CN106656130A - 一种分段电阻型igbt驱动电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分段电阻型IGBT驱动电路，分段电阻驱动电路包括若干串联连接的分段电阻，每个分段电阻的两端均并联有旁路MOS管；各旁路MOS管及驱动推挽电路分别与驱动控制器连接；IGBT门极钳位电路包括IGBT门极稳压钳位电路及IGBT门极电源钳位电路。本发明还公开了一种分段电阻型IGBT驱动电路的控制方法，在门极驱动脉冲上升沿及下降沿通过旁路MOS管的切换来改变门极驱动电阻的大小，本发明能在确保抑制浪涌及门极震荡的同时，达到减小IGBT器件开关损耗、提高器件应用频率的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种分段电阻型IGBT驱动电路，还涉及一种分段电阻型IGBT驱动电路的控制方法，属于电力电子技术领域。
背景技术
IGBT和其它电力电子器件一样，应用的可靠性依赖于驱动电路,IGBT的高输入阻抗使其驱动较为容易,但也容易引起源极电流过大或者dv/dt过大导致擎住效应而失效。因此性能优良的驱动电路是保证IGBT高效、可靠运行的必要条件。IGBT的门极驱动电阻Rg对驱动的效果有着直接的影响，IGBT的开通和关断均依存于Rg的大小。Rg越大，其开通和关断时间就越大，开关损耗也越大，但浪涌电压变小，减少了dv/dt造成误导通的可能。同时，Rg越小，IGBT栅极驱动端的振荡就会更严重，使得驱动效率降低。
在IGBT应用中，尤其在高压IGBT应用中，开关频率低、损耗大极大的制约着它的应用。譬如在高压变频应用中，为了器件的安全，必须设计足够的空载时间，同时器件的开关时间又很长，器件应用频率很低。这主要是由IGBT开关过程中密勒平台时间及拖尾电流时间过长造成的。传统改善这一性能的做法是通过二极管旁路电阻来实现不同的开通和关断电阻，虽然能够在一定程度上获得了开关时间及浪涌抑制上的折中，但是并没有能提高器件的应用频率及降低损耗。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种分段电阻型IGBT驱动电路，解决现有技术中IGBT管开关损耗大、应用频率低的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供的分段电阻型IGBT驱动电路所采用的技术方案是：一种分段电阻型IGBT驱动电路，包括驱动推挽电路、分段电阻驱动电路和IGBT门极钳位电路；
所述分段电阻驱动电路包括若干串联连接的分段电阻，每个分段电阻的两端均并联有旁路MOS管；各旁路MOS管的门极以及所述驱动推挽电路的控制输入端分别与驱动控制器连接；所述IGBT门极钳位电路包括分别与IGBT门极连接的：IGBT门极稳压钳位电路及IGBT门极电源钳位电路；所述IGBT的门极通过串联连接的分段电阻与驱动推挽电路的To端口连接，还通过IGBT门极电源钳位电路与驱动推挽电路的VSS端口连接。
所述IGBT门极电源钳位电路包括一个肖特基二极管和两个支撑电容，肖特基二极管的阳极与IGBT门极电连接，阴极通过并联连接的两支撑电容接地；肖特基二极管的阴极同时与驱动推挽电路的VSS端连接。
所述IGBT门极稳压钳位电路包括两个稳压二极管，其中一个稳压二极管的阴极与IGBT的门极电连接，阳极与另一稳压二极管的阳极连接，另一稳压二极管的阴极接地。
所述驱动控制器选用FPGA控制器。
与现有技术相比，本发明提供的分段电阻型IGBT驱动电路所达到的有益效果是：
1、在IGBT门极接入分段电阻，分段电阻R1～Rn可以根据实际情况分段投入，可以提高器件应用频率，减小开关损耗；
2、所有控制脉冲统一由驱动控制器发出，结构简单，控制方便，编程容易；
3、采用高速MOS管作为分段电阻的旁通MOS管，同样适用于传统的IGBT驱动方式，具有通用性，易于实现。
本发明还提供一种分段电阻型IGBT驱动电路的控制方法，IGBT开通时，当IGBT进入导通过程，将大于2/3数量的分段电阻接入IGBT门极，降低IGBT门极震荡；
当IGBT进入密勒平台时间，将接入IGBT门极的分段电阻数减少至1/3数量以下，缩短密勒平台时间，加快IGBT源极s与漏极d之间电压下降，减少IGBT开通损耗；
IGBT关断时，在IGBT门极g与漏极d之间电压下降到密勒平台结束的时间内，将1/3数量以下分段电阻接入IGBT门极，加快IGBT门极抽取电荷，减少IGBT门极开关时间；
在密勒平台电压逐渐降低到阈值电压时，IGBT进入关断过程，将1/2以上数量分段电阻接入IGBT门极，降低浪涌；
当浪涌结束进入拖尾电流时间后，将1/3数量以下分段电阻接入IGBT门极，减少拖尾电流时间。
与现有技术相比，本发明提供的分段电阻型IGBT驱动电路的控制方法所达到的有益效果是：能够在确保抑制浪涌及门极震荡的同时，达到减小IGBT器件开关损耗、提高器件应用频率的目的。
附图说明
图1是本发明提供的分段电阻型IGBT驱动电路的电路图。
图2是图1中驱动推挽电路的电路图。
图3是IGBT开通和关断过程中的各极间的电压及电流波形图。
具体实施方式
本发明在传统驱动技术的基础上，提出一种分段电阻型IGBT驱动电路及控制方法，在门极驱动脉冲上升沿及下降沿对IGBT的驱动电阻进行控制，减小IGBT器件开关损耗，提高器件的应用频率。下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，IGBT为被驱动元件，G为IGBT门极，C为集电极，E为发射极。本发明提供的分段电阻型IGBT驱动电路包括驱动推挽电路、分段电阻驱动电路和IGBT门极钳位电路。
分段电阻驱动电路包括驱动电阻：R1，R2，……Rn及旁路MOS管：MOS1，MOS2，……MOSn。驱动电阻：R1，R2，……Rn顺序串联连接，MOS1并联于电阻R1两端，MOS2并联于R2两端，……MOSn并联于Rn两端。图中g1，g2，……gn对应为驱动控制器发出的MOS1，MOS2，……MOSn的驱动控制脉冲。旁路MOS管采用英飞凌IRF7862PbF型号SO-8封装的高速MOS管，用于快速切换。驱动控制器选用FPGA控制器，
如图2所示，是本发明采用的驱动推挽电路的电路图，包括To、VSS、VEE和Ti四个接线端，g0为驱动控制器发出的驱动推挽电路的驱动控制脉冲。图中三极管T1、T32采用型号为2SD2098的NPN三极管，三极管T2、T4采用型号为2SB1386的PNP三极管，电阻R11～R14为辅助驱动电阻。IGBT的门极通过串联连接的分段电阻与驱动推挽电路的To端口连接。
IGBT门极钳位电路包括：IGBT门极稳压钳位电路及IGBT门极电源钳位电路，IGBT门极电源钳位电路与驱动推挽电路的VSS端口连接。IGBT门极电源钳位电路包括一个肖特基二极管D1和两个支撑电容C1、C2。肖特基二极管D1主要将驱动过压尖峰返送回电源，支撑电容C1、C2为IGBT门极提供足够的冲击能量。肖特基二极管D1的阳极与IGBT门极电连接，阴极通过并联连接的两支撑电容C1、C2接地；肖特基二极管D1的阴极同时与驱动推挽电路的VSS端连接。IGBT门极稳压钳位电路包括两个反接的稳压二极管D2、D3，稳压二极管D2的阴极与IGBT的门极电连接，阳极与稳压二极管D3的阳极连接，稳压二极管D3的阴极接地。D1、D2、D3需要较快的反应速度，布置在距离IGBT门极较近的地方，以减小寄生电感。
本发明提供的分段电阻型IGBT驱动电路的控制方法是基于上述驱动电路实现的，具体控制方法为：
IGBT开通时，当IGBT进入导通过程，将大于2/3数量的分段电阻接入IGBT门极，降低IGBT门极震荡；
当IGBT进入密勒平台时间，将接入IGBT门极的分段电阻数减少至1/3数量以下，缩短密勒平台时间，加快IGBT源极s与漏极d之间电压下降，减少IGBT开通损耗；
IGBT关断时，在IGBT门极g与漏极d之间电压下降到密勒平台结束的时间内，将1/3数量以下分段电阻接入IGBT门极，加快IGBT门极抽取电荷，减少IGBT门极开关时间；
在密勒平台电压逐渐降低到阈值电压时，IGBT进入关断过程，将1/2以上数量分段电阻接入IGBT门极，降低浪涌；
当浪涌结束进入拖尾电流时间后，将1/3数量以下分段电阻接入IGBT门极，减少拖尾电流时间。
下面以图3的IGBT开通和关断过程来说明本发明提供的分段电阻型IGBT驱动电路的控制方法，具体如下：
开通过程中：
(1)t0～t1时刻，IGBT没有到达阈值电压，这时候Vge主要给栅极－发射极电容Cgs充电，这个过程电流很大，甚至可以达到几安培的瞬态电流，这时候的能量主要来自支撑电容C1、C2，可以通过控制某几个MOS管开通来旁路部分门极驱动电阻取得较小的门极驱动电阻；
(2)t1～t3，当IGBT门极电压达到阈值电压后，IGBT正式进入导通过程，这时候需要较大的门极驱动电阻，降低门极震荡，这时候需要控制某几个MOS管关断来投入较大的门极驱动电阻；
(3)t3～t5，IGBT门极电压处在密勒平台时间到完全导通，这时候可以减小门极驱动电阻，缩短密勒平台时间，加快Vce的下降，减小开通损耗。
关断过程中：
(1)t0～t2时刻，IGBT门极电压没有到达阈值电压，这时候处于门极电荷抽取过程，通过控制某几个MOS管开通来旁路部分门极驱动电阻，加快这一过程，可以显著减小这一部分时间；
(2)t2～t4，IGBT密勒平台电压不足以维持，逐渐减低到阈值电压以下，IGBT正式进入关断过程，这时候需要关断MOS管加大关断门极驱动电阻，可以降低浪涌，减小器件损坏的风险；
(3)t4～t6，由于存储电荷效应，IGBT进入拖尾电流时期，这时候可以减小关断门极驱动电阻，加快抽取时间。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种分段电阻型IGBT驱动电路，其特征在于，包括驱动推挽电路、分段电阻驱动电路和IGBT门极钳位电路，
所述分段电阻驱动电路包括若干串联连接的分段电阻，每个分段电阻的两端均并联有旁路MOS管；各旁路MOS管的门极以及所述驱动推挽电路的控制输入端分别与驱动控制器连接；
所述IGBT门极钳位电路包括分别与IGBT门极连接的：IGBT门极稳压钳位电路及IGBT门极电源钳位电路；
所述IGBT的门极通过串联连接的分段电阻与驱动推挽电路的To端口连接，还通过IGBT门极电源钳位电路与驱动推挽电路的VSS端口连接。
2.根据权利要求1所述的分段电阻型IGBT驱动电路，其特征在于，所述IGBT门极电源钳位电路包括一个肖特基二极管和两个支撑电容，肖特基二极管的阳极与IGBT门极电连接，阴极通过并联连接的两支撑电容接地；肖特基二极管的阴极同时与驱动推挽电路的VSS端连接。
3.根据权利要求2所述的分段电阻型IGBT驱动电路，其特征在于，所述IGBT门极稳压钳位电路包括两个稳压二极管，其中一个稳压二极管的阴极与IGBT的门极电连接，阳极与另一稳压二极管的阳极连接，另一稳压二极管的阴极接地。
4.根据权利要求1所述的分段电阻型IGBT驱动电路，其特征在于，所述驱动控制器选用FPGA控制器。
5.采用权利要求1所述的分段电阻型IGBT驱动电路的控制方法，其特征在于，
IGBT开通时，当IGBT进入导通过程，将大于2/3数量的分段电阻接入IGBT门极，降低IGBT门极震荡；
当IGBT进入密勒平台时间，将接入IGBT门极的分段电阻数减少至1/3数量以下，缩短密勒平台时间，加快IGBT源极s与漏极d之间电压下降，减少IGBT开通损耗；
IGBT关断时，在IGBT门极g与漏极d之间电压下降到密勒平台结束的时间内，将1/3数量以下分段电阻接入IGBT门极，加快IGBT门极抽取电荷，减少IGBT门极开关时间；
在密勒平台电压逐渐降低到阈值电压时，IGBT进入关断过程，将1/2以上数量分段电阻接入IGBT门极，降低浪涌；
当浪涌结束进入拖尾电流时间后，将1/3数量以下分段电阻接入IGBT门极，减少拖尾电流时间。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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Effective date of registration: 20170711 Address after: Nan Shui Road Gulou District of Nanjing city of Jiangsu Province, No. 8 210003 Applicant after: Nanjing Nari Co., Ltd. Address before: High road high tech Zone of Nanjing City, Jiangsu Province, No. 20 210032 Applicant before: NARI Technology Development Co., Ltd. Applicant before: Nanjing Nari Co., Ltd. Applicant before: State Grid Corporation of China |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20170510 |