CN105429441B - Igbt闭环主动驱动电路及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种IGBT闭环主动驱动电路及其驱动方法，该电路包括正向开启模块和反向关断模块，正向开启模块和反向关断模块均包括共同构成闭环反馈通路的电平位移电路、第一逻辑控制电路、第二逻辑控制电路、第一电流驱动电路、第二电流驱动电路、第一比较器电路、第二比较器电路、第一延时电路和第二延时电路。本发明采用电流源模式，直接控制驱动电流，通过加快开关速度来减少开关损耗；通过采样dv/dt,di/dt信号，在IGBT开关动态过程中，实现对门极驱动电流的实时闭环控制，与传统开环模式的IGBT驱动电路相比，在加快开关速度同时不增加电压的超调量。

Description

IGBT闭环主动驱动电路及其驱动方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种IGBT闭环主动驱动电路及其驱动方法。

背景技术

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）是由MOSFET（绝缘栅极场效应管）和BJT（双极型三极管）组成的复合电力电子器件。它既有BJT容量大且饱和压降低的优点，又具有MOSFET开关速度快和驱动功率小的优点，其频率特性介于MOSFET和BJT之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，它广泛应用于变频器、照明电路、开关电源等领域。

驱动电路是电力电子装置的一个重要组成部分，输入端连接到控制电路PWM信号的输出端，输出端连接到IGBT的门极。它将装置中的控制电路产生的PWM信号进行隔离传输、电平转换和功率放大，实现控制电路对IGBT进行开通关断控制，从而实现装置的功率变换功能。

驱动电路作为高压主电路IGBT和低压控制电路的接口，是IGBT应用的关键技术和难点之一。驱动电路的好坏直接决定了IGBT的可靠性，对变换器系统的安全稳定可靠运行有重要的作用；同时优化的驱动电路能使IGBT呈现出更加理想的开关特性，减少IGBT的开关时间，减少开关损耗，进而提高变换器系统的效率。在传统的电压型开环驱动模式中，加快开关速度可以减少开关损耗，但此时电压超调会增加，会带来EMI问题甚至造成器件过压损坏。

发明内容

针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种IGBT闭环主动驱动电路及其驱动方法，采用电流源模式直接控制驱动电流且通过实时检测dv/dt、di/dt信号对门极驱动电流闭环控制。

为实现上述目的，本发明提供一种IGBT闭环主动驱动电路，包括正向开启模块和反向关断模块，所述正向开启模块和反向关断模块均包括共同构成闭环反馈通路的电平位移电路、第一逻辑控制电路、第二逻辑控制电路、第一电流驱动电路、第二电流驱动电路、第一比较器电路、第二比较器电路、第一延时电路和第二延时电路；所述电平位移电路分别与第一逻辑控制电路和第二逻辑控制电路的输入端电连接，所述第一比较器电路通过第一延时电路与第二逻辑控制电路的输入端电连接，所述第二比较器电路通过第二延时电路与第二逻辑控制电路的输入端电连接，所述第一逻辑控制电路的输出端与第一电流驱动电路的输入端连接，所述第二逻辑控制电路的输出端与第二电流驱动电路的输入端电连接；且所述第一电流驱动电路和第二电流驱动电路的输出端均连接至IGBT的门极；该正向开启模块和反向关断模块均还包括用于检测IGBT开关过程中的di/dt信号的di/dt检测电路和用于检测IGBT开关过程中的dv/dt信号的dv/dt检测电路；所述di/dt检测电路连接至IGBT的发射极，所述dv/dt检测电路连接至IGBT的集电极；

所述电平位移电路将PWM驱动信号整体下降5V并输出到第一逻辑控制电路和第二逻辑控制电路的输入端，所述第一逻辑控制电路根据输入端的第一控制信号输出多个信号驱动第一电流驱动电路的工作状态，第一电流驱动电路的输出端连接至IGBT的门极；所述第一比较器电路将检测到的di/dt信号与第一参考电压进行比较并输出控制信号，所述第一延时电路将第一比较器电路输出的控制信号进行延时并输出到第二逻辑控制电路的输入端；所述第二比较器电路将检测到的dv/dt信号与第二参考电压进行比较并输出控制信号，所述第二延时电路将第二比较器电路输出的控制信号进行延时并输出到第二逻辑控制电路的输入端后第二逻辑控制电路开始工作，第二逻辑控制电路根据输入端的第二控制信号输出多个信号驱动第二电流驱动电路的工作状态，第二电流驱动电路的输出端连接至IGBT的门极；所述第一电流驱动电路和第二电流驱动电路在IGBT导通或者关断的瞬间为其提供大小可控的驱动电流。

其中，所述正向开启模块和反向关断模块的工作原理一致，所述正向开启模块为IGBT提供正向开启瞬态驱动电流，所述反向关断模块为IGBT提供反向关断瞬态驱动电流。

其中，所述电平位移电路包括并联的第一电平P沟道MOS管及第一电平N沟道MOS管、两者之间通过第二齐纳二极管串联的第二电平P沟道MOS管及第二电平N沟道MOS管、两者之间通过第一齐纳二极管串联的第三电平P沟道MOS管及第三电平N沟道MOS管、串联的第四电平P沟道MOS管及第四电平N沟道MOS管和串联的第五电平P沟道MOS管及第五电平N沟道MOS管，所述第一电平P沟道MOS管与第一电平N沟道MOS管构成电平反相器并输出与PWM信号反向的第一方波电压信号，且所述第一电平P沟道MOS管与第一电平N沟道MOS管的基极公共端连接至第三电平P沟道MOS管的基极，所述第一电平P沟道MOS管与第一电平N沟道MOS管的集电极公共端连接至第二电平P沟道MOS管的基极。

其中，所述第一逻辑控制电路和第二逻辑控制电路的输入端上均设有PWM信号端、di/dt信号端、dv/dt信号端和五个选择信号端，且其的输出端上均设有多个SEL信号端，所述第一控制信号接入第一逻辑控制电路的五个选择信号端，所述第二控制信号接入第二逻辑控制电路的五个选择信号端，所述电平位移电路分别接入第一逻辑控制电路和第二逻辑控制电路的PWM信号端，所述第一延时电路接入第二逻辑控制电路的di/dt信号端，所述第二延时电路接入第二逻辑控制电路的dv/dt信号端；所述第一电路驱动电路和第二电流驱动电路上均设有多个驱动单元，第一逻辑控制电路上每个SEL信号端接入第一电路驱动电路内对应的驱动单元，所述第二逻辑控制电路上每个SEL信号端接入第二电路驱动电路内对应的驱动单元。

其中，所述正向开启模块中第一电流驱动电路和第二电流驱动电路均包括并联的第一电流P沟道MOS管及第一电流N沟道MOS管、串联的第二电流P沟道MOS管及第二电流N沟道MOS管、串联的第三电流P沟道MOS管及第三电流N沟道MOS管和第四电流P沟道MOS管；所述第一电流P沟道MOS管与第一电流N沟道MOS管之间构成电流反相器并输出与第二方波电压信号反向的第三方波电压信号；且所述第一电流P沟道MOS管与第一电流N沟道MOS管的基极公共端连接至第三电流N沟道MOS管的基极，所述第一电流P沟道MOS管与第一电流N沟道MOS管的集电极公共端连接至第二电流N沟道MOS管的基极，所述第四电流P沟道MOS管连接至第二电流N沟道MOS管与第二电流P沟道MOS管的集电极公共端。

其中，所述反向关断模块中第一电流驱动电路和第二电流驱动电路均包括并联的第五电流P沟道MOS管及第五电流N沟道MOS管、串联的第六电流P沟道MOS管及第六电流N沟道MOS管、串联的第七电流P沟道MOS管及第七电流N沟道MOS管和第八电流N沟道MOS管；所述第五电流P沟道MOS管与第五电流N沟道MOS管之间构成反相器并输出与第二方波电压信号反向的第四方波电压信号；且所述第五电流P沟道MOS管与第五电流N沟道MOS管的基极公共端连接至第七电流N沟道MOS管的基极，所述第五电流P沟道MOS管与第五电流N沟道MOS管的集电极公共端连接至第六电流N沟道MOS管的基极，所述第八电流N沟道MOS管连接至第六电流N沟道MOS管与第六电流P沟道MOS管的集电极公共端。

其中，所述第一比较器电路和第二比较器电路均包括正向比较器电路和负向比较器电路，所述正向比较器电路包括依次相连的第一级正向差分放大器、第二级正向电压判决单元、第三级正向差分放大器和正向反相器，所述第二级正向电压判决单元的VDD接5V电源电压，且GND接地；所述第一级正向差分放大器的V+端接入di/dt或dv/dt信号，且该V-端接入接恒定阈值0.5V电压；当检测到的di/dt或dv/dt信号为正相方波时，正向比较器电路开始工作，第一级正向差分放大器将输入电压摆幅放大；第二级正向电压判决单元进行电压比较，当V+高于阈值电压V-时，电路输出高电平，当V+低于V-时，电路输出低电平；第三级正向差分放大器进一步扩大电压摆幅至0-5V方波信号，正向反相器作为缓冲级。

其中，所述负向比较器电路包括依次相连的第一级反向差分放大器、第二级反向电压判决单元、第三级反向差分放大器和反向两级反相器，所述第二级反向电压判决单元的VDD接0V电源电压，且VSS接-5V电源电压；所述第一级反向差分放大器的V+端接入di/dt或dv/dt信号，且该V-端接入接恒定阈值0.5V电压；当检测到的di/dt或dv/dt信号为反相方波时，反向比较器电路开始工作，第一级反向差分放大器将输入电压摆幅放大；第二级反向电压判决单元进行电压比较，当V+高于阈值电压V-时，电路输出高电平，当V+低于V-时，电路输出低电平；第三级反向差分放大器进一步扩大电压摆幅至-5-0V方波信号，反向两级反相器输出电平反相。

其中，所述di/dt检测电路为寄生电感线，且该寄生电感线连接至IGBT的发射极；所述dv/dt检测电路为差分电容，且该差分电容连接至IGBT的集电极。

为实现上述目的，本发明还提供一种IGBT闭环主动驱动电路的驱动方法，在正向开启部分，电平位移电路将PWM信号整体下降5V后输出到第一逻辑控制电路和第二逻辑控制电路的输入端，第一逻辑控制电路根据5位第一控制信号输出30路SEL信号控制第一电流驱动中的30个驱动单元的工作状况，第一电流驱动电路的输出端接到IGBT的门极；

第一比较器电路将检测到的di/dt信号与第一参考电压进行比较，dv/dt信号与第二参考电压进行比较，若di/dt信号超过了第一参考电压且dv/dt信号超过了第二参考电压，则第一比较器电路和第二比较器电路输出的控制信号通过对应的延时电路后控制第二逻辑控制电路开始工作；

第二逻辑控制电路根据5位第二控制信号来输出30路SEL信号控制第二电流驱动电路中的30个驱动单元的工作状况，第二电流驱动电路的输出端接到IGBT的门极；

所述第一电流驱动电路和第二电流驱动电路在IGBT导通或者关断的瞬间为其提供大小可控的驱动电流；

正向开启部分和反向关断部分的工作原理一致，正向开启部分为IGBT提供正向开启瞬态驱动电流，反向关断部分为IGBT提供反向关断瞬态驱动电流。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明提供的IGBT闭环主动驱动电路及其驱动方法，由电平位移电路、第一逻辑控制电路、第二逻辑控制电路、第一电流驱动电路、第二电流驱动电路、第一比较器电路、第二比较器电路、第一延时电路和第二延时电路共同构成闭环反馈通路，且正向开启模块和反向关断模块的工作原理一致，正向开启模块为IGBT提供正向开启瞬态驱动电流，反向关断模块为IGBT提供反向关断瞬态驱动电流；本发明采用电流源模式，直接控制驱动电流，通过加快开关速度来减少开关损耗。通过采样dv/dt, di/dt 信号，在IGBT开关动态过程中，实现对门极驱动电流的实时闭环控制，与传统开环模式的IGBT驱动电路相比，在加快开关速度同时不增加电压的超调量。本发明能精确有效地控制驱动电路输出电压、电流的大小，避免IGBT开关管因功率过大而损坏，且对芯片在开关过程中的实际状态进行实时检测，信号延迟小，确保芯片可在较高的工作频率下正常工作。

附图说明

图1为本发明的IGBT闭环主动驱动电路的原理框图；

图2为本发明向开启模块中第一电平位移电路原理图；

图3为本发明向开启模块中第一逻辑控制电路的原理图；

图4为本发明正向开启模块中第一电流驱动电路的原理图；

图5为本发明反向关断模块中第三电流驱动电路的原理图；

图6为本发明正向开启模块中第一比较器电路的正向比较器电路原理图；

图7为本发明正向开启模块中第一比较器电路的反向比较器电路原理图。

主要元件符号说明如下：

1、正向开启模块

10、第一电平位移电路 11、第一逻辑控制电路

12、第二逻辑控制电路 13、第一电流驱动电路

14、第二电流驱动电路 15、第一比较器电路

16、第二比较器电路 17、第一延时电路

18、第二延时电路

2、反向关断模块

20、第二电平位移电路 21、第三逻辑控制电路

22、第四逻辑控制电路 23、第三电流驱动电路

24、第四电流驱动电路 25、第三比较器电路

26、第四比较器电路 27、第三延时电路

28、第四延时电路

161、正向比较器电路 162、负向比较器电路

1611、第一级正向差分放大器

1612、第二级正向电压判决单元

1613、第三级正向差分放大器

1614、正向反相器

1621、第一级反向差分放大器

1622、第二级反向电压判决单元

1623、第三级反向差分放大器

1624、反向两级反相器。

具体实施方式

为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。

本发明的IGBT闭环主动驱动电路，包括正向开启模块和反向关断模块，正向开启模块和反向关断模块均包括共同构成闭环反馈通路的电平位移电路、第一逻辑控制电路、第二逻辑控制电路、第一电流驱动电路、第二电流驱动电路、第一比较器电路、第二比较器电路、第一延时电路和第二延时电路；电平位移电路分别与第一逻辑控制电路和第二逻辑控制电路的输入端电连接，第一比较器电路通过第一延时电路与第二逻辑控制电路的输入端电连接，第二比较器电路通过第二延时电路与第二逻辑控制电路的输入端电连接，第一逻辑控制电路的输出端与第一电流驱动电路的输入端连接，第二逻辑控制电路的输出端与第二电流驱动电路的输入端电连接；且第一电流驱动电路和第二电流驱动电路的输出端均连接至IGBT的门极；该正向开启模块和反向关断模块均还包括用于检测IGBT开关过程中的di/dt信号的di/dt检测电路和用于检测IGBT开关过程中的dv/dt信号的dv/dt检测电路；di/dt检测电路连接至IGBT的发射极，dv/dt检测电路连接至IGBT的集电极；

电平位移电路将PWM驱动信号整体下降5V并输出到第一逻辑控制电路和第二逻辑控制电路的输入端，第一逻辑控制电路根据输入端的第一控制信号输出多个信号驱动第一电流驱动电路的工作状态，第一电流驱动电路的输出端连接至IGBT的门极；第一比较器电路将检测到的di/dt信号与第一参考电压进行比较并输出控制信号，第一延时电路将第一比较器电路输出的控制信号进行延时并输出到第二逻辑控制电路的输入端；第二比较器电路将检测到的dv/dt信号与第二参考电压进行比较并输出控制信号，第二延时电路将第二比较器电路输出的控制信号进行延时并输出到第二逻辑控制电路的输入端后第二逻辑控制电路开始工作，第二逻辑控制电路根据输入端的第二控制信号输出多个信号驱动第二电流驱动电路的工作状态，第二电流驱动电路的输出端连接至IGBT的门极；第一电流驱动电路和第二电流驱动电路在IGBT导通或者关断的瞬间为其提供大小可控的驱动电流。正向开启模块和反向关断模块的工作原理一致，正向开启模块为IGBT提供正向开启瞬态驱动电流，反向关断模块为IGBT提供反向关断瞬态驱动电流。

相较于现有技术的情况，本发明提供的IGBT闭环主动驱动电路，由电平位移电路、第一逻辑控制电路、第二逻辑控制电路、第一电流驱动电路、第二电流驱动电路、第一比较器电路、第二比较器电路、第一延时电路和第二延时电路共同构成闭环反馈通路，且正向开启模块和反向关断模块的结构工作原理一致，正向开启模块为IGBT提供正向开启瞬态驱动电流，反向关断模块为IGBT提供反向关断瞬态驱动电流；本发明采用电流源模式，直接控制驱动电流，通过加快开关速度来减少开关损耗。通过采样dv/dt, di/dt 信号，在IGBT开关动态过程中，实现对门极驱动电流的实时闭环控制，与传统开环模式的IGBT驱动电路相比，在加快开关速度同时不增加电压的超调量。本发明能精确有效地控制驱动电路输出电压、电流的大小，避免IGBT开关管因功率过大而损坏，且对芯片在开关过程中的实际状态进行实时检测，信号延迟小，确保芯片可在较高的工作频率下正常工作。

为了使本发明的描述更具体，请参阅图1，详细提供了正向开启模块1和反向关断模块2的具体工作原理，正向开启模块1包括由第一电平位移电路10、第一逻辑控制电路11、第二逻辑控制电路12、第一电流驱动电路13、第二电流驱动电路14、第一比较器电路15、第二比较器电路16、第一延时电路17和第二延时电路18共同构成闭环反馈通路；反向关断模块2包括由第二电平位移电路20、第三逻辑控制电路21、第四逻辑控制电路22、第三电流驱动电路23、第四电流驱动电路24、第三比较器电路25、第四比较器电路26、第四延时电路27和第三延时电路28共同构成闭环反馈通路。正向开启模块1和反向关断模块2的工作原理已经在上述描述过了，不一一进行描述。

请进一步参阅图2，本发明中第一电平位移电路和第二电平位移电路的结构是完全一样的，以下以正向开启模块1中的第一电平位移电路具体结构进行描述，第一电平位移电路包括并联的第一电平P沟道MOS管aP1及第一电平N沟道MOS管aN1、两者之间通过第二齐纳二极管D2串联的第二电平P沟道MOS管aP2及第二电平N沟道MOS管aN2、两者之间通过第一齐纳二极管D1串联的第三电平P沟道MOS管aP3及第三电平N沟道MOS管aN3、串联的第四电平P沟道MOS管aP4及第四电平N沟道MOS管aN4和串联的第五电平P沟道MOS管aP5及第五电平N沟道MOS管aN5，第一电平P沟道MOS管aP1与第一电平N沟道MOS管aN1构成电平反相器并输出与PWM信号反向的第一方波电压信号PWM1，且第一电平P沟道MOS管与第一电平N沟道MOS管的基极公共端连接至第三电平P沟道MOS管的基极，第一电平P沟道MOS管与第一电平N沟道MOS管的集电极公共端连接至第二电平P沟道MOS管的基极。其中VDD1接5V电压源，VSS接-5V电压源，当PWM=0时，PWM1=5V，第三电平P沟道MOS管aP3导通，第二电平P沟道MOS管aP2截止，第一齐纳二极管D1与第二齐纳二极管D2均是反向饱和电压等于5.7V，故OU2=5V-5.7V=-0.7V，第二电平N沟道MOS管aN2导通，OU1=-5V, 第三电平N沟道MOS管aN3截止，第四电平N沟道MOS管aN4截止，第五电平N沟道MOS管aN5导通，第四电平P沟道MOS管aP4导通，第五电平P沟道MOS管aP5截止，OUT=0；当PWM=5V时，PWM1=0，第二电平P沟道MOS管aP2导通，第三电平P沟道MOS管aP3截止， OU1=5V-5.7V=-0.7V，第三电平N沟道MOS管aN3导通，OU2=-5V,N2管截止，第五电平N沟道MOS管aN5截止，第四电平N沟道MOS管aN4导通，第五电平P沟道MOS管aP5导通，第四电平P沟道MOS管aP4截止，OUT=-5V。所以，OUT处输出与PWM反向的-5V-0的方波电压。图中使用齐纳二极管是为了钳制住MOS管漏极的电压使其漏源电压的大小在普通MOS管的承受范围内。因此，图2中的所有MOS管均为普通MOS管，这样的好处在于减少电路的延迟时间的同时，也减少了版图的面积。本案中电平位移电路将输入的0-5V PWM方波电压信号整体下降5V输出-5V-0的方波电压信号，并采用齐纳二极管钳制MOS管的漏极电位从而减少了漏源电压的摆幅且使电路延时减少。

请进一步参阅图3，本发明中正向开启模块1和反向关断模块2中逻辑控制电路的结构都是一样的，为了描述方便，以下以正向开启模块1中第一逻辑控制电路和第二天控制电路为准进行描述，第一逻辑控制电路的输入端上均设有PWM信号端、di/dt信号端、dv/dt信号端和五个选择信号端，且其的输出端上均设有多个SEL信号端，第一控制信号接入第一逻辑控制电路的五个选择信号端，第二控制信号接入第二逻辑控制电路的五个选择信号端，电平位移电路分别接入第一逻辑控制电路和第二逻辑控制电路的PWM信号端，第一延时电路接入第二逻辑控制电路的di/dt信号端，第二延时电路接入第二逻辑控制电路的dv/dt信号端；第一电路驱动电路和第二电流驱动电路上均设有多个驱动单元，第一逻辑控制电路上每个SEL信号端接入第一电路驱动电路内对应的驱动单元，第二逻辑控制电路上每个SEL信号端接入第二电路驱动电路内对应的驱动单元。输入端PWM输入-5V-0的方波电压信号，在反馈通路中存在di/dt和dv/dt信号，当且仅当di/dt和dv/dt均为0时，逻辑控制电路才开始工作。C1-C5为五位选择信号，C1为最低有效位，C5为最高有效位。C1-C5的高电平为0，代表逻辑1；低电平为-5V，代表逻辑0。SEL1-SEL30为逻辑控制电路的输出信号，分别对电流驱动电路中的30个驱动单元进行控制。当C1-C5五位选择信号表示数值n时，SEL1-SELn输出-5V-0的方波电压信号控制前n个电流驱动单元工作，SELn+1-SEL30输出高电平或低电平控制后面的电流驱动单元的输出级截止。在正向开启部分，逻辑控制电路输出高电平0使电流驱动单元的输出级PMOS截止；在反向关断部分，逻辑控制电路输出低电平-5V使电流驱动单元的输出端MOS截止。本案中逻辑控制电路可根据输入的5位选择信号控制30个驱动单元， IGBT闭环主动驱动电路能够提供的最大正向开启瞬态电流和最大反向关断瞬态电流均为3A。

请进一步参阅图4，正向开启模块1中第一电流驱动电路和第二电流驱动电路均包括并联的第一电流P沟道MOS管bP1及第一电流N沟道MOS管bN1、串联的第二电流P沟道MOS管bP2及第二电流N沟道MOS管bN2、串联的第三电流P沟道MOS管bP3及第三电流N沟道MOS管bN3和第四电流P沟道MOS管bP4；第一电流P沟道MOS管与第一电流N沟道MOS管之间构成电流反相器并输出与第二方波电压信号反向的第三方波电压信号；且第一电流P沟道MOS管与第一电流N沟道MOS管的基极公共端连接至第三电流N沟道MOS管的基极，第一电流P沟道MOS管与第一电流N沟道MOS管的集电极公共端连接至第二电流N沟道MOS管的基极，第四电流P沟道MOS管连接至第二电流N沟道MOS管与第二电流P沟道MOS管的集电极公共端。在正向开启模块中的驱动电流电路中，第一电流P沟道MOS管bP1和第一电流N沟道MOS管bN1构成电流反相器，输出与PWM2反向的方波电压信号PWM3。当PWM2=0时，PWM3=-5V，第三电流N沟道MOS管bN3导通，第二电流N沟道MOS管bN2截止，第二电流P沟道MOS管bP2导通，OUT1=15V，第三电流P沟道MOS管bP3截止；当PWM2=-5V时，PWM3=0，第二电流N沟道MOS管bN2导通，第三电流N沟道MOS管bN3截止，第三电流P沟道MOS管bP3导通，第二电流P沟道MOS管bP2截止，OUT1=-5V。因此，当PWM2处输入-5V~0的方波电压时，OUT1处输出与之同向的-5V~15V的方波电压，使第四电流P沟道MOS管bP4正常工作；当PWM2处输入高电平0时，OUT1处输出15V的高电平使第四电流P沟道MOS管bP4截止。正向开启模块中的驱动电流电路为IGBT提供峰值为100mA的正向开启驱动电流。

请进一步参阅图5，反向关断模块2中第一电流驱动电路和第二电流驱动电路均包括并联的第五电流P沟道MOS管bP5及第五电流N沟道MOS管bN5、串联的第六电流P沟道MOS管bP6及第六电流N沟道MOS管bN6、串联的第七电流P沟道MOS管bP7及第七电流N沟道MOS管bN7和第八电流N沟道MOS管bN8；第五电流P沟道MOS管与第五电流N沟道MOS管之间构成反相器并输出与第二方波电压信号反向的第四方波电压信号；且第五电流P沟道MOS管与第五电流N沟道MOS管的基极公共端连接至第七电流N沟道MOS管的基极，第五电流P沟道MOS管与第五电流N沟道MOS管的集电极公共端连接至第六电流N沟道MOS管的基极，第八电流N沟道MOS管连接至第六电流N沟道MOS管与第六电流P沟道MOS管的集电极公共端。该描述中的第一电流驱动电路和第二电流驱动电路即为图1中的第三电流驱动电路和第四电流驱动电路。

在反向关断模块的驱动电流电路中，第五电流P沟道MOS管bP5及第五电流N沟道MOS管bN5构成反相器，输出与第二方波电压信号PWM2反向的第四方波电压信号PWM4。当PWM2=0时，PWM4=-5V，第七电流N沟道MOS管bN7导通，第六电流N沟道MOS管bN6截止，第六电流N沟道MOS管bN6导通，OUT2=15V，第七电流P沟道MOS管bP7截止；当PWM2=-5V时，PWM4=0，第六电流N沟道MOS管bN6导通，第七电流N沟道MOS管bN7截止，第七电流P沟道MOS管bP7导通，第六电流P沟道MOS管bP6截止，OUT2=-5V。因此，当PWM2处输入-5V-0的方波电压时，OUT2处输出与之同向的-5V~15V的方波电压，使第八电流N沟道MOS管bN8正常工作；当PWM2处输入低电平-5V时，OUT2处输出-5V的低电平使第八电流N沟道MOS管bN8截止，反向关断模块中驱动电流电路为IGBT提供峰值为100mA的反向关断驱动电流。本案中通过调节第四电流P沟道MOS管bP4的宽长比，使单个驱动单元的输出瞬态正向开启电流达到100mA，30个正向开启的驱动单元所能提供给IGBT的最大正向开启驱动电流为3A。通过调节第七电流N沟道MOS管bN7的宽长比，使单个驱动单元的输出瞬态反向关断电流达到100mA，30个反向关断的单个驱动单元电流单元所能提供给IGBT的最大反向关断驱动电流为3A，若干个正向开启的驱动单元和若干个反向关断的驱动单元的输出级连接到一起为IGBT门极提供与PWM控制信号同周期的-5V-15V方波驱动电压。

本案中正向开启模块1和反向关断模块2中比较器电路的结构和原理是一样的，为了方便，本案中仅给出了正向开启模块1中第一比较器电路的工作原理图。请进一步参阅图6，第一比较器电路16包括正向比较器电路161和负向比较器电路162，正向比较器电路161包括依次相连的第一级正向差分放大器1611、第二级正向电压判决单元1612、第三级正向差分放大器1613和正向反相器1614，第二级正向电压判决单元的VDD接5V电源电压，且GND接地；第一级正向差分放大器的V+端接入di/dt或dv/dt信号，且该V-端接入接恒定阈值0.5V电压；当检测到的di/dt或dv/dt信号为正相方波时，正向比较器电路开始工作，第一级正向差分放大器将输入电压摆幅放大；第二级正向电压判决单元进行电压比较，当V+高于阈值电压V-时，电路输出高电平，当V+低于V-时，电路输出低电平；第三级正向差分放大器进一步扩大电压摆幅至0-5V方波信号，正向反相器作为缓冲级。

请进一步参阅图7，负向比较器电路162包括依次相连的第一级反向差分放大器1621、第二级反向电压判决单元1622、第三级反向差分放大器1623和反向两级反相器1624，第二级反向电压判决单元的VDD接0V电源电压，且VSS接-5V电源电压；第一级反向差分放大器的V+端接入di/dt或dv/dt信号，且该V-端接入接恒定阈值0.5V电压；当检测到的di/dt或dv/dt信号为反相方波时，反向比较器电路开始工作，第一级反向差分放大器将输入电压摆幅放大；第二级反向电压判决单元进行电压比较，当V+高于阈值电压V-时，电路输出高电平，当V+低于V-时，电路输出低电平；第三级反向差分放大器进一步扩大电压摆幅至-5-0V方波信号，反向两级反相器输出电平反相。

本案通过比较器电路将di/dt，dv/dt信号限制在一个较小的电压范围内，超出此范围则输出控制信号使反馈环路工作。延时电路通过外部控制电流来实现延迟时间的控制，外部电流越大，延迟时间越短，同时所述延时电路也提供一种零延时的传输门通路。

在本实施例中，di/dt检测电路为寄生电感线L，且该寄生电感线L连接至IGBT的发射极；dv/dt检测电路为差分电容C，且该差分电容C连接至IGBT的集电极。di/dt检测电路是通过测量e2和E2之间器件的寄生电感电流变化感应的电压来实现的；dv/dt检测电路是通过一个差分电容检测实现的。

为实现上述目的，本发明还提供一种IGBT闭环主动驱动电路的驱动方法，在正向开启部分，电平位移电路将PWM信号整体下降5V后输出到第一逻辑控制电路和第二逻辑控制电路的输入端，第一逻辑控制电路根据5位第一控制信号输出30路SEL信号控制第一电流驱动中的30个驱动单元的工作状况，第一电流驱动电路的输出端接到IGBT的门极；

第一比较器电路将检测到的di/dt信号与第一参考电压进行比较，dv/dt信号与第二参考电压进行比较，若di/dt信号超过了第一参考电压且dv/dt信号超过了第二参考电压，则第一比较器电路和第二比较器电路输出的控制信号通过对应的延时电路后控制第二逻辑控制电路开始工作；

第二逻辑控制电路根据5位第二控制信号来输出30路SEL信号控制第二电流驱动电路中的30个驱动单元的工作状况，第二电流驱动电路的输出端接到IGBT的门极；

第一电流驱动电路和第二电流驱动电路在IGBT导通或者关断的瞬间为其提供大小可控的驱动电流；

正向开启部分和反向关断部分的工作原理一致，正向开启部分为IGBT提供正向开启瞬态驱动电流，反向关断部分为IGBT提供反向关断瞬态驱动电流。

相较于现有技术，本发明提供的IGBT闭环主动驱动电路的驱动方法，正向开启模块和反向关断模块的结构工作原理一致，正向开启部分为IGBT提供正向开启瞬态驱动电流，反向关断部分为IGBT提供反向关断瞬态驱动电流；本发明采用电流源模式，直接控制驱动电流，通过加快开关速度来减少开关损耗。通过采样dv/dt, di/dt 信号，在IGBT开关动态过程中，实现对门极驱动电流的实时闭环控制，与传统开环模式的IGBT驱动电路相比，在加快开关速度同时不增加电压的超调量。本发明能精确有效地控制驱动电路输出电压、电流的大小，避免IGBT开关管因功率过大而损坏，且对芯片在开关过程中的实际状态进行实时检测，信号延迟小，确保芯片可在较高的工作频率下正常工作。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种IGBT闭环主动驱动电路，其特征在于，包括正向开启模块和反向关断模块，所述正向开启模块和反向关断模块均包括共同构成闭环反馈通路的电平位移电路、第一逻辑控制电路、第二逻辑控制电路、第一电流驱动电路、第二电流驱动电路、第一比较器电路、第二比较器电路、第一延时电路和第二延时电路；所述电平位移电路分别与第一逻辑控制电路和第二逻辑控制电路的输入端电连接，所述第一比较器电路通过第一延时电路与第二逻辑控制电路的输入端电连接，所述第二比较器电路通过第二延时电路与第二逻辑控制电路的输入端电连接，所述第一逻辑控制电路的输出端与第一电流驱动电路的输入端连接，所述第二逻辑控制电路的输出端与第二电流驱动电路的输入端电连接；且所述第一电流驱动电路和第二电流驱动电路的输出端均连接至IGBT的门极；该正向开启模块和反向关断模块均还包括用于检测IGBT开关过程中的di/dt信号的di/dt检测电路和用于检测IGBT开关过程中的dv/dt信号的dv/dt检测电路；所述di/dt检测电路连接至IGBT的发射极，所述dv/dt检测电路连接至IGBT的集电极；

所述电平位移电路将PWM驱动信号整体下降5V并输出到第一逻辑控制电路和第二逻辑控制电路的输入端，所述第一逻辑控制电路根据输入端的第一控制信号输出多个信号驱动第一电流驱动电路的工作状态，第一电流驱动电路的输出端连接至IGBT的门极；所述第一比较器电路将检测到的di/dt信号与第一参考电压进行比较并输出控制信号，所述第一延时电路将第一比较器电路输出的控制信号进行延时并输出到第二逻辑控制电路的输入端；所述第二比较器电路将检测到的dv/dt信号与第二参考电压进行比较并输出控制信号，所述第二延时电路将第二比较器电路输出的控制信号进行延时并输出到第二逻辑控制电路的输入端后第二逻辑控制电路开始工作，第二逻辑控制电路根据输入端的第二控制信号输出多个信号驱动第二电流驱动电路的工作状态，第二电流驱动电路的输出端连接至IGBT的门极；所述第一电流驱动电路和第二电流驱动电路在IGBT导通或者关断的瞬间为其提供大小可控的驱动电流；

所述第一逻辑控制电路和第二逻辑控制电路的输入端上均设有PWM信号端、di/dt信号端、dv/dt信号端和五个选择信号端，且其的输出端上均设有多个SEL信号端，所述第一控制信号接入第一逻辑控制电路的五个选择信号端，所述第二控制信号接入第二逻辑控制电路的五个选择信号端，所述电平位移电路分别接入第一逻辑控制电路和第二逻辑控制电路的PWM信号端，所述第一延时电路接入第二逻辑控制电路的di/dt信号端，所述第二延时电路接入第二逻辑控制电路的dv/dt信号端；所述第一电路驱动电路和第二电流驱动电路上均设有多个驱动单元，第一逻辑控制电路上每个SEL信号端接入第一电路驱动电路内对应的驱动单元，所述第二逻辑控制电路上每个SEL信号端接入第二电路驱动电路内对应的驱动单元。

2.根据权利要求1所述的IGBT闭环主动驱动电路，其特征在于，所述正向开启模块和反向关断模块的工作原理一致，所述正向开启模块为IGBT提供正向开启瞬态驱动电流，所述反向关断模块为IGBT提供反向关断瞬态驱动电流。

3.根据权利要求1所述的IGBT闭环主动驱动电路，其特征在于，所述电平位移电路包括并联的第一电平P沟道MOS管及第一电平N沟道MOS管、通过第二齐纳二极管串联的第二电平P沟道MOS管及第二电平N沟道MOS管、通过第一齐纳二极管串联的第三电平P沟道MOS管及第三电平N沟道MOS管、串联的第四电平P沟道MOS管及第四电平N沟道MOS管、串联的第五电平P沟道MOS管及第五电平N沟道MOS管，其中第一电平P沟道MOS管的源极、第二电平P沟道MOS管的源极和第三电平P沟道MOS管的源极公共端连接VDD端，第一电平N沟道MOS管源极接地，第二电平N沟道MOS管、第三电平N沟道MOS管、第四电平N沟道MOS管、第五电平N沟道MOS管的源极公共端连接VSS端，第一电平P沟道MOS管和第一电平N沟道MOS管的漏极公共端与第二电平P沟道MOS管的栅极连接，第一电平P沟道MOS管和第一电平N沟道MOS管的栅极公共端与第三电平P沟道MOS管的栅极连接，第二电平P沟道MOS管的漏极、第二电平N沟道MOS管的漏极、第三电平N沟道MOS管的栅极公共端与第四电平N沟道MOS管的栅极连接，第三电平P沟道MOS管的漏极、第三电平N沟道MOS管的漏极、第二电平N沟道MOS管的栅极公共端与第五电平N沟道MOS管的栅极连接，第四电平N沟道MOS管和第四电平P沟道MOS管的漏极公共端与第五电平P沟道MOS管的栅极连接，第五电平N沟道MOS管和第五电平P沟道MOS管的漏极公共端与第四电平P沟道MOS管的栅极连接；所述第一电平P沟道MOS管与第一电平N沟道MOS管构成电平反相器并输出与PWM信号反向的第一方波电压信号。

4.根据权利要求1所述的IGBT闭环主动驱动电路，其特征在于，所述正向开启模块中第一电流驱动电路和第二电流驱动电路均包括并联的第一电流P沟道MOS管及第一电流N沟道MOS管、串联的第二电流P沟道MOS管及第二电流N沟道MOS管、串联的第三电流P沟道MOS管及第三电流N沟道MOS管和第四电流P沟道MOS管，其中第一电流P沟道MOS管的源极接地，第一电流N沟道MOS管、第二电流N沟道MOS管及第三电流N沟道MOS管的源极公共端连接VSS端，第二电流P沟道MOS管、第三电流P沟道MOS管和第四电流P沟道MOS管的源极公共端连接VDD端，第一电流P沟道MOS管和第一电流N沟道MOS管的漏极公共端连接第二电流N沟道MOS管的栅极，第一电流P沟道MOS管和第一电流N沟道MOS管的栅极公共端连接第三电流N沟道MOS管的栅极，第三电流P沟道MOS管和第三电流N沟道MOS管的漏极公共端连接第二电流P沟道MOS管的栅极，第二电流P沟道MOS管的漏极、第二电流N沟道MOS管的漏极、第三电流P沟道MOS管的栅极的公共端连接第四电流P沟道MOS管的栅极，第四电流P沟道MOS管的漏极输出结果；所述第一电流P沟道MOS管与第一电流N沟道MOS管之间构成电流反相器并输出与第二方波电压信号反向的第三方波电压信号。

5.根据权利要求1所述的IGBT闭环主动驱动电路，其特征在于，所述反向关断模块中第一电流驱动电路和第二电流驱动电路均包括并联的第五电流P沟道MOS管及第五电流N沟道MOS管、串联的第六电流P沟道MOS管及第六电流N沟道MOS管、串联的第七电流P沟道MOS管及第七电流N沟道MOS管和第八电流N沟道MOS管，其中第五电流P沟道MOS管的源极接地，第六电流P沟道MOS管和第七电流P沟道MOS管的源极公共端连接VDD端，第五电流N沟道MOS管、第六电流N沟道MOS管、第七电流N沟道MOS管和第八电流N沟道MOS管的源极公共端连接VSS端，第五电流P沟道MOS管及第五电流N沟道MOS管的漏极公共端连接第六电流N沟道MOS管的栅极，第五电流P沟道MOS管及第五电流N沟道MOS管的栅极公共端连接第七电流N沟道MOS管的栅极，第七电流P沟道MOS管及第七电流N沟道MOS管的漏极公共端连接第六电流P沟道MOS管的栅极，第六电流P沟道MOS管的漏极、第六电流N沟道MOS管的漏极和第七电流P沟道MOS管的栅极公共端连接第八电流N沟道MOS管的栅极，第八电流N沟道MOS管的漏极输出；所述第五电流P沟道MOS管与第五电流N沟道MOS管之间构成反相器并输出与第二方波电压信号反向的第四方波电压信号。

6.根据权利要求1所述的IGBT闭环主动驱动电路，其特征在于，所述第一比较器电路和第二比较器电路均包括正向比较器电路和负向比较器电路，所述正向比较器电路包括依次相连的第一级正向差分放大器、第二级正向电压判决单元、第三级正向差分放大器和正向反相器，所述第二级正向电压判决单元的VDD接5V电源电压，且GND接地；所述第一级正向差分放大器的V+端接入di/dt或dv/dt信号，且该第一级正向差分放大器的V-端接入接恒定阈值0.5V电压；当检测到的di/dt或dv/dt信号为正相方波时，正向比较器电路开始工作，第一级正向差分放大器将输入电压摆幅放大；第二级正向电压判决单元进行电压比较，当V+高于阈值电压V-时，电路输出高电平，当V+低于V-时，电路输出低电平；第三级正向差分放大器进一步扩大电压摆幅至0-5V方波信号，正向反相器作为缓冲级。

7.根据权利要求6所述的IGBT闭环主动驱动电路，其特征在于，所述负向比较器电路包括依次相连的第一级反向差分放大器、第二级反向电压判决单元、第三级反向差分放大器和反向两级反相器，所述第二级反向电压判决单元的VDD接0V电源电压，且VSS接-5V电源电压；所述第一级反向差分放大器的V+端接入di/dt或dv/dt信号，且该V-端接入接恒定阈值0.5V电压；当检测到的di/dt或dv/dt信号为反相方波时，反向比较器电路开始工作，第一级反向差分放大器将输入电压摆幅放大；第二级反向电压判决单元进行电压比较，当V+高于阈值电压V-时，电路输出高电平，当V+低于V-时，电路输出低电平；第三级反向差分放大器进一步扩大电压摆幅至-5-0V方波信号，反向两级反相器输出电平反相。

8.根据权利要求1所述的IGBT闭环主动驱动电路，其特征在于，所述di/dt检测电路为寄生电感线，且该寄生电感线连接至IGBT的发射极；所述dv/dt检测电路为差分电容，且该差分电容连接至IGBT的集电极。

9.根据权利要求1所述的一种IGBT闭环主动驱动电路的驱动方法，其特征在于，在正向开启部分，电平位移电路将PWM信号整体下降5V后输出到第一逻辑控制电路和第二逻辑控制电路的输入端，第一逻辑控制电路根据5位第一控制信号输出30路SEL信号控制第一电流驱动中的30个驱动单元的工作状况，第一电流驱动电路的输出端接到IGBT的门极；

第一比较器电路将检测到的di/dt信号与第一参考电压进行比较，dv/dt信号与第二参考电压进行比较，若di/dt信号超过了第一参考电压且dv/dt信号超过了第二参考电压，则第一比较器电路和第二比较器电路输出的控制信号通过对应的延时电路后控制第二逻辑控制电路开始工作；

第二逻辑控制电路根据5位第二控制信号来输出30路SEL信号控制第二电流驱动电路中的30个驱动单元的工作状况，第二电流驱动电路的输出端接到IGBT的门极；

所述第一电流驱动电路和第二电流驱动电路在IGBT导通或者关断的瞬间为其提供大小可控的驱动电流；

正向开启部分和反向关断部分的工作原理一致，正向开启部分为IGBT提供正向开启瞬态驱动电流，反向关断部分为IGBT提供反向关断瞬态驱动电流。