CN106849923B - 一种igbt驱动电路 - Google Patents

一种igbt驱动电路 Download PDF

Info

Publication number
CN106849923B
CN106849923B CN201611205809.3A CN201611205809A CN106849923B CN 106849923 B CN106849923 B CN 106849923B CN 201611205809 A CN201611205809 A CN 201611205809A CN 106849923 B CN106849923 B CN 106849923B
Authority
CN
China
Prior art keywords
phase inverter
circuit
igbt
input
termination
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201611205809.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106849923A (zh
Inventor
周泽坤
王彦龙
石跃
王卓
张波
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Electronic Science and Technology of China
Original Assignee
University of Electronic Science and Technology of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Electronic Science and Technology of China filed Critical University of Electronic Science and Technology of China
Priority to CN201611205809.3A priority Critical patent/CN106849923B/zh
Publication of CN106849923A publication Critical patent/CN106849923A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106849923B publication Critical patent/CN106849923B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/567—Circuits characterised by the use of more than one type of semiconductor device, e.g. BIMOS, composite devices such as IGBT

Landscapes

  • Power Conversion In General (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)

Abstract

一种IGBT驱动电路，属于电子电路技术领域。在关断阶段采用变斜率驱动，通过电阻R和第五反向器INV5的特殊尺寸设计将关断过程分为两个阶段，T2至T3阶段仅有第一NMOS管MN1导通，电路处于慢放电状态，有利于改善过冲电压，解决了关断期间产生的浪涌电压问题；T3至T4阶段，经过由电阻R和第五反向器INV5设计的延时之后第二NMOS管MN2导通，电路进入快放电状态，加速整个IGBT的关断过程，降低开关损耗，另外加大了放电电流，使得拖尾时间大幅减少；本发明不需要额外的RC无源吸收网络，避免了传统RC吸收回路所造成的阻尼损耗；由于保证了关断过程的驱动电路的下拉能力，且后边阶段的电阻值较低，使得电路能够抗更高的dv/dt，改善了整体电路的电磁干扰特性。

Description

一种IGBT驱动电路
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，具体涉及一种通过结合IGBT器件特性提出的适用于IGBT的驱动电路。
背景技术
IGBT栅极驱动集成电路是HVIC(高压集成电路)的典型电路之一，由于其高可靠性，面积小，效果高等特点被广泛应用于家用电器与工业设备、航空、航天、武器系统等方面。HVIC的一个重要部分是对IGBT的驱动控制，但是不合理的驱动会产生高dv/dt和di/dt，而高dv/dt及di/dt开关驱动对IGBT的可靠性提出了极大的挑战，极易导致IGBT的损坏。
通常导致IGBT性能衰减，甚至损坏的原因主要在于对IGBT关断机理及对关断过程中电压和电流的变化规律认识不清，导致无法合理解释使用过程中出现的电流拖尾长等现象。
因此，深入地结合IGBT器件的特性，合理地设计驱动电路已成为当今IGBT驱动电路的一个热门领域。
发明内容
本发明所要解决的，就是结合IGBT器件特性，提出一种IGBT驱动电路，在关断阶段采用变斜率驱动，在不需要额外的RC无源吸收网络的基础上解决了关断期间电流拖尾长及产生的浪涌电压问题，同时提高了电路抗dv/dt和di/dt特性，减小关断过程的过冲电压并改善了整体的电磁干扰特性。
本发明的技术方案如下：
一种IGBT驱动电路，包括第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3、第四反相器INV4、第五反相器INV5、第六反相器INV6、第七反相器INV7、第八反相器INV8、PMOS管MP1、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、电阻R和两输入或非门NOR2_1，
第一反相器INV1的输入端接输入信号IN，其输出端接第二反相器INV2的输入端和两输入或非门NOR2_1的第一输入端；
第三反相器INV3的输入端接第二反相器INV2的输出端，其输出端接第四反相器INV4的输入端；
PMOS管MP1和第一NMOS管MN1的栅极接第四反相器INV4的输出端，其漏极互连并作为驱动电路的输出端输出信号OUT，PMOS管MP1的源极接外部电源电压VDD，第一NMOS管MN1的源极接地VSS；
电阻R的一端接驱动电路的输出端，另一端第五反相器INV5的输入端；
第六反相器INV6输入端接第五反相器INV5的输出端，其输出端接两输入或非门NOR2_1的第二输入端；
第七反相器INV7的输入端接两输入或非门NOR2_1的输出端，其输出端接第八反相器INV8的输入端；
第二NMOS管MN2的栅极接第八反相器INV8的输出端，其漏极接驱动电路的输出端，其源极接地VSS。
本发明的有益效果为：采用多级的反相器，通过第一反相器INV1到第四反向器INV4的反相器内部NMOS和PMOS的并联数m逐级增大，以及宽长比的改变，使得驱动电路的电阻减小，驱动电流逐级增大；在关断阶段采用变斜率驱动，通过电阻R和第五反向器INV5的特殊尺寸设计将关断过程分为两个阶段，T2至T3阶段仅有第一NMOS管MN1导通，电路处于慢放电状态，使得电路能够抗更高的di/dt，有利于改善过冲电压，解决了关断期间产生的浪涌电压问题；T3至T4阶段，经过由电阻R和第五反向器INV5设计的延时之后第二NMOS管MN2导通，电路进入快放电状态，加速整个IGBT的关断过程，降低开关损耗，另外加大了放电电流，使得拖尾时间大幅减少；本发明不需要额外的RC无源吸收网络，避免了传统RC吸收回路所造成的阻尼损耗；由于保证了关断过程的驱动电路的下拉能力，且后边阶段的电阻值较低，使得电路能够抗更高的dv/dt，改善了整体电路的电磁干扰特性。
附图说明
图1为本发明提供的一种IGBT驱动电路结构示意图。
图2为IGBT结构等效原理图。
图3为IGBT的开启和关断全过程示意图。
图4为传统RC吸收回路的结构示意图。
具体实施方式
本发明采用变斜率驱动方法，如图1所示为本发明的一种实现形式，包括第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3、第四反相器INV4、第五反相器INV5、第六反相器INV6、第七反相器INV7、第八反相器INV8、PMOS管MP1、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、电阻R和两输入或非门NOR2_1，第一反相器INV1的输入端接输入信号IN，其输出端接第二反相器INV2的输入端和两输入或非门NOR2_1的第一输入端；第三反相器INV3的输入端接第二反相器INV2的输出端，其输出端接第四反相器INV4的输入端；PMOS管MP1和第一NMOS管MN1的栅极接第四反相器INV4的输出端，其漏极互连并作为驱动电路的输出端输出信号OUT，PMOS管MP1的源极接外部电源电压VDD，第一NMOS管MN1的源极接地VSS；电阻R的一端接驱动电路的输出端，另一端第五反相器INV5的输入端；第六反相器INV6输入端接第五反相器INV5的输出端，其输出端接两输入或非门NOR2_1的第二输入端；第七反相器INV7的输入端接两输入或非门NOR2_1的输出端，其输出端接第八反相器INV8的输入端；第二NMOS管MN2的栅极接第八反相器INV8的输出端，其漏极接驱动电路的输出端，其源极接地VSS。
下面结合IGBT结构来说明本发明的创新和优势，如图2所示，IGBT等效为一个MOSFETM与一个三极管Q，图中标识了与其驱动设计相关的寄生器件，CGC为IGBT的栅极集电极寄生电容，CGE为IGBT栅极与发射极(源极)寄生电容，RG为IGBT栅极寄生电阻。
通过IGBT的等效模型以及相关寄生参数，首先对IGBT的关断过程进行描述。如图3所示，IGBT的关断过程分为四部分：T0-T1为关断延迟时间，T1-T2为关断过程中电压上升到10％到电流下降到90％时间，T2-T3为关断下降时间的第一部分，T3-T4为关断下降时间的第二部分。
下面根据图2和图3实线所示详细分析上述过程：在IGBT关断T0～T1和T1～T2过程中，MOSFET的门极电压VGS减小至密勒平台电压Vmiller，而漏源电流IDS保持不变。由图2可知，由于图2等效结构中的三极管Q基极电流Ib＝IDS，三极管Q的集射极电流ICE受Ib控制，所以，在IGBT关断T0～T1和T1～T2过程中，ICE电流仍然保持不变，IGBT的集射极电流ICE保持不变。可见，IGBT关断T0～T1和T1～T2过程为MOSFET行为，其时间分别为：
其中，RG为栅极驱动电阻，CGE和CGC为栅源电容和栅漏电容，gfs为栅源跨导，VGH为栅控电压，VGS(th)为阈值电压，IDS(max)为沟道电流的最大值，VDM为漏源电压最大值，VON为MOSFET导通压降。
由(1)和(2)式可知，IGBT关断tT0～T1和tT1～T2时间由MOSFET固有参数决定。所以对于确定的IGBT来说，其关断tT0～T1和tT1～T2时间也是确定的。
在T2～T3阶段，当图2所示等效结构中三极管Q集电极与射极电压VCE达到母线电压VDC，IGBT的集电极电流开始快速地减小，变化率可写为
其中，Ls为线路中的寄生电感，IL为负载电流。
电流下降产生的高dic/dt引起T2～T3后期电压VCE的过冲，其幅度主要取决于电路中的寄生电感Ls和二极管的正向恢复电压。若只考虑前者，可得
而T3～T4阶段n-区过剩载流子空穴复合过程较慢，因此，会引起IGBT关断过程拖尾电流现象。
在一般的IGBT高压串联阀的工作过程中，由式(4)可知，线路上的寄生电感Ls会在IGBT串联关断瞬间产生关断浪涌过电压。因此需要增加吸波电路来保证串联阀在安全工作区域内运行，防止IGBT的损坏。图4为一种适用于IGBT应用的传统无源吸收网络，其主要为RC充放电吸收电路，基本原理是利用阻尼电容吸收IGBT电压过冲，同时减少各参数分散性对IGBT串联电压不平衡的影响。传统RC吸收电路在充放电时由于电流要经过电阻，因此阻尼损耗较大。且较大的阻尼电阻，将影响高频下阻尼回路的吸收效果，然而较小的阻尼电阻容易增加IGBT串联阀组件开通电流过冲，因此传统的RC吸收电路的设计不灵活。
本发明的工作原理为：
驱动电路采用多级的反相器，通过INV1到INV4的反相器内部NMOS和PMOS的并联数m逐级增大，以及宽长比的改变，使得驱动电路的电阻减小，驱动电流逐级增大。
在关断阶段本发明采用变斜率驱动，在不需要额外的RC无源吸收网络的基础上减小关断过程的过冲电压，解决了关断期间产生的浪涌电压问题；同时提高了电路抗dv/dt特性并改善了整体的电磁干扰特性，以下针对上述优势进行分点说明：
本发明提供的一种IGBT驱动电路全图如图1所示，IGBT驱动电路的输出信号OUT为高时认为控制IGBT导通，输出信号OUT为低时认为控制IGBT关闭，从图1可以得出在控制IGBT开启的过程中与传统驱动类似，这是由于泄漏电感对电路的冲击主要在关断阶段，开启阶段没有什么影响，因此，可以采用快速充电的方式。而在关断过程中，通过电阻R和第五反向器INV5的特殊尺寸设计将关断过程分为两个阶段，第一阶段为T3之前的关断过程，第二阶段为T3之后的过程，如图3的虚线部分所示。具体为T3之前仅有第一NMOS管MN1导通，电路处于慢放电状态，使得电路能够抗更高的di/dt，有利于改善过冲电压，解决了关断期间产生的浪涌电压问题。经过由电阻R和第五反向器INV5设计的延时之后第二NMOS管MN2导通，电路进入快放电状态，加速整个IGBT的关断过程，降低开关损耗，另外加大了放电电流，使得拖尾时间大幅减少。此处电阻R和第五反向器INV5的设计需要作考虑，第五反向器INV5的翻转点需要设计在较低值，如0.2VCC～0.25VCC，VCC为反相器INV5的供电电压；同时，为产生和T0～T3同比的时间，首先需要将电阻R值设计在较大值，然后第五反向器INV5的PMOS管和NMOS管尺寸较大以保证较大的寄生电容，电阻R与INV5的PMOS管和NMOS管尺寸设计可参考如下公式：
其中CGPMOS为INV5的PMOS管的寄生电容，W、L分别为INV5的PMOS沟道宽度及长度，COX为单位面积栅氧化层的电容值，tT0～T3为IGBT关段过程T0～T3阶段的时间，该时间可以通过IGBT的参数预测或者是根据业界值估计。
通过上述两段斜率驱动有效地改善了电磁干扰特性以及减小了关断过程的上冲电压。同时由于保证了关断过程的驱动电路的下拉能力，且后边阶段的电阻值较低，使得电路能够抗更高的dv/dt，由于较高的dv/dt会导致差的电磁干扰特性，电路能够抗更高的dv/dt，就可以改善电磁干扰特性。
通过以上分析，可以看出本发明根据IGBT的本身的特性，在有效的防止di/dt和dv/dt过大的基础上，同时避免了传统RC吸收回路所造成的阻尼损耗，又加快了IGBT的关断过程，减小了整个芯片的损耗。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种IGBT驱动电路，其特征在于，包括第一反相器(INV1)、第二反相器(INV2)、第三反相器(INV3)、第四反相器(INV4)、第五反相器(INV5)、第六反相器(INV6)、第七反相器(INV7)、第八反相器(INV8)、PMOS管(MP1)、第一NMOS管(MN1)、第二NMOS管(MN2)、电阻(R)和两输入或非门(NOR2_1)，
第一反相器(INV1)的输入端接输入信号(IN)，其输出端接第二反相器(INV2)的输入端和两输入或非门(NOR2_1)的第一输入端；
第三反相器(INV3)的输入端接第二反相器(INV2)的输出端，其输出端接第四反相器(INV4)的输入端；
PMOS管(MP1)和第一NMOS管(MN1)的栅极接第四反相器(INV4)的输出端，其漏极互连并作为驱动电路的输出端输出信号(OUT)，PMOS管(MP1)的源极接外部电源电压(VDD)，第一NMOS管(MN1)的源极接地(VSS)；
电阻(R)的一端接驱动电路的输出端，另一端第五反相器(INV5)的输入端；
第六反相器(INV6)输入端接第五反相器(INV5)的输出端，其输出端接两输入或非门(NOR2_1)的第二输入端；
第七反相器(INV7)的输入端接两输入或非门(NOR2_1)的输出端，其输出端接第八反相器(INV8)的输入端；
第二NMOS管(MN2)的栅极接第八反相器(INV8)的输出端，其漏极接驱动电路的输出端，其源极接地(VSS)。
CN201611205809.3A 2016-12-23 2016-12-23 一种igbt驱动电路 Expired - Fee Related CN106849923B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201611205809.3A CN106849923B (zh) 2016-12-23 2016-12-23 一种igbt驱动电路

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201611205809.3A CN106849923B (zh) 2016-12-23 2016-12-23 一种igbt驱动电路

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106849923A CN106849923A (zh) 2017-06-13
CN106849923B true CN106849923B (zh) 2019-06-04

Family

ID=59135850

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201611205809.3A Expired - Fee Related CN106849923B (zh) 2016-12-23 2016-12-23 一种igbt驱动电路

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106849923B (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108092651B (zh) * 2018-01-09 2020-03-31 电子科技大学 一种变斜率驱动电路
CN108322200B (zh) * 2018-02-26 2021-09-14 武汉英弗耐斯电子科技有限公司 一种用于驱动功率开关器件的驱动电路
CN108417571A (zh) * 2018-05-18 2018-08-17 北京时代华诺科技有限公司 一种mos控制晶闸管芯片
CN111010147B (zh) * 2019-12-04 2023-06-16 南京轨道交通系统工程有限公司 一种双斜率尖峰抑制模拟电路的igbt栅极驱动器
CN111338418B (zh) * 2020-04-16 2021-04-23 电子科技大学 一种变斜率放电驱动电路
CN113381599B (zh) * 2021-06-29 2022-11-29 哈尔滨工业大学 一种并联SiC MOSFET安全工作域计算方法
CN114374223A (zh) * 2021-12-21 2022-04-19 华为数字能源技术有限公司 谐振变换器及其控制方法、mppt汇流箱及供电系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0354435B1 (en) * 1988-08-12 1995-12-20 Hitachi, Ltd. A drive circuit for an insulated gate transistor; and its use in a switching circuit, a current switching apparatus and an induction motor system
CN102347602A (zh) * 2010-07-30 2012-02-08 比亚迪股份有限公司 一种igbt保护电路
CN103199833A (zh) * 2013-03-26 2013-07-10 四川长虹电器股份有限公司 Pdp输出驱动电路中igbt开关速度的控制电路及方法
CN204244200U (zh) * 2014-10-08 2015-04-01 杭州宽福科技有限公司 一种驱动电路
CN205666809U (zh) * 2016-06-16 2016-10-26 国网山东省电力公司威海供电公司 Igbt驱动保护电路

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0354435B1 (en) * 1988-08-12 1995-12-20 Hitachi, Ltd. A drive circuit for an insulated gate transistor; and its use in a switching circuit, a current switching apparatus and an induction motor system
CN102347602A (zh) * 2010-07-30 2012-02-08 比亚迪股份有限公司 一种igbt保护电路
CN103199833A (zh) * 2013-03-26 2013-07-10 四川长虹电器股份有限公司 Pdp输出驱动电路中igbt开关速度的控制电路及方法
CN204244200U (zh) * 2014-10-08 2015-04-01 杭州宽福科技有限公司 一种驱动电路
CN205666809U (zh) * 2016-06-16 2016-10-26 国网山东省电力公司威海供电公司 Igbt驱动保护电路

Also Published As

Publication number Publication date
CN106849923A (zh) 2017-06-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106849923B (zh) 一种igbt驱动电路
CN108988617B (zh) 一种主动抑制SiC MOSFET串扰现象的驱动电路及电路改进方法
CN101895281B (zh) 一种开关电源的新型mos管驱动电路
CN106230258B (zh) 功率开关管的驱动方法及电路及电源系统
CN105187047B (zh) 一种用于igbt驱动芯片的特高压电平位移电路
CN109494969A (zh) 一种碳化硅半导体场效应管的驱动电路
CN203406774U (zh) 一种大功率mosfet负压驱动电路
CN103066809B (zh) 一种应用于直接串联型igbt的改进型rcd缓冲电路
CN203590070U (zh) 一种igbt缓冲吸收电路
CN103095108A (zh) 一种磁隔离驱动电路
CN101267156A (zh) 带放电通路的隔离驱动电路及控制方法
CN103825436A (zh) 一种高速大电流的功率场效应管驱动电路
CN103944361A (zh) 一种大功率抗干扰的场效应管高速驱动电路
CN103715870B (zh) 电压调整器及其谐振栅驱动器
CN203933357U (zh) 一种用于快速检测设备的mos管驱动电路
CN204810133U (zh) 一种高频开关电源mos管的驱动电路
CN102185286A (zh) 大功率igbt冗余驱动保护电路
CN203180759U (zh) 绝缘栅双极晶体管门极驱动推挽电路
CN103427624A (zh) 用于集成式降压型dc/dc开关变换器的抗振铃电路
CN110224688A (zh) 一种氮化镓功率器件驱动系统
Lu et al. Factors Affecting Self-Sustained Switching Oscillations of Cascode GaN Devices and Mitigation Strategy During Parameter Design
CN107204761B (zh) 一种功率管驱动电路
CN203504407U (zh) Igbt驱动电路和电压力锅
CN206164350U (zh) 一种开关管的驱动电路
CN202121561U (zh) 一种开关电源的新型mos管驱动电路

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20190604

Termination date: 20211223

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee