CN105207450B - 一种大功率igbt柔性驱动和保护电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大功率IGBT柔性驱动和保护电路，包括:工作电源电路、推挽式驱动电路、串联雪崩二极管反馈回路和保护阈值调节电路，采用雪崩二极管对IGBT开通和关断产生的电压尖峰进行闭环控制，同时，对大功率IGBT门极IG开通和关断的阻抗分别控制及对集射极电压尖峰的两级闭环控制，改变门极驱动电流的变化率，使得IGBT工作状态维持在线性区一段时间，达到限制IGBT集射极尖峰电压柔性驱动的目的，通过保护阈值调节电路对串联雪崩二极管反馈回路中雪崩二极管的短路调节，完成对IGBT保护阈值的两级控制。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种大功率IGBT柔性驱动和保护电路。
背景技术
大功率IGBT (Insulated GateBipolar Transistor)，即绝缘栅双极型晶体管，自80年代成功的研发和工业化使用以来，广泛应用于直流电压为600V 及以上的变流系统中，如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。在传统的设计和使用中，为了保证IGBT器件的可靠性，基本上都是采用粗放式的设计模式，选用器件的容量远大于工作所需，驱动电路简单，多以RCD吸收回路吸收为主，驱动和保护系统庞大，即使是这样，仍无法抵抗来自外界的干扰和自身系统引起的各种失效问题。例如在门极和发射极之间设置并联电阻和正负向的稳压电路，以消除在栅极电荷积累及栅源电压出现尖峰损坏IGBT，而稳压管在此的响应时间和过电流能力远远不足，从而导致IGBT过压而损坏。还有为吸收大功率IGBT的开通和关断尖峰而设计的RCD吸收电路，因为参数设计困难，器件体积太大，结构布置不方便，发热严重，故障率高，使得大功率IGBT 频频失效。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供一种大功率IGBT柔性驱动和保护电路，解决大功率IGBT因电压尖峰过高被击穿和开通、关断响应慢的问题。
为解决上述的技术问题，本发明采用如下的技术方案：
一种大功率IGBT柔性驱动和保护电路，包括工作电源电路，其特征在于还包括：
推挽式驱动电路，所述推挽式驱动电路接收所述工作电源电路的电流信号,输出端连接IGBT的门极；用于对控制系统传送的控制信号进行功率放大，完成对IGBT的门极开通和关断的阻抗分别控制。
串联雪崩二极管反馈回路，包括两个尖峰电压反馈回路：
第一反馈回路，包括第一快速二极管和第一串联雪崩二极管组串联结构，第一串联雪崩二极管组的信号输入端连接IGBT的集电极，输出端经第一快速二极管连接IGBT的门极；当IGBT开通和关断产生的电压尖峰超过第一串联雪崩二极管组设定的电压阈值时，将会在串联支路里面产生电流信号，电流信号通过第一快速二极管作用于IGBT的门极，减缓IGBT的开通和关断产生的电压尖峰，完成无增益电流闭环。
第二反馈回路，包括第二串联雪崩二极管组、高压突波电容和第二快速二极管；第二串联雪崩二极管组的电流信号输入端与IGBT的集电极连接，所述第二串联雪崩二极管组输出的电流信号经高压突波电容吸收，并通过缓冲电阻，被第二快速二极管引入所述推挽式驱动电路的电流信号输入端；所述第二串联雪崩二极管组是所述第一串联雪崩二极管组的一部分；第二反馈回路中的电流信号通过高压突波吸收电容和所述第二快速二极管，将电流引入推挽式驱动电路，与第一个尖峰电压反馈回路汇合，完成高增益电流闭环。第二反馈回路中的电流会早于第一反馈回路中的电流，更为灵敏。
保护阈值调节电路，包含开关MOSFET 器件，用于在IGBT开通时，降低所述串联雪崩二极管反馈回路中的击穿电压总值。
更具体的，所述串联雪崩二极管反馈回路包括雪崩二极管T1～T7、第一快速二极管V5、高压突波电容C1、高压突波电容C2、缓冲电阻R8、缓冲电阻R9和第二快速二极管V4；所述雪崩二极管T1～T7按阴极连接阳极的方式依次串联，雪崩二极管T7的阴极连接IGBT的集电极IC，雪崩二极管T1的阳极连接第一快速二极管V5的阳极，第一快速二极管V5的阴极连接IGBT的门极IG；所述高压突波电容C2与所述雪崩二极管T3并联，所述高压突波电容C1、缓冲电阻R9和第二快速二极管V4依次串联，所述高压突波电容C1的开放端连接雪崩二极管T2的阴极，所述第二快速二极管V4的阴极连接所述推挽式驱动电路的电流信号输入端，所述缓冲电阻R8连接在第一快速二极管V5的阳极和第二快速二极管V4的阳极之间。所述依次串联的雪崩二极管T1～T7组成第一串联雪崩二极管组，依次串联的T3～T7组成第二串联雪崩二极管组。第一反馈回路由第一串联雪崩二极管组和第一快速二极管V5组成，第二反馈回路由第二串联雪崩二极管、所述高压突波电容C1、所述高压突波电容C2、缓冲电阻R8、缓冲电阻R9和第二快速二极管V4。
作为本发明的进一步改进，所述保护阈值调节电路中，包含开关MOSFET V6器件,开关MOSFET V6的门极MG连接到IGBT的门极IG，开关MOSFET V6的漏极MD连接到雪崩二极管的T2的阴极，开关MOSFET V6的源极MS连接到第一快速二极管V5的阳极。当IGBT开通时，开关MOSFETV6也开通，将会把雪崩二极管T1、T2短路，这样就降低了串联雪崩二极管的击穿电压总值，确保在开通过程中，保证IGBT的可靠保护阈值。当IGBT关断时，开关MOSFET V6也关断，将会把雪崩二极管T1、T2继续加入雪崩二极管串联电路，这样就提高了串联雪崩二极管的击穿电压总值，确保在关断过程中，保证IGBT的可靠耐压阈值。
采用雪崩二极管对IGBT开通和关断产生的电压尖峰进行闭环控制，同时，对大功率IGBT门极IG开通和关断的阻抗分别控制及对集射极电压尖峰的两级闭环控制，改变门极驱动电流的变化率，使得IGBT工作状态维持在线性区一段时间，达到限制IGBT集射极尖峰电压柔性驱动的目的。
本发明所述的一种大功率IGBT柔性驱动和保护电路，有益效果是：保护电路以纳秒级速度工作，提高IGBT工作频率，降低尖峰吸收回路损耗，代替了传统RCD尖峰吸收电路，减小了IGBT的驱动和保护电路，易于PCB贴片化设计，柔性开通关断大功率IGBT器件，提高器件和设备可靠性。
附图说明
图1 本发明一种大功率IGBT柔性驱动和保护电路的系统结构示意图；
图2 本发明一种大功率IGBT柔性驱动和保护电路的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述。
如图1所示，一种大功率IGBT柔性驱动和保护电路，包括工作电源电路、推挽式驱动电路、串联雪崩二极管反馈电路和保护阈值调节电路。
工作电源电路，包含VCC、VEE，为推挽式驱动电路提供可靠的工作电源。
推挽式驱动电路，包含的器件有大功率三极管V1和V2, 大功率三极管V1和V2并联，用于对控制系统传送的控制信号进行功率放大。同时配合门极驱动网络，门极驱动网络包含的器件有电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7和快速二极管V1，可以完成对门极开通和关断的阻抗分别控制,最终连接到IGBT的门极IG。
所述串联雪崩二极管反馈回路包括雪崩二极管T1～T7、第一快速二极管V5、高压突波电容C1、高压突波电容C2、缓冲电阻R8、缓冲电阻R9和第二快速二极管V4；所述雪崩二极管T1～T7按阴极连接阳极的方式依次串联，雪崩二极管T7的阴极连接IGBT的集电极，雪崩二极管T1的阳极连接第一快速二极管V5的阳极，第一快速二极管V5的阴极连接IGBT的门极IG；所述高压突波电容C2与所述雪崩二极管T3并联，所述高压突波电容C1、缓冲电阻R9和第二快速二极管V4依次串联，所述高压突波电容C1的开放端连接雪崩二极管T2的阴极，所述第二快速二极管V4的阴极连接所述推挽式驱动电路的电流信号输入端，所述缓冲电阻R8连接在第一快速二极管V5的阳极和第二快速二极管V4的阳极之间。所述依次串联的雪崩二极管T1～T7组成第一串联雪崩二极管组，依次串联的T3～T7组成第二串联雪崩二极管组。第一反馈回路由第一串联雪崩二极管组和第一快速二极管V5组成，第二反馈回路由第二串联雪崩二极管、所述高压突波电容C1、所述高压突波电容C2、缓冲电阻R8、缓冲电阻R9和第二快速二极管V4。
所述保护阈值调节电路中，包含开关MOSFET V6器件, 开关MOSFET V6的门极MG连接到IGBT的门极IG，开关MOSFET V6的漏极MD连接到雪崩二极管的T2的阴极，开关MOSFETV6的源极MS连接到第一快速二极管V5的阳极。
如图2所示为上述一种大功率IGBT柔性驱动和保护电路的原理示意图，可以清楚的看到本电路是建立在经典控制理论基础上的，给定信号VR通过前向传递函数Z1、Z2、G1、G2控制IGBT的发射极-集电极电压VCE，通过K1、K2两个负反馈构成两级闭环控制。根据经典自动控制理论，VCE=G(S)*VR,这就意味着，只要控制住变量VR，变量VCE就是可控的，也就达到了柔性驱动和保护的目的。通过选择开关K和前向通道的互锁，调节前向通道函数Z2，完成对IGBT保护阈值的两级控制。
在上述的一种大功率IGBT柔性驱动和保护电路中，推挽式驱动电路中的大功率三极管V1和V2将输入电路的PWM逻辑信号放大，再经过由电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7和快速二极管V1组成的门极驱动网络与IGBT门极IG相连，驱动IGBT。中间并入第一反馈回路，减缓IGBT的开通和关断产生的电压尖峰，完成单位闭环增益K1。推挽式驱动电路输入端并联第二反馈回路，第二反馈回路除第二串联雪崩二极管组，还包括并联的高压突波电容支路,输出端和推挽式驱动电路的共基极连接，完成闭环增益K2。
当IGBT开通或者关断产生的电压尖峰超过7个串联的雪崩二极管击穿电压的和值时，击穿电流通过第一反馈回路，快速的流入IGBT门极IG，减缓开通或者关断的速度，同时通过第二反馈回路，高压突波电容将尖峰电流快速的输入推挽式驱动电路，在增益K2的作用下流入IGBT门极IG，这样既保证了快速性又可以保证稳定性。
将开关MOSFET V6的门极MG和IGBT的门极IG相连，获得同步触发的效果，在IGBT开通时，V6也开通，将T1、T2短路，降低给定值VR，在IGBT关断时，V6也关断，将T1、T2串入回路，增高给定值VR，以此在开通和关断时保护IGBT。
Claims (2)
1.一种大功率IGBT柔性驱动和保护电路，包括工作电源电路，其特征在于还包括：
推挽式驱动电路，所述推挽式驱动电路接收所述工作电源电路的电流信号，输出端连接IGBT的门极IG；用于对控制系统传送的控制信号进行功率放大，完成对IGBT的门极IG开通和关断的阻抗分别控制；
串联雪崩二极管反馈回路，包括两个尖峰电压反馈回路：
第一反馈回路，包括第一快速二极管和第一串联雪崩二极管组串联结构，第一串联雪崩二极管组的信号输入端连接IGBT的集电极，输出端经第一快速二极管连接IGBT的门极IG；
第二反馈回路，包括第二串联雪崩二极管组、高压突波电容和第二快速二极管；第二串联雪崩二极管组的电流信号输入端与IGBT的集电极连接，所述第二串联雪崩二极管组输出的电流信号经高压突波电容吸收，并通过缓冲电阻，被第二快速二极管引入所述推挽式驱动电路的电流信号输入端；所述第二串联雪崩二极管组是所述第一串联雪崩二极管组的一部分；
保护阈值调节电路，包含开关MOSFET 器件，用于在IGBT开通时，降低所述串联雪崩二极管反馈回路中的击穿电压总值；
所述串联雪崩二极管反馈回路包括雪崩二极管T1～T7、第一快速二极管V5、高压突波电容C1、高压突波电容C2、缓冲电阻R8、缓冲电阻R9和第二快速二极管V4；所述雪崩二极管T1～T7按阴极连接阳极的方式依次串联，雪崩二极管T7的阴极连接IGBT的集电极IC，雪崩二极管T1的阳极连接第一快速二极管V5的阳极，第一快速二极管V5的阴极连接IGBT的门极IG；所述高压突波电容C2与所述雪崩二极管T3并联，所述高压突波电容C1、缓冲电阻R9和第二快速二极管V4依次串联，高压突波电容C1和C2之间连线引出支线，支线再与雪崩二极管T2阴极连接，所述第二快速二极管V4的阴极连接所述推挽式驱动电路的电流信号输入端，所述缓冲电阻R8连接在第一快速二极管V5的阳极和第二快速二极管V4的阳极之间； 所述依次串联的雪崩二极管T1～T7组成第一串联雪崩二极管组，依次串联的雪崩二极管T3～T7组成第二串联雪崩二极管组；第一反馈回路由第一串联雪崩二极管组和第一快速二极管V5组成，第二反馈回路由第二串联雪崩二极管组、所述高压突波电容C1、所述高压突波电容C2、缓冲电阻R8、缓冲电阻R9和第二快速二极管V4组成。
2.如权利要求1所述的一种大功率IGBT柔性驱动和保护电路，其特征在于：所述保护阈值调节电路中，包含开关MOSFET V6器件， 开关MOSFET V6的门极MG连接到IGBT的门极IG，开关MOSFET V6的漏极MD连接到雪崩二极管T2的阴极，开关MOSFET V6的源极MS连接到第一快速二极管V5的阳极。
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