CN104836559A - 一种igbt驱动门极上升、下降沿电压可调控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种IGBT驱动门极上升、下降沿电压可调控制电路，包括一组输出端并联的正电压驱动调节电路和一组输出端并联的负电压驱动调节电路，各正电压驱动调节电路用于输出所连接的对应不同数值的正电平，各负电压驱动调节电路用于输出所连接的对应不同数值的负电平，且各驱动调节电路的输入端与对应的数字输入信号端连接，各驱动调节电路的输出端均用于与IGBT门极连接。本发明的控制电路中每个驱动调节电路可以按照需要输出不同电压，实现驱动电压的调整，并将传统的模拟控制改为数字控制，抗干扰性能好，同时可以按照要求扩展所需的电平数。

Description

一种IGBT驱动门极上升、下降沿电压可调控制电路

技术领域

本发明涉及一种IGBT驱动门极上升、下降沿电压可调控制电路。

背景技术

随着大功率IGBT应用的日益广泛，IGBT门极上升沿和下降沿控制技术日益受到重视，即在IGBT门极上施加可以调整的驱动电压波形，对于IGBT开通和关断过程进行控制，以达到所需要的开通关断要求。

由于IGBT的开通关断速度极快，其有效的开关时间一般在1us时间以内，同时其开通关断电流的峰值也高达数安培。因此需要驱动电压波形在一个1us时间之内完成多个电平的切换，即需要每个电平从触发到的投入时间在100ns以内，同时每个阶段的电流需要达到数安培。传统的方案是通过功放电路来实现，如甲类、乙类或者甲乙类功放电路，但是由于IGBT开通时间很短，需要的环路带宽和响应速度极高，无法满足要求；同时此类放大电路为模拟控制电路，抗干扰能力差。

在进行上升沿及下降沿控制过程中需要电平的切换，目前的电平转换电路一般采用推挽或者逻辑电平转换芯片，但是逻辑电平转换芯片速度较慢，一般为us甚至毫秒级，不满足要求。推挽电路需要采用正负电平控制，和数字控制信号电平不兼容，需要进行逻辑转换；另外，推挽电路中需要采用PNP三极管或者PMos，由物理定律可知此类器件的速度比NMos要慢三倍，不满足要求。

中国专利申请号201420355245.1公开了一种数字驱动信号隔离的IGBT驱动放大电路，包括固定频率电压输出电路(即PWM信号输出电路)，通过一种高性能固定频率电流型控制器，产生推挽驱动信号，隔离变压器，由推挽电路输出端连接到变压器的初级圈，光耦隔离电路，使控制器输出的驱动信号隔离放大。这种结构的电路就存在上述分析中提到的推挽电路需要采用正负电平控制且需进行逻辑转换和采用PNP三极管或者PMos速度慢的问题；另外，该电路中门极驱动电压(包括负电压、正电压)也为定值，无法在开通或关断的过程中实现驱动电压的调节。

发明内容

本发明的目的是提供一种IGBT驱动门极上升、下降沿电压可调控制电路，以解决现有的IGBT驱动电路无法实现门极驱动电压可调的问题。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种IGBT驱动门极上升、下降沿电压可调控制电路，包括一组输出端并联的正电压驱动调节电路和一组输出端并联的负电压驱动调节电路，各正电压驱动调节电路用于输出所连接的对应不同数值的正电平，各负电压驱动调节电路用于输出所连接的对应不同数值的负电平，且各驱动调节电路的输入端与对应的数字输入信号端连接，各驱动调节电路的输出端均用于与IGBT门极连接。

所述驱动调节电路包括电平转换和放大电路及与对应数值的电平连接的开关管，所述电平转换和放大电路的信号输入端与用于触发开关管的数字输入信号端连接，其输出端与开关管的控制端连接。

每个驱动调节电路的输出端均通过对应的二极管并联。

所述电平转换和放大电路包括稳压管和NMos管，所述稳压管的阴极用于与数字信号输入端连接，其阳极与NMos管的栅极连接，且NMos管的栅极通过关断电阻与其源极相连后接负电平端，其漏极用于与正电平端和开关管的控制极连接。

所述稳压管为TVS管。

所述开关管为三极管。

每个驱动调节电路对应的数字输入信号端还连接有缓冲电路。

本发明的IGBT驱动门极上升、下降沿电压可调控制电路由多个正、负电压驱动调节电路构成，每个单电路可以按照需要，输出不同电压，实现驱动电压的调整，并将传统的模拟控制改为数字控制，抗干扰性能好，同时可以按照要求扩展所需的电平数。

将不同的电压之间通过二极管并联的方式进行电平切换，可以实现多电平电压输出合成驱动上升沿，即通过控制多个电平的投入切除来控制IGBT开通和关断的波形，控制电平的转换只需要相应电平投入即可，不需要其余电平切除，因此可以用低频信号合成高频信号，解决了高频窄脉冲产生的难题，同时利用肖特基二极管可以快速投入、切除，其投入、切除时间在5ns以内。

三极管开关控制的方式进行电平切换能使三极管处于饱和或者截至状态，损耗低。

采用TVS管和NMos构成电平转换和放大电路控制三极管导通和关断，TVS管的电平转换速度非常快；同时放弃PMos，全部采用NMos和电阻构成第二级电平转换和放大电路，实现正负电平切换。由于全部采用NMos进行，其开通关断速度很快，可以做到15ns时间以内。

附图说明

图1为本发明的原理结构图；

图2为本发明实施例1的电路图；

图3为本发明实施例2的电路图；

图4为本发明的实现原理图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。如图1所示为本发明IGBT驱动门极上升、下降沿电压可调控制电路的原理结构图，由图可知，该电路包括一组输出端并联的正电压驱动调节电路和一组输出端并联的负电压驱动调节电路，各正电压驱动调节电路用于输出所连接的对应不同数值的正电平，各负电压驱动调节电路用于输出所连接的对应不同数值的负电平，且各驱动调节电路的输入端与对应的数字输入信号端连接，各驱动调节电路的输出端均用于与IGBT门极连接。

由于各驱动调节电路对应一个设定的不同数值的电平，而每个电平都由独立的数字I/O信号进行控制，通过每次投入或者切除一个或者多个电平实现驱动电压的调整，即可以达到在1us时间内完成多个电平切换。

其中各驱动调节电路有多种实现形式，可以采用常规的多个固定电压的IGBT驱动电路来实现，也可以采用其他方式。

如图2所示，本实施例的驱动调节电路包括电平转换和放大电路及与对应数值的电平连接的开关管，电平转换和放大电路的信号输入端与用于触发开关管的数字输入信号端连接，其输出端与开关管的控制端连接。

另外，本实施例将每个驱动调节电路的输出端均通过对应的二极管进行并联，每个单电路可以按照需要，输出不同电压，不同的电压之间通过肖特基二极管进行并联，可以起到取最大输出电压的目的，即可以完成输出电压的电平切换，如图2所示。

采用电平转换和放大电路能够实现大电流输出，满足IGBT开通关断所需的数安培电流的输出。其中电平转换和放大电路也有多种实现形式，这里不一一列举，下面只提供一种方式进行说明。

电平转换和放大电路包括稳压管和NMos管，稳压管的阴极用于通过Mos驱动电阻与数字信号输入端连接，其阳极与NMos管的栅极连接，且NMos管的栅极通过关断电阻与其源极相连后接负电平端，其漏极用于与正电平端和开关管的控制极连接。

本实施例的稳压管采用TVS管，由于TVS管的击穿时间为1ps(皮秒)，可以实现快速的电平转换。

开关管选用三极管，其中正电压驱动调节电路的开关管为NPN型三极管，负电压驱动调节电路的开关管为PNP型三极管，三极管的基极(即控制极)与NMos管的漏极连接，其集电极与对应不同数值的正、负电平连接，其发射极为输出端，且其基极通过对应电阻与正电平端连接。当然，这里的开关管也不局限于使用三极管，采用分立元件构成的开关电路或者其他具有开关功能的开关管均满足使用要求，若采用其他形式元件，其相应的与所设正、负电平的连接端(例如若采用MOS管，则相应连接端一般为源极、栅极、漏极)也相应变化，此处不一一列举。

为了减少开通关断时候的损耗和对IGBT的损耗，在每个驱动调节电路对应的数字输入信号端还设置有缓冲电路，该缓冲电路可以采用快速Mos驱动集成IC(Ua1-Uf1)，如TC4426，或者也可以采用光耦来实现。

下面以图3所示的电路为例进行详细说明，该实施例包括三个正电压驱动调节电路(+15V、+10V、+5V)和三个负电压驱动调节电路(-15V、-10V、-5V)，其中的输入为数字输入信号，其输入电平可以为0-5V的数字信号；Ua1-Uf1为输入缓冲电路；Ra2-Rf2为Mos驱动电阻；TVSa1-TVSf1为单向TVS管；Qa1-Qf1为小电流高速NMos，如常见的2n7002；Ra1-Rf1为Mos限流电阻和三极管驱动电电阻；Ta1-Tc1为NPN型三极管，Td1-Tf1为PNP型三极管；Da1-Df1为肖特基二极管；Ra3-Rf3为IGBT驱动电阻；Ra4-Rf4为Mos关断电阻。

另外，TVSa1-TVSf1的TVS管的选型不尽相同，其击穿电压也有不同，例如，为满足本发明的使用要求，TVSa1-TVSc1及TVSf1的击穿电压均可选用大于15V小于20V的，而TVSd1则需选用大于5V而小于10V的，TVSe1需选用大于10V而小于15V的，这里击穿电压的选择根据所设的不同电平的数值而具体调整。

以Ua1回路为例，单个电路工作原理如下：其中TVS管的正向击穿电压为16V(不限于16V，只要能使输入的数字信号满足使用要求即可)。正向时若Ua1输入低电平信号，其输出为5V高电平，由于其高于-15V电压，因此TVS管TVSa1上承受正压，由于TVS管选择为16V击穿，因此在Mos管上栅极电压为-11V，此时Mos管上的GS电压差为4V，其值大于Mos的开通阈值电压，Mos导通，导致三极管Ta1基极电压下降到-15V，三极管处于截至状态。

正向时若Ua1输入高电平信号，其输出为0V低电平，由于其高于-15V电压，因此TVS管上承受正压，但是由于TVS管选择为16V击穿电，因此TVS管不能击穿，因此在Mos管上栅极电压通过电阻Ra4下拉到-15V，导致Mos管上的GS差电压为0V，Mos管截至，三极管Ta1上的基极电压通过电阻Ra1上拉至+15V，三极管Ta1导通，输出+15V。

如输出电平需要从+10V切换到+15V，只需要将Ua1控制回路1输出+15V电压，Ub1控制回路不动作；此时二极管Da1承受正向压降，二极管Db1承受正向压降，因此二极管Da1导通，Db1截至，输出电压切换为15V。

这里需要说明的是，由于该电路用于在IGBT开通及关断时进行控制，则在开通的过程中，需要驱动上升沿，为调节开通速度，需将开通电压由低到高进行调整，即5V、10V、15V逐步增加；而在关断的过程中，需要驱动下降沿，为调节关断速度，则需将关断电压由-5V、-10V、-15V逐步调整，如图3所示。

本发明不同的电压之间通过二极管进行并联，可以起到取最大输出电压的目的，即可以完成输出电压的电平切换。

如输出电平需要从+10V切换到+15V，只需要将Ua1控制回路输出+15V电压，Ub1控制回路不动作；此时二极管Da1承受正向压降，二极管Db1承受反向压降，因此二极管Da1导通，Db1截至，输出电压切换为15V。

如输出电平需要从-5V切换到-10V，只需要将Ue1控制回路输出-10V电压，Ud1控制回路不动作；此时二极管Dd1承受正向压降，二极管Dd1承受反向压降，因此二极管De1导通，Dd1截至，输出电压切换为-10V。

需要说明的是，本发明中在该控制电路的信号输入端还设有逻辑电路(图中未示出)，以保证正电压驱动调节电路与负电压驱动调节电路不会同时开通，即通过逻辑电路控制在IGBT开通过程中只有正电压驱动调节电路有输出，而所有的负电压驱动调节电路没有输出；而在IGBT关断过程中只有负电压驱动调节电路有输出，而所有的正电压驱动调节电路没有输出。该逻辑电路不是本发明的重点，且实现形式也多种多样，这里就不做详细说明。

以上实施例仅用于帮助理解本发明的核心思想，不能以此限制本发明，对于本领域的技术人员，凡是依据本发明的思想，对本发明进行修改或者等同替换，在具体实施方式及应用范围上所做的任何改动，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种IGBT驱动门极上升、下降沿电压可调控制电路，其特征在于：包括一组输出端并联的正电压驱动调节电路和一组输出端并联的负电压驱动调节电路，各正电压驱动调节电路用于输出所连接的对应不同数值的正电平，各负电压驱动调节电路用于输出所连接的对应不同数值的负电平，且各驱动调节电路的输入端与对应的数字输入信号端连接，各驱动调节电路的输出端均用于与IGBT门极连接。

2.根据权利要求1所述的IGBT驱动门极上升、下降沿电压可调控制电路，其特征在于：所述驱动调节电路包括电平转换和放大电路及与对应数值的电平连接的开关管，所述电平转换和放大电路的信号输入端与用于触发开关管的数字输入信号端连接，其输出端与开关管的控制端连接。

3.根据权利要求1或2所述的IGBT驱动门极上升、下降沿电压可调控制电路，其特征在于：每个驱动调节电路的输出端均通过对应的二极管并联。

4.根据权利要求3所述的IGBT驱动门极上升、下降沿电压可调控制电路，其特征在于：所述电平转换和放大电路包括稳压管和NMos管，所述稳压管的阴极用于与数字信号输入端连接，其阳极与NMos管的栅极连接，且NMos管的栅极通过关断电阻与其源极相连后接负电平端，其漏极用于与正电平端和开关管的控制极连接。

5.根据权利要求4所述的IGBT驱动门极上升、下降沿电压可调控制电路，其特征在于：所述稳压管为TVS管。

6.根据权利要求3所述的IGBT驱动门极上升、下降沿电压可调控制电路，其特征在于：所述开关管为三极管。

7.根据权利要求4所述的IGBT驱动门极上升、下降沿电压可调控制电路，其特征在于：每个驱动调节电路对应的数字输入信号端还连接有缓冲电路。