CN104052048A - 一种igbt驱动的有源钳位电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种IGBT驱动的有源钳位电路，包括依次连接在所述IGBT的集电极和栅极之间的第一瞬态电压抑制二极管、第二瞬态电压抑制二极管、二极管、限流电阻，所述第二瞬态电压抑制二极管并联有电容和放电电阻。实现了IGBT动态有源钳位和静态有源钳位的保护。该电路结构简单，通用性强，可以根据各种应用场合进行有源钳位电压的参数设置，可以应用在各种工况下的IGBT驱动电路设计中。

Description

一种IGBT驱动的有源钳位电路

技术领域

本发明涉及电力机车用变流器，尤其涉及一种电力机车用变流器的IGBT驱动的有源钳位电路。

背景技术

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)集功率场效应管(MOSFET)和双极性功率晶体管(BJT)的优点于一身，既具有输入阻抗高、开关速度快，热稳定性好和驱动电路简单的特点，又具有通态电压低、耐压高和承受电流大等优点，因此在现代电力电子技术中得到越来越广泛的应用。

IGBT应用的关键技术之一是过电压抑制。过电压抑制不仅直接关系到IGBT本身的工作特性和运行安全，还影响到整个系统的性能和安全。IGBT在正常情况关断时会产生一定的电压尖峰，但是数值不会太高，但在变流器过载或者桥臂短路时，如果要关断管子，产生的电压尖峰则非常高，此时IGBT非常容易被打坏。

有源钳位电路的目标是钳住IGBT的集电极电位，使其不要到达太高的水平，如果关断时产生的电压尖峰太高，或者太陡，都会使IGBT受到威胁。所以有源钳位电路通常在故障状态下才会动作，正常时不工作。

在现有技术方案中一种典型有源钳位电路，如图1所示。该电路结构简单，动态性能好，响应速度快。该电路属于静态有源钳位，在电力机车用的变流器应用中，由于母线电压较高且波动较大往往会高于有源钳位动作的电压点，若不处理，有源钳位会进入连续动作的状态，容易损坏驱动电路。针对此情况专业的IGBT驱动电路生产商CONCEPT公司开发的驱动核采用高级动态有源钳位DA²C技术，通过专用ASIC去控制部分TVS管短接来改变有源钳位电压阀值，如图2所示。

现有技术中，广泛使用的IGBT驱动电路是可以通过商业手段获得的独立集成驱动芯片，如CONCEPT公司；这种集成驱动芯片不仅驱动能力有限，而且很难实现对线路中的参数进行灵活调节，因此这种独立集成驱动芯片无法满足电力机车在不同应用场景下对IGBT驱动电路的驱动能力和线路保护能力进行灵活调节的需求；另一方面，由于电力机车上的电磁环境十分恶劣，而独立集成驱动芯片很容易会受到电磁干扰发生故障，因此现有技术中，独立集成驱动芯片往往无法在电力机车的复杂环境下保证IGBT变流器能够安全可靠运行，基本采用专门设计的驱动电路。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种电力机车用变流器的IGBT驱动的有源钳位电路，该电路在典型有源钳位电路的基础上进行改进，实现了IGBT动态有源钳位和静态有源钳位的保护。该电路结构简单，通用性强，可以根据各种应用场合进行有源钳位电压的参数设置，可以应用在各种工况下的IGBT驱动电路设计中。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的IGBT驱动的有源钳位电路，该部分电路为IGBT驱动电路的一部分，连接在变流器的IGBT的集电极和栅极之间，包括依次连接在所述IGBT的集电极和栅极之间的第一瞬态电压抑制二极管、第二瞬态电压抑制二极管、二极管、限流电阻，所述第二瞬态电压抑制二极管并联有电容和放电电阻。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例所提供的IGBT驱动的有源钳位电路，由于包括依次连接在所述IGBT的集电极和栅极之间的第一瞬态电压抑制二极管、第二瞬态电压抑制二极管、二极管、限流电阻，所述第二瞬态电压抑制二极管并联有电容和放电电阻，实现了动态有源钳位和静态有源钳位的结合：当IGBT导通瞬态时，IGBT的集-射电压被钳位在稳压值U_TVS＝U_TVS1+U_TVS2，此时有源钳位电路相当于一个保护电路，避免过电压发生；当IGBT关断瞬态时分三种情况，当IGBT的集-射电压小于U_TVS1时，此时有源钳位电路不需要工作，IGBT的功率损耗也较低；当IGBT的集-射电压大于U_TVS1时，瞬态电压抑制二极管TVS1被击穿，电容c流过反馈电流Ic＝CdVCE/dt，该电流对门级充电，使得VGE电压下降变缓，保持在IGBT栅级阀值电压以上，此时集电极电流处于可控状态，也可理解为电容c并联在IGBT的栅-集极之间，增大了IGBT的栅-集极电容Cgc；当IGBT的集-射电压大于U_TVS时，即出现过电压，瞬态电压抑制二极管TVS1和TVS2都导通，IGBT和TVS相互作用抑制过电压等同于典型有源钳位电路。

附图说明

图1为现有技术方案典型IGBT驱动有源钳位电路的结构示意图；

图2为现有技术方案CONCEPT驱动提供的动态有源钳位电路的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的IGBT驱动的有源钳位电路的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的IGBT驱动的有源钳位电路的电路原理图。

具体实施方式

下面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。

本发明的IGBT驱动的有源钳位电路，该部分电路为IGBT驱动电路的一部分，连接在变流器的IGBT的集电极和栅极之间，包括依次连接在所述IGBT的集电极C和栅极G之间的第一瞬态电压抑制二极管TVS1、第二瞬态电压抑制二极管TVS2、二极管D、限流电阻R，所述第二瞬态电压抑制二极管TVS2并联有电容c和放电电阻Rc。

所述IGBT的集电极C与所述第一瞬态电压抑制二极管TVS1的阴极电连接，所述第一瞬态电压抑制二极管TVS1的阳极与所述第二瞬态电压抑制二极管TVS2的阴极电连接，所述第二瞬态电压抑制二极管TVS2的阳极与二极管D的阳极电连接，所述二极管D的阴极与所述限流电阻R的一端连接，所述限流电阻R的另一端连接到所述IGBT的栅极G。

需要说明的是，本发明实施例所提供的IGBT驱动有源钳位电路主要适用于电压为3300V甚至更高的电力机车变流器。下面开始对该IGBT有源钳位电路驱动电路进行详细描述。

如图3所示，一种IGBT驱动有源钳位电路为IGBT驱动电路的一部分，连接在变流器的IGBT的集电极和栅极之间，其具体结构可以包括：瞬态电压抑制二极管TVS1和TVS2、二极管D、电容c、放电电阻Rc、限流电阻R。

TVS1构成动态有源钳位电压阀值，当IGBT的集-射电压大于U_TVS1时，瞬态电压抑制二极管TVS1被击穿，电容c流过反馈电流Ic＝C×dV_CE/dt，该电流对门级充电，使得V_GE电压下降变缓，保持在IGBT栅级阀值电压以上，此时集电极电流处于可控状态。TVS1和TVS2构成静态有源钳位电压阀值，当判定V_CE过电压时，即当IGBT的集-射电压大于U_TVS＝U_TVS1+U_TVS2时，瞬态电压抑制二极管TVS1和TVS2都导通，IGBT和TVS相互作用抑制V_CE电压在额定电压之下，此时电容c不起作用，寄生电感能量消耗在IGBT和TVS中。

二极管D的作用是防止IGBT栅级电压流向集电极。电容c为动态有源钳位时并联在IGBT的栅-集极之间，增大了IGBT的栅-集极电容Cgc。放电电阻Rc为当IGBT处于关断稳态是电容c对其放电，同时当IGBT串联使用时，其也可作为静态均压电阻。限流电阻R起保护瞬态电压抑制二级管的限流作用。

具体地，该IGBT驱动有源钳位电路具体实施方案可以包括：

(1)TVS管的阀值选取和选型：TVS1管的阀值根据实际工作电压进行选取，一般选取要大于额定工作电压的最大值，同时也要考虑网测过电压。如果母线电压大于有源钳位电压导致IGBT打开时是非常危险的情况，如桥臂电路中IGBT上管打开时，有源钳位电路导致IGBT下管误打开会导致变流器损坏；TVS2和TVS1的阀值根据IGBT的电压等级进行选取，一般选取IGBT的击穿电压等级的80％-90％，注意TVS管的击穿电压有最大值和最小值，IGBT的击穿电压要大于TVS管的击穿电压最大值。对TVS管来说，相同功率等级的TVS电压越低，能承受的峰值电流越大，使用较低电压的TVS管串联不仅能承受更高峰值脉冲电流，还能减少串联TVS的总结电容，一般根据钳位电流和PCB的设计选取TVS管的型号和数量。

(2)限流电阻R的选取：限流电阻R的选值可以计算出相应TVS管击穿的电流值(击穿电压和钳位电压的差值除以电阻R)和功率值(电流值乘以TVS电压)，这样可以根据所选的TVS管的型号确定限流电阻R的选择，注意在电力机车变流器应用场合，要考虑到环境温度会导致TVS管的功率下降到额定的80％；

(3)电容c和放电电阻Rc的选取：电容c一般可以通过定性的仿真确定，目的是当dV_CE/dt超过一定值后，IGBT的栅极电压开始上升，根据电容c的选值，确定放电电阻Rc的选值，但一般Rc电阻的阻值要大，达到MΩ级别。

需要说明的是，本发明是在图1所示的现有技术方案典型IGBT驱动有源钳位电路的基础上进行的改变，针对该基础电路在现在的设计上有很多改进，虽然改进目的和方法并不相同，但是大多采取复杂的控制手段和成本较高的ASIC技术，如图2所示的高级动态有源钳位技术，这使得要么采用商业的驱动芯片，要么采用复杂的控制手段去实现。本发明电路拓扑结构简单，可以被引用在任何IGBT驱动电路中，并根据所驱动IGBT模块的型号和实际应用场合进行参数设计。

此外，在本发明实施例所提供的IGBT驱动电路中，通过对第一瞬态电压抑制二极管TVS1和第二瞬态电压抑制二极管TVS2进行灵活选型，实现不同的串联组合，可以使该有源钳位电路具有不同的保护阀值和承受功率，从而能够适应电力机车的不同应用场景对IGBT过电压保护能力的需求；通过对电容c、放电电阻Rc的参数设计，当IGBT的集-射电压大于U_TVS1时，可以使IGBT栅极关断电压呈现不同的下降趋势，从而控制IGBT的开关转换速度，适应电力机车的对IGBT关断速度的需求。

综上可见，本发明实施例的实施不仅能够良好的实现IGBT驱动中有源钳位电路的保护功能，保障IGBT变流器安全可靠地运行，同时还能够在电力机车的不同应用场景灵活调节保护阀值和保护能力，因而有力地保证了电力机车的安全性和可靠性。

为使本发明所提供技术方案的内容、目的和有益效果更加清楚，下面通过具体实例进行详细描述。

实施例一

如图4所示，一种IGBT驱动有源钳位电路为IGBT驱动电路的一部分，连接在变流器的IGBT的集电极和栅极之间，其具体结构可以采用上述技术方案。该有源钳位电路成功的应用于电路机车牵引变流器的IGBT驱动电路设计中，在1800VDC-1300VAC的两电平三相逆变器中，用于对3300V,1200A的IGBT进行有源钳位保护。

其中，上述技术方案中所使用的元器件可以采用如下的具体实施方案：

(1)在图4所示的电路中，D1至D30为VISHAY的SMCJ系列瞬态电压抑制二极管，其中D1至D22为SMCJ100A，D23至D25为SMCJ5A，他们构成TVS1的串联组合，U_TVS1电压阀值为2215V；D26至D29为SMCJ150A，他们构成TVS2的串联组合，U_TVS2电压值为600V，U_TVS电压阀值为2815V；D30为SMCJ33A，其作用为二极管D，防止IGBT栅级电压流向集电极。

(2)在图4所示的电路中，C1的选型为22nF，1000V的金属化聚丙烯薄膜电容。电阻R1至R4为221k欧姆的金属化薄膜电阻，他们串联组合成放电电阻Rc。电阻R5至R7为22欧姆的金属化薄膜电阻，他们并联组合成限流电阻R。

可见，本发明实施例的可以根据所驱动的IGBT型号，工作电压等级，功率损耗需求，甚至PCB的设计体积进行器件选型和参数设计，具有极大的灵活性和应用性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种IGBT驱动的有源钳位电路，该部分电路为IGBT驱动电路的一部分，连接在变流器的IGBT的集电极和栅极之间，其特征在于，包括依次连接在所述IGBT的集电极(C)和栅极(G)之间的第一瞬态电压抑制二极管(TVS1)、第二瞬态电压抑制二极管(TVS2)、二极管(D)、限流电阻(R)，所述第二瞬态电压抑制二极管(TVS2)并联有电容(c)和放电电阻(Rc)。

2.根据权利要求1所述的IGBT驱动的有源钳位电路，其特征在于，所述IGBT的集电极(C)与所述第一瞬态电压抑制二极管(TVS1)的阴极电连接，所述第一瞬态电压抑制二极管(TVS1)的阳极与所述第二瞬态电压抑制二极管(TVS2)的阴极电连接，所述第二瞬态电压抑制二极管(TVS2)的阳极与所述二极管(D)的阳极电连接，所述二极管(D)的阴极与限流电阻(R)的一端连接，所述限流电阻(R)的另一端连接到所述IGBT的栅极(G)。