成的连接点关于地的任何电压降影响，因为Vns参考到连接点。因此，即使当连接点的电压改变时，负的栅极-发射极电压Vns仍然保持为负。通过在关断高侧IGBT时向该IGBT施加负的栅极-发射极电压，显著地降低了由Miller效应造成的意外的寄生接通的风险。
通过这种方式，第二充电路径形成所谓的降压-升压电路，其提供可以用于安全地关断高侧IGBT的负电压Vns，从而改进IGBT半桥装置的开关特性。
可选地，自举电路107此外可以包括限制Vbs的电压摆幅的第一齐纳二极管118。在一个实施例中，所述第一齐纳二极管118的尺寸可以被确定为具有15伏特的击穿电压。此外，自举电路107可以包括限制Vns的电压摆幅的第二齐纳二极管119。在一个实施例中，所述第二齐纳二极管的尺寸可以被确定为具有5伏特的击穿电压。
图2绘出了当使用具有如上面所描述的值的无源部件时仿真电压Vbs和Vns的草图，所述值即USUPPLY为15V，第一充电电阻器11为10欧姆，第一自举电容器109为47nF，第二充电电阻器112为100欧姆，电感器113为113nH并且第二自举电容器为10nF，所述仿真电压即施加到高侧IGBT101的栅极的用于接通所述IGBT的正自举电压以及施加到高侧IGBT101的栅极的用于关断所述IGBT的负电压。
如曲线图中所示，第一周期中的Vbs达到几乎15伏特的电压，这几乎为USUPPLY，同时Vns下降到-5伏特的电压，这两个电压均参考到连接点。在整个开关周期中，Vbs朝零伏特下降一点并且负电压Vns朝零伏特减少一点，但是这两个电压基本上保持所需的那样，即Vbs基本上保持在USUPPLY处或者短暂地在USUPPLY之下，并且Vns总是保持靠近-5伏特。
Claims (17)
1.一种自举电路，用于向半桥IGBT装置的高侧IGBT提供栅极-发射极电压，所述自举电路包括降压-升压电路，该降压-升压电路用于提供关断高侧IGBT的负的栅极-发射极电压。
2.权利要求1的自举电路，其中降压-升压电路与第一充电电容器和第一充电电阻器的串联并联地设置。
3.权利要求1的自举电路，其中降压-升压电路包括电感器和并联装置，该并联装置包括第二自举电容器和电阻器。
4.权利要求3的自举电路，其中降压-升压电路经由自举二极管耦合到自举电压供应器，所述自举二极管被设置成在半桥IGBT装置的低侧IGBT接通时允许电流流经自举电路。
5.权利要求3的自举电路，其中电感器被设置成在高侧IGBT接通时对第二自举电容器充电，其中自举电路适于且被配置成在关断所述高侧IGBT时将第二自举电容器的阴极的电压提供给所述高侧IGBT。
6.权利要求3的自举电路，进一步包括以下至少一个：第一齐纳二极管，被设置和配置成限制施加到高侧IGBT的栅极的正电压的电压摆幅；以及第二齐纳二极管，被设置和配置成限制施加到高侧IGBT的栅极的负电压的电压摆幅。
7.一种开关模式电源，包括半桥IGBT装置和自举电路，所述自举电路包括：第一充电路径，被设置用于向半桥IGBT装置的高侧IGBT的栅极提供正电压；以及第二充电路径，被设置用于向半桥IGBT装置的高侧IGBT的栅极提供负电压，其中第一和第二充电路径经由自举二极管耦合到自举供应电压，其中所述自举二极管被设置和配置成在高侧IGBT接通时提供电流，其中第一充电路径包括与第一自举电容器串联的第一充电电阻器，并且其中第二充电路径包括与第二自举电容器和第二充电二极管的串联并联地设置的电感器。
8.权利要求7的开关模式电源，其中第二充电二极管被设置和配置成在高侧IGBT接通时允许电流流经第二自举电容器。
9.权利要求7的开关模式电源，其中自举电路包括以下至少一个：第一齐纳二极管，被设置和配置用于限制施加到高侧IGBT的栅极的正电压的电压摆幅；以及第二齐纳二极管，被设置和配置用于限制施加到低侧IGBT的栅极的负电压的电压摆幅。
10.用于控制开关模式电源的设备，包括处于半桥装置中的高侧IGBT和低侧IGBT，其中所述设备包括电路系统，该电路系统包括用于向高侧IGBT提供正的栅极电压的第一设备以及用于向高侧IGBT提供负的栅极电压的第二设备，其中所述第一设备包括用于存储能量的设备且所述第二设备包括至少一个用于存储能量的设备，并且其中所述用于存储能量的设备在所述高侧IGBT关断时均被充电，并且其中用于向高侧IGBT的栅极提供负电压的所述第二设备包括第二能量存储设备，所述第二能量存储设备在高侧IGBT接通时被充电。
11.权利要求10的设备，其中用于向高侧IGBT的栅极提供正电压的所述第一设备包括第一自举电容器，并且用于向高侧IGBT的栅极提供负电压的所述第二设备为与所述第一设备并联设置的降压升压电路。
12.权利要求10的设备，进一步包括用于限制施加到高侧IGBT的栅极的正电压的电压摆幅的设备以及用于限制施加到高侧IGBT的栅极的负电压的电压摆幅的设备。
13.一种用于操作包括以半桥装置设置的高侧IGBT和低侧IGBT的开关模式电源的方法，包括步骤：
-当高侧IGBT关断时通过自举供应电压对第一自举电容器充电，以及
-当所述高侧IGBT关断时通过所述自举供应电压对电感器充电，以及
-将第一自举电容器的电压施加到高侧IGBT的栅极以便接通高侧IGBT，以及
-当关断高侧IGBT时通过电感器对第二自举电容器充电。
14.权利要求13的方法，其中第二自举电容器的电压作为施加到高侧IGBT的栅极的负电压而被施加。
15.权利要求13的方法，其中在开关模式电源启动时，高侧IGBT关断并且低侧IGBT接通。
16.权利要求13的方法，其中施加到高侧IGBT的栅极的正电压的电压摆幅由第一设备限制。
17.权利要求13的方法，其中施加到高侧IGBT的栅极的负电压的电压摆幅由第二设备限制。
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