CN103545802B

CN103545802B - 一种新型igbt有源钳位保护电路

Info

Publication number: CN103545802B
Application number: CN201310530777.4A
Authority: CN
Inventors: 王松; 厉杰; 刘璐燕; 李晓坤
Original assignee: Shandong University Weihai
Current assignee: Shandong University Weihai
Priority date: 2013-11-01
Filing date: 2013-11-01
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2033-11-01
Also published as: CN103545802A

Abstract

本发明提供一种新型绝缘栅双极晶体管IGBT集电极有源钳位保护电路，主要包括提供工作的电源、一个绝缘栅双极晶体管IGBT、过压信号反馈电路、电流信号放大电路、过压信号调节电路以及输出电路等；所述电流信号放大电路包括一个高电压摇摆率运算放大器，可以将绝缘栅双极晶体管IGBT集电极反馈回来的小电流信号转换为足以使双极型晶体管开通的电压信号。在绝缘栅双极晶体管IGBT关断过程中产生的电压尖峰信号通过瞬态抑制二极管反馈到主回路中，这样使瞬态抑制二极管的工作点得到有效优化，增强有源钳位的效果。

Description

一种新型IGBT有源钳位保护电路

技术领域

本发明属于电力电子领域，具体涉及一种新型的绝缘栅双极晶体管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）有源钳位保护电路。

背景技术

绝缘栅双极晶体管IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。它既具有功率MOSFET输入阻抗高、工作速度快、易驱动的优点，又具有双极达林顿功率管GTO饱和电压低、电流容量大、耐压高等优点，能正常工作于几十千赫兹频率范围内，故在较高频率的大、中功率设备（如变频器、UPS电源、高频焊机等）应用中占据了主导地位。IGBT的开通关断保护是其应用设计很重要的一点。由于电路间杂散电感的存在，IGBT在正常关断时会在集电极产生一定的电压尖峰，通常该电压尖峰数值不会太高，但在变流器过载或者桥臂发生短路的情况下，关断IGBT时集电极会产生非常高的尖峰电压，过高的尖峰电压很容易使IGBT受到损坏。有源钳位电路的目标就是要钳住IGBT的集电极电位，使其不要达到太高的水平。现有技术方案中一种典型有源钳位电路的拓扑结构，如图1所示，该电路的特点是结构简单，电路的动态性能较好，响应速度较快，但是反馈回路中瞬态抑制二极管的击穿电流存在电流旁路，瞬态抑制二极管的工作点不够优化，这就造成有源钳位电路在反馈电流

Figure 2013105307774100002DEST_PATH_IMAGE001

较小的情况下有源钳位效果不够理想。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术的不足，提供一种在绝缘栅双极晶体管集电极C反馈电流

较大或较小的情况下都能可靠进行有源钳位保护的电路。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种新型IGBT有源钳位保护电路，主要包括：

两个用于提供工作电压的电源VC+和VC-；

一个用于控制负载通断的绝缘栅双极晶体管IGBT；

过压信号反馈电路，用于将绝缘栅双极晶体管IGBT（Q4）集电极C端关断时产生的过压信号反馈到主电路中来。所述过压信号反馈电路主要包括瞬态电压抑制二极管D2、D3、D4、D5、D8、D9，肖特基二极管D1、D7，电阻R1、R3、R6、R9；其输入端接绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极C端，其输出端通过电阻R3、R6、R9接到主电路中；

输出电路，主要由双极型晶体管VT1、VT2，齐纳二极管D12、D16构成。其中，双极型晶体管VT1的基极与双极型晶体管VT2的基极相连，并接到过压信号反馈电路的电阻R9；双极型晶体管VT1的集电极接电源VC+，晶双极型体管VT2的集电极接电源VC-，双极型晶体管VT1和双极型晶体管VT2的发射极接到一起，齐纳二极管D16的阳极接到双极型晶体管VT1的发射极，阴极接电源VC+，齐纳二极管D12的阳极接电源VC-，阴极接双极型晶体管VT2的发射极。双极型晶体管VT1的发射极接到绝缘栅双极晶体管IGBT的门极G。

本发明中还包括一个电流信号放大电路，作用是将过压信号反馈电路输入的小电流信号进行放大，并将放大后的信号反馈到主电路。它包括一个高电压摇摆率运算放大器U2，运算放大器U2的同相输入端通过电阻R7接到电阻R9，反相输入端通过电阻R12接到电阻R9；同时，开关二极管Q3、Q6的阴极接电源VC+,阳极接电源VC-，其中开关二极管Q3的中性端与电阻R9、齐纳二极管D13的阳极相连，开关二极管Q6的中性端接电阻R9、R12和齐纳二极管D15的阳极，齐纳二极管D13、D15的阴极接到一起；电阻R7通过电阻R9接地；电阻R12一端接齐纳二极管D15的阳极，另一端通过电阻R13接运算放大器U2的输出端6脚；运算放大器U2输出端6脚接电阻R11，齐纳二极管D14的阴极和反向器U1B的输入端，其中齐纳二极管D14的阳极与电阻R11一端相连后接地；反相器U1B的输出端接到电阻R5和快恢复二极管D10的阴极，电阻R5和快恢复二极管D10并联，另一端接电容C2和功率MOSFET器件Q1的栅极G2，功率MOSFET器件Q1的源极S2接电源VC+，漏极D2与D1接在一起，功率MOSFET器件Q1中栅极G1与过压信号反馈电路中电阻R3和R6相连，功率MOSFET器件Q1源极S1接电阻R9与开关二极管Q6的公共端。

本发明中还包括一个过压信号调节电路，主要作用是当过压信号反馈电路中有比较大的反馈电压和反馈电流时，能帮助电流信号放大电路及时调整反馈电压值，将比较高的反馈电压降低。电路主要包括齐纳二极管D11，快恢复二极管D6和MUR1,电阻R2、R4，电容C1，功率MOSFET器件Q1，以及反相器U1A。电路输入端接在电阻R6和电阻R9两端，电路输出端直接接到主电路中。其中快恢复二极管MUR1接电阻R4和反相器U1A的输入端，电阻R4接地，反相器U1A的输出端接电阻R2和快恢复二极管D6的阴极，电阻R2和快恢复二极管D6并联，另一端接到电容C1和功率MOSFET器件Q2中P沟道MOS管的栅极，P沟道MOS管的源极接电源VC+，P沟道MOS管的漏极接到功率MOSFET器件Q2中N沟道MOS管的漏极，N沟道MOS管的源极接齐纳二极管D11的阳极，电阻C1接地。

附图说明

下面结合附图说明详细说明本发明的基本结构组成和工作原理。

图1是一种现有技术方案的电路原理图；

图2是本发明的电路功能结构框图；

图3是图2中电流信号放大电路和过压信号调节电路原理图。

具体实施方式

如图2、图3所示，本发明主要包括：

两个用于提供工作电压的电源VC+和VC-，本实施例中VC+选取+15V，VC-选取-15V；

一个用于控制负载通断的绝缘栅双极晶体管IGBT；

一个过压信号反馈电路，用于将绝缘栅双极晶体管IGBT集电极C端关断时产生的过压信号反馈到控制电路中来。从图2中可以看到，本发明的过压信号反馈电路主要包括瞬态电压抑制二极管D2、D3、D4、D5、D8、D9，肖特基二极管D1、D7，电阻R1、R3、R6、R9；其中瞬态电压抑制二极管D2、D3、D4、D5、D8、D9按照阴极接阳极的顺序依次串联，瞬态电压抑制二极管D9的阴极接在绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极C端；瞬态电压抑制二极管D2的阳极接到肖特基二极管D1和D7的阳极；肖特基二极管D7的阴极通过电阻R1接到绝缘栅双极型晶体管IGBT的门极G；肖特基二极管D1的阴极通过电阻R3接到串联的电阻R6和R9上。

输出电路，主要由双极型晶体管VT1、VT2，齐纳二极管D12、D16构成。其中，双极型晶体管VT1的基极与双极型晶体管VT2的基极相连，并接到过压信号反馈电路的电阻R9；双极型晶体管VT1的集电极接电源VC+，晶双极型体管VT2的集电极接电源VC-,双极型晶体管VT1和双极型晶体管VT2的发射极接到一起，齐纳二极管D16的阳极接到双极型晶体管VT1的发射极，阴极接电源VC+，齐纳二极管D12的阳极接电源VC-,阴极接双极型晶体管VT2的发射极。双极型晶体管VT1的发射极接到绝缘栅双极晶体管IGBT的门极G。

本发明的主要特点还包括电流信号放大电路，作用是将过压反馈的小电流信号进行放大并反馈到过压信号反馈电路中。主要包括开关二极管Q3、Q6，齐纳二极管D13、D14、D15，电阻R6、R7、R9、R11、R12、R13，电容C2，快恢复二极管D10，功率MOSFET器件Q1，反相器U1B以及差模运算放大器U2；其中，开关二极管Q3、Q6的阴极接到电源VC+,阳极接到电源VC-，开关二极管Q3的中性端接到电阻R7和串联电阻R6、R9的中间，以及齐纳二极管D13的阳极，开关二极管Q6的中性端接电阻R9、R12和齐纳二极管D15的阳极，齐纳二极管D13、D15的阴极接到一起；电阻R7与电阻R9相连，同时接到差模运算放大器U2的同相输入端，电阻R9另一端接地；电阻R12一端接齐纳二极管D15的阳极，另一端接电阻R13和运算放大器U2的反相输入端，电阻R13另一端接运算放大器U2的输出端6脚；运算放大器U2输出端6脚接电阻R11，齐纳二极管D14的阴极和反向器U1B的输入端，其中齐纳二极管D14的阳极与电阻R11一端相连后接地；反相器U1B的输出端接到电阻R5和快恢复二极管D10的阴极，电阻R5和快恢复二极管D10并联，另一端接电容C2和功率MOSFET器件Q1的栅极G2，功率MOSFET器件Q1的源极S2接电源VC+，功率MOSFET器件Q1的漏极D2与D1接在一起，功率MOSFET器件Q1的栅极G1接过压信号反馈电路中电阻R3与电阻R6的公共端，功率MOSFET器件Q1的源极S1接到电阻R9与开关二极管Q6的公共端。

过压信号调节电路，主要作用是当过压信号反馈电路中有比较大的反馈电压和反馈电流时，能帮助电流信号放大电路及时调整反馈电压值，将比较高的反馈电压降低。电路主要包括齐纳二极管D11，快恢复二极管D6和MUR1,电阻R2、R4，电容C1，功率MOSFET器件Q1，以及反相器U1A。电路输入端接在电阻R6和电阻R9两端，电路输出端直接接到主电路中。其中快恢复二极管MUR1接电阻R4和反相器U1A的输入端，电阻R4接地，反相器U1A的输出端接电阻R2和快恢复二极管D6的阴极，电阻R2和快恢复二极管D6并联，另一端接到电容C1和功率MOSFET器件Q2的栅极G2，功率MOSFET器件Q2的源极S2接电源VC+，功率MOSFET器件Q2的漏极D2与漏极D1相连，功率MOSFET器件Q2的源极S1接齐纳二极管D11的阳极，电阻C1接地。

本发明的基本工作原理是：首先绝缘栅双极晶体管IGBT的驱动电路通过主电路给IGBT输出正常驱动信号（本例中为±15V），IGBT开通关断过程正常；但当变流器过载或者桥臂发生短路时，-15V驱动信号通过主电路传输给IGBT时，IGBT关断过程中集电极会产生非常高的尖峰电压，这个尖峰电压会击穿瞬态电压抑制二极管D2、D3、D4、D5、D8、D9，从而形成一个电流信号Iz。这个电流信号在较小的情况下，电流信号放大电路会把它放大，使其足以开通双极型晶体管VT1，VC+通过VT1加到绝缘栅双极晶体管IGBT的门极G，使IGBT开通，降低集电极电压，起到有源钳位的作用；当反馈电流较大时，电流信号放大电路和过压信号调节电路同时工作，将反馈电流灌输到双极型晶体管上，使双极型晶体管VT1开通，同时绝缘栅双极晶体管IGBT开通，集电极C端电压下降，达到电压钳位的目的。

下面结合图3描述本发明电流信号放大电路的具体工作过程及原理：

当绝缘栅双极型晶体管IGBT集电极电位C在关断过程出现尖峰电压时（超过1400V），这个电压信号会击穿瞬态电压抑制二极管D2、D3、D4、D5、D8、D9（瞬态抑制二极管的阈值电压共1400V），形成一个击穿电流

，电流

有三条反馈通路：

一个是通过快恢复二极管D7直接流回绝缘栅双极晶体管IGBT的门极G，抬升门极电压，从而使绝缘双极型晶体管IGBT重新开通，降低集电极C端电压；

另一个是当电流

较大时，过压信号调节电路可以迅速反应；当电流由B点通过电阻R6和R9流到A点时，电阻R6和R9两端电压升高，且A点电压升高；当A点电压达到8V门限电压时，反相器U1A输出低电平，低电平信号通过快恢复二极管D6和电阻R2使功率MOSFET器件Q2的P沟道MOS管导通；其中快恢复二极管D6和电阻R2的作用是使功率MOSFET器件Q2的P沟道MOS管快开通、慢关断；功率MOSFET器件Q2的P沟道MOS管导通后，电源VC+直接连通到功率MOSFET器件Q2的N沟道MOS管的漏极D2；这样的结果是，当N沟道MOS管的栅源电压达到门限值使其导通时，N沟道MOS管漏极电压VC+会直接接到A点上，及IGBT驱动器的主电路上，使主电路电压迅速抬升到VC+；A点电压抬升，则C点电压也抬升，从而使双极型晶体管VT1导通，使后级的绝缘栅双极晶体管IGBT门极电压抬升，IGBT管导通，从而使集电极C电压下降，整个过程不超过100ns，起到电压钳位的作用。

当反馈电流

较小（不超过100mA）时，由于驱动器前级电路的旁路作用，会将这个小电流分流，从而使过压信号调节电路不工作，这个时候瞬态抑制二极管的工作点就不够优化，此时起作用的是电流信号放大电路。电流

由D点流向A点，当两端电压达到40mA时（瞬态抑制二极管的理想工作点），电阻R9两端的电压升高，这个电压差值通过运算放大器U2被放大（U2电压摇摆率达到7000V/us，工作电压在±15V之间），增益放大倍数为：

Figure 2013105307774100002DEST_PATH_IMAGE003

。

齐纳二极管D13和D15保护运算放大器U2的差模输入端IN+和IN-；运算放大器U2输出信号通过电阻R11使E点电压抬升，其中齐纳二极管D14保护运算放大器U2的输出端OUT；E点电压上升到门限值8V，反相器U1B输出低电平，低电平信号通过快恢复二极管D10和电阻R5功率MOSFET器件Q1的P沟道MOS管导通；其中快恢复二极管D10和电阻R5的作用是使功率MOSFET器件Q1的P沟道MOS管快开通、慢关断；功率MOSFET器件Q1的P沟道MOS管导通后，电源VC+直接连通到功率MOSFET器件Q1的N沟道MOS管的漏极D2；这样的结果是，当N沟道MOS管的栅源电压达到门限值使其导通时，N沟道MOS管漏极电压VC+会直接接到A点上，及IGBT驱动器的主电路上，使主电路的电压迅速抬升到VC+，A点电压抬升，则C点电压也抬升，从而使双极型晶体管VT1导通，使后级的绝缘栅双极晶体管IGBT门极电压抬升，IGBT管导通，从而使集电极C电压下降，整个过程大约200ns，也起到电压钳位的作用。

Claims

1.一种新型IGBT有源钳位保护电路，其特征在于，所述IGBT有源钳位保护电路主要包括：两个用于提供工作电压的电源VC+、VC-，一个绝缘栅双极晶体管IGBT，一个过压信号反馈电路，电流信号放大电路，过压信号调节电路以及输出电路，

所述绝缘栅双极晶体管IGBT，用于控制负载通断；

所述过压信号反馈电路，用于将绝缘栅双极晶体管IGBT集电极C端关断时产生的过压信号反馈到主电路中来；

所述电流信号放大电路，用于将过压信号反馈电路输入的小电流信号进行放大，并将放大后的信号反馈到主电路；

所述过压信号调节电路，主要作用是当过压信号反馈电路中有比较大的反馈电压和反馈电流时，能帮助电流信号放大电路及时调整反馈电压值，将比较高的反馈电压降低；

所述输出电路，用于直接驱动绝缘栅双极晶体管IGBT，由功率晶体管VT1、VT2，齐纳二极管D12、D16，以及电阻R14构成；

所述过压信号反馈电路包括：瞬态电压抑制二极管D2、D3、D4、D5、D8、D9，肖特基二极管D1、D7，电阻R1、R3、R6、R9；其输入端接绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极C端，其输出端通过电阻R3、R6、R9接到主电路中；

所述电流信号放大电路包括：开关二极管Q3、Q6，齐纳二极管D13、D14、D15，电阻R5、R12、R13，电容C2，快恢复二极管D10，功率MOSFET器件Q1，反相器U1B以及运算放大器U2；电流信号放大电路输入端是电阻R9两端的差分电压信号，其输出端直接接到主电路中；所述电流信号放大电路中的运算放大器U2是一个高电压摇摆率运算放大器，运算放大器U2的同相输入端通过电阻R7接到电阻R9，反相输入端通过电阻R12接到电阻R9；同时，开关二极管Q3、Q6的阴极接电源VC+,阳极接电源VC-，其中开关二极管Q3的中性端与电阻R9、齐纳二极管D13的阳极相连，开关二极管Q6的中性端接电阻R9、R12和齐纳二极管D15的阳极，齐纳二极管D13、D15的阴极接到一起；电阻R7通过电阻R9接地；电阻R12一端接齐纳二极管D15的阳极，另一端通过电阻R13接运算放大器U2的输出端6脚；运算放大器U2输出端6脚接电阻R11，齐纳二极管D14的阴极和反向器U1B的输入端，其中齐纳二极管D14的阳极与电阻R11一端相连后接地；反相器U1B的输出端与电阻R5和快恢复二极管D10的阴极相连，电阻R5和快恢复二极管D10并联，另一端接电容C2和功率MOSFET器件Q1的栅极G2，功率MOSFET器件Q1的源极S2接电源VC+，漏极D2与D1接在一起，功率MOSFET器件Q1中栅极G1与过压信号反馈电路中电阻R3和R6相连，功率MOSFET器件Q1源极S1接电阻R9与开关二极管Q6的公共端；

所述过压信号调节电路包括：齐纳二极管D11，快恢复二极管D6和MUR1，电阻R2、R4，电容C1，功率MOSFET器件Q1，以及反相器U1A，电路输入端接在电阻R6和电阻R9两端，电路输出端直接接到主电路中；

所述输出电路包括：双极型晶体管VT1、VT2，齐纳二极管D12、D16，其中，双极型晶体管VT1的基极与双极型晶体管VT2的基极相连，并接到过压信号反馈电路的电阻R9；双极型晶体管VT1的集电极接电源VC+，晶双极型体管VT2的集电极接电源VC-,双极型晶体管VT1和双极型晶体管VT2的发射极接到一起，齐纳二极管D16的阳极接到双极型晶体管VT1的发射极，阴极接电源VC+，齐纳二极管D12的阳极接电源VC-,阴极接双极型晶体管VT2的发射极，双极型晶体管VT1的发射极接到绝缘栅双极晶体管IGBT的门极G。

2.根据权利要求书1所述的新型IGBT有源钳位保护电路，其特征在于，所述过压信号调节电路中快恢复二极管MUR1接电阻R4和反相器U1A的输入端，电阻R4接地，反相器U1A的输出端接电阻R2和快恢复二极管D6的阴极，电阻R2和快恢复二极管D6并联，另一端接到电容C1和功率MOSFET器件Q2中P沟道MOS管的栅极，P沟道MOS管的源极接电源VC+，P沟道MOS管的漏极接到功率MOSFET器件Q2中N沟道MOS管的漏极，N沟道MOS管的源极接齐纳二极管D11的阳极，电阻C1接地。