CN106301265B - 一种igbt输出级的大功率运算放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用IGBT作为输出级的大功率运放，包括差分放大器和IGBT放大器；差分放大器包括晶体管T1、T2及恒流源I；IGBT放大器包括IGBT；晶体管T1、T2发射极相连接后，再通过中间节点连接恒流源I，恒流源I连接至‑V；晶体管T1集电极连接有输出负载R3，该输出负载再与T2集电极一起接入+V；晶体管T1基极通过电阻R2连接至参考脉冲V正极；晶体管T2基极通过电阻R1连接至参考脉冲V负极；IGBT门极连接至晶体管T1集电极与输出负载R3之间节点，发射极连接至地线GND，集电极连接至负载端Load；IGBT集电极与晶体管T2基极之间连接有反馈电阻Rf。本发明的运算放大器只有两级放大，有利于快速性和相位补偿；本发明实现了IGBT的输出对输入的上升或下降参考曲线的精确跟踪。

Description

一种IGBT输出级的大功率运算放大器
技术领域
本发明属于电力电子领域，具体涉及一种用IGBT作为输出级的大功率运算放大器。
背景技术
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。广泛应用于变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等大功率电力电子领域。
一般IGBT作为高电压大电流的快速电子开关使用。但对于大规模IGBT的集群应用，通过大量的IGBT串并联，实现超大的电力容量。为了协调集群中各IGBT的动作，需要精确控制IGBT的开通和关闭曲线。也就是说IGBT在开通和关断期间处于线性工作状态。
图1是一种实现对IGBT开关曲线进行精确控制的原理示意图。U1A是运算放大器，运算放大器的输出控制IGBT的门极，IGBT的集电极的输出电压通过反馈电阻Rf和R1分压反馈到运算放大器的正输入端，由于IGBT的反相特性，实际形成负反馈。运算放大器的负输入端接参考信号源Vref。如果运算放大器和IGBT都是理想的放大元件，增益分别为A1和A2，那么IGBT的集电极的输出电压Vce可以表达为：
Vce＝Vref×(1+Rf/R1)×(A1A2/(1+A1A2))(1)
如果A1A2远大于1，Vce就可以以(1+Rf/R1)比例精确追随参考曲线Vref。
但是运算放大器并不是理想放大元件。当频率升高时，增益开始下降，同时发生相位移动。这是由于运算放大器中的结点有寄生电容，当频率低时寄生电容不明显。当频率升高时寄生电容和结点输出电阻就构成RC滤波器，造成输出幅度下降，相位移动，这就称为运算放大器的极点。运算放大器一般具有2个以上极点，而每个极点最大能产生90°的相位移动。每个极点贡献－20dB/dec的幅度变化。图2是一种集成运算放大器的开环增益特性的举例，为了闭环稳定，集成运算放大器内部做了一些补偿，此运算放大器在输入信号频率5MHz时的开环增益降为1，相位余量60°，也即是产生了120°的相位移动。
图1的原理图中，IGBT本身又是一级放大器，也会贡献一个极点，又产生90°的相位移动。这样图1原理图的开环增益为1时，相位移动会超过180°，引起闭环系统不稳定。图1的原理图实际不能正常工作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使用IGBT作为输出级的运算放大器，能够精确控制IGBT的开通和关闭曲线。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种IGBT输出级的大功率运算放大器，该运算放大器包括差分放大器和IGBT放大器；所述差分放大器包括晶体管T1、T2及恒流源I；所述IGBT放大器包括IGBT；所述晶体管T1、T2发射极相连接后，再通过中间节点连接恒流源I，恒流源I连接至-V；所述晶体管T1集电极连接有输出负载R3，该输出负载再与T2集电极一起接入+V；所述晶体管T1基极通过电阻R2连接至参考脉冲V正极；所述晶体管T2基极通过电阻R1连接至参考脉冲V负极；所述IGBT门极连接至晶体管T1集电极与输出负载R3之间节点，发射极连接至地线GND，集电极连接至负载端Load；所述IGBT集电极与晶体管T2基极之间连接有反馈电阻Rf，用于反馈。
所述晶体管T1、T2为双极型NPN晶体管，或PNP型晶体管，或场效应管FET，或场效应管MOS。
所述输出负载R3可以为电阻或恒流源或镜像恒流源。
所述晶体管T1为运算放大器的正输入端，所述晶体管T2为运算放大器的负输入端。
所述差分放大器和IGBT放大器分别提供一个极点，每个极点最大产生90°的相位移动。
所述晶体管T1的输入电压增加时，晶体管T1的电流增加，电阻R3的压降增加，作用在IGBT的门极电压下降，IGBT趋向截止，IGBT集电极电压上升，集电极电压经过反馈电阻Rf和R1分压后从晶体管T2输入，集电极电压成比例跟随T1基极电压。
所述晶体管T1的输入电压降低时，晶体管T1的电流减少，电阻R3的压降减少，作用在IGBT的门极电压上升，IGBT趋向导通，IGBT的集电极电压下降，集电极电压经过反馈电阻Rf和R1分压后从晶体管T2输入，集电极电压成比例跟随T1基极电压。
本发明的有益效果：本发明整体包含了输出级IGBT的运算放大器，只有两级放大，一级放大器提供一个极点，每个极点产生最大90°的相位移动，总共只有180°相位移动，有利于快速性和相位补偿；
本发明在输入电压增加或降低时，利用晶体管T1、负载R3、IGBT、负载端Load等一系列作用，使晶体管T2的输入电压会近似等于晶体管T1的输入电压，实现了IGBT的输出对输入的上升或下降参考曲线的成比例精确跟踪。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是一种实现对IGBT开关曲线进行精确控制的原理示意图；
图2是一种集成运算放大器的开环增益特性示意图；
图3是一种IGBT输出级的大功率运算放大器简化原理示意图。
具体实施方式
下面将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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种使用IGBT作为输出级的运算放大器，能够精确控制IGBT的开通和关闭曲线，参见图3；
晶体管T1、T2及其恒流源I组成运算放大器的输入差分放大器。图3中使用的是双极型NPN晶体管，不失一般性，也可以使用PNP型晶体管，也可以使用场效应管FET和MOS，都属于本专利保护范围。
R3代表差分放大器的输出负载，可以是电阻，也可以是恒流源或者镜像恒流源，都属于本专利保护范围。
IGBT作为运算放大器的输出级。由于IGBT的输入电容很大，需要大电流的驱动装置加快IGBT的动作。图3中省略了大电流驱动电路，使用各种类型的驱动也都属于专利保护范围。
为了给IGBT提供合理的正负驱动电压，差分放大器的输出需要有电平移动装置，在图中被省略了。
为了使差分放大器正常工作，需要给晶体管T1和晶体管T2提供合适的直流偏置，直流偏置电路在图中被省略了。
运算放大器的相位补偿电路也被省略了。
晶体管T1是运算放大器的正输入端，晶体管T2是运算放大器的负输入端。
电阻R1，R2，Rf是运算放大器外围元件，可以像一般运算放大器一样根据需要灵活配置。比如Rf/R1决定了运算放大器的闭环增益，参考公式(1)。外围电路的变化都属于本专利的保护范围。
本电路的优势在于，整个包含输出级IGBT的运算放大器，只有两级放大(差分放大和IGBT本身的放大)，一级放大器提供一个极点，每个极点产生最大90°的相位移动，总共只有180°相位移动。放大器的级数少有利于快速性和相位补偿。凡是这种两级放大结构，都属于本专利保护范围。
工作过程：
V代表具有特定上升和下降曲线的参考脉冲。当T1的输入电压增加时，T1的电流增加，R3的压降增加，作用在IGBT的门极电压下降，IGBT趋向截止，IGBT的集电极电压上升。集电极电压经过反馈电阻Rf和R1分压后从T2输入。
由于运算放大器的开环增益很大，为差分放大器的放大倍数与IGBT本身的放大倍数的乘积，T2的输入电压会近似等于T1的输入电压，于是实现了IGBT的输出对输入的上升参考曲线的成比例精确跟踪。
当T1的输入电压降低时，T1的电流减少，R3的压降减少，作用在IGBT的门极电压上升，IGBT趋向导通，IGBT的集电极电压下降，集电极电压经过反馈电阻Rf和R1分压后从T2输入。
由于运算放大器的开环增益很大，T2的输入电压会近似等于T1的输入电压，于是实现了IGBT的输出对输入的下降参考曲线的成比例精确跟踪。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.一种IGBT输出级的大功率运算放大器，其特征在于，该运算放大器包括差分放大器和IGBT放大器；所述差分放大器包括晶体管T1、T2及恒流源I；所述IGBT放大器包括IGBT；
所述晶体管T1、T2发射极相连接后，再通过中间节点连接恒流源I，恒流源I连接至-V；所述晶体管T1集电极连接有输出负载R3，该输出负载再与T2集电极一起接入+V；
所述晶体管T1基极通过电阻R2连接至参考脉冲V正极；所述晶体管T2基极通过电阻R1连接至参考脉冲V负极；
所述IGBT门极连接至晶体管T1集电极与输出负载R3之间节点，发射极连接至地线GND，集电极连接至负载端Load；
IGBT集电极与晶体管T2基极之间连接有反馈电阻Rf，作为反馈。
2.根据权利要求1所述的一种IGBT输出级的大功率运算放大器，其特征在于，所述晶体管T1、T2为双极型NPN晶体管，或PNP型晶体管，或场效应管FET，或场效应管MOS。
3.根据权利要求1所述的一种IGBT输出级的大功率运算放大器，其特征在于，所述输出负载R3为电阻或恒流源或镜像恒流源。
4.根据权利要求1所述的一种IGBT输出级的大功率运算放大器，其特征在于，所述晶体管T1为运算放大器的正输入端，所述晶体管T2为运算放大器的负输入端。
5.根据权利要求1所述的一种IGBT输出级的大功率运算放大器，其特征在于，所述差分放大器和IGBT放大器分别提供一个极点，每个极点最大产生90°的相位移动。
6.根据权利要求1所述的一种IGBT输出级的大功率运算放大器，其特征在于，所述晶体管T1的输入电压增加时，晶体管T1的电流增加，负载R3的压降增加，作用在IGBT的门极电压下降，IGBT趋向截止，IGBT的集电极电压上升，集电极电压经过反馈电阻Rf和R1分压后从晶体管T2输入，使集电极电压成比例跟随T1基极电压。
7.根据权利要求1所述的一种IGBT输出级的大功率运算放大器，其特征在于，所述晶体管T1的输入电压降低时，晶体管T1的电流减少，负载R3的压降减少，作用在IGBT的门极电压上升，IGBT趋向导通，IGBT的集电极电压下降，集电极电压经过反馈电阻Rf和R1分压后从晶体管T2输入，使集电极电压成比例跟随T1基极电压。
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