CN107046361A - Igbt动态有源钳位保护电路 - Google Patents

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程炜涛
李洲
王海军
叶甜春
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Abstract

本发明涉及一种IGBT动态有源钳位保护电路，包括IGBT器件，其特征是：在所述IGBT器件的集电极和栅极之间依次连接若干瞬态电压抑制二极管组群、二极管D3、限流电阻R1和吸收电容C1，所述瞬态电压抑制二极管组群包括若干瞬态电压抑制二极管TVS，从IGBT器件的集电极方向的第n个瞬态电压抑制二极管TVS两端并联有n个可控开关，n为正整数；所述可控开关的控制端均与用于控制所述可控开关导通状态的开关驱动电路连接，所述开关驱动电路与信号处理控制电路连接，所述信号处理控制电路与用于检测直流母线电压的电压检测电路连接。本发明电路结构简单，易于实现，安全可靠，能有效保护IGBT驱动及本身。

Description

IGBT动态有源钳位保护电路
技术领域
本发明涉及一种驱动电路，尤其是一种IGBT动态有源钳位保护电路，属于IGBT驱动技术领域。
背景技术
绝缘栅双极晶体管IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。它既具有功率MOSFET输入阻抗高、工作速度快、易驱动的优点，又具有双极达林顿功率管GTO饱和电压低、电流容量大、耐压高的优点，能正常工作于几十千赫兹频率范围内，故在较高频率的大、中功率设备（如变频器、UPS电源、光伏逆变器、高频焊机等）应用中占据了主导地位。
IGBT应用的关键技术之一是过电压抑制。过电压抑制不仅关系到IGBT本身的工作特性和运行安全，还会影响到整个系统的性能和安全。由于电路中杂散电感的存在，IGBT在正常情况关断时会产生一定电压尖峰，但是数值不会太高，但在变流器过载或者桥臂发生短路的情况下，关断IGBT时集电极会产生非常高的尖峰电压，过高的尖峰电压很容易使IGBT受到损坏。
有源钳位电路的目标是钳住IGBT的集电极电位，使其不要到达太高的水平，如果关断时产生的电压尖峰太高，或者太陡，都会使IGBT受到威胁。所以有源钳位电路通常在故障状态下才会动作，正常时不工作。
目前，IGBT有源钳位电路有图1和图2两种方式。其中，图1电路属于静态有源钳位，在实际应用过程中，由于母线电压较高且波动较大往往会高出有源钳位的电压点，若不处理，有源钳位电路会进入连续动作的状态，容易损坏驱动电路。针对此情况，提出图2所示的改进方案，通过在TVS管并联有电容和放电电阻，这样可以类似动态地调节有源钳位的阈值，但并联有电容和放电电阻后加大了损耗，影响有源钳位的动作时间。
图1和图2针对母线电压变化较大的场合（如太阳能逆变器、APF、牵引变流器等），无法满足在不同应用场景下对IGBT驱动电路的驱动能力和线路保护能力的灵活调节的需求。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种IGBT动态有源钳位保护电路，其电路结构简单，易于实现，安全可靠，能有效保护IGBT驱动及本身。
按照本发明提供的技术方案，所述IGBT动态有源钳位保护电路，包括IGBT器件，其特征是：在所述IGBT器件的集电极和栅极之间依次连接若干瞬态电压抑制二极管组群、二极管D3、限流电阻R1和吸收电容C1，所述瞬态电压抑制二极管组群包括若干瞬态电压抑制二极管TVS，从IGBT器件的集电极方向的第n个瞬态电压抑制二极管TVS两端并联有n个可控开关，n为正整数；所述可控开关的控制端均与用于控制所述可控开关导通状态的开关驱动电路连接，所述开关驱动电路与信号处理控制电路连接，所述信号处理控制电路与用于检测直流母线电压的电压检测电路连接。
进一步的，所述电压检测电路包括高压差分运算放大器及其调理电路，电压检测电路设置于IGBT器件的集电极或直流母线上。
进一步的，所述可控开关包括MOS管，MOS管的源极端、漏极端分别与瞬态电压抑制二极管并联连接，MOS管的栅极端与开关驱动电路的输出端连接。
进一步的，所述吸收电容C1并联有限流电阻R1的两端。
本发明的优点：通过电压检测电路对直流母线电压进行实时采样，信号处理控制电路根据直流母线电压的大小确定有源钳位电压，并根据有源钳位电压向开关驱动电路传输开关使能信号，开关驱动电路根据开关使能信号确定接入瞬态电压抑制二极管的数量以及相应导通的可控开关，从而将有源钳位的动作门槛设置成动态的，能够有效避免有源钳位电路的连续动作，进而避免IGBT工作在线性区，防止IGBT器件损坏。
附图说明
图1为现有技术方案典型IGBT驱动有源钳位电路的结构示意图。
图2为现有技术方案改进型IGBT驱动有源钳位电路示意图。
图3为本发明的结构框图。
具体实施方式
下面结合具体附图对本发明作进一步说明。
如图3所示，本发明所述IGBT动态有源钳位保护电路包括IGBT器件，在IGBT器件的集电极和栅极之间依次连接若干瞬态电压抑制二极管组群、二极管D3、限流电阻R1和吸收电容C1，所述瞬态电压抑制二极管组群包括若干瞬态电压抑制二极管TVS，从IGBT器件的集电极方向的第n个瞬态电压抑制二极管TVS两端并联有n个可控开关，n为正整数；所述可控开关包括MOS管，MOS管的源极端、漏极端分别与瞬态电压抑制二极管并联连接，MOS管的栅极端与开关驱动电路1的输出端连接；所述可控开关的控制端均与用于控制所述可控开关导通状态的开关驱动电路1连接，所述开关驱动电路1与信号处理控制电路2连接，所述信号处理控制电路2与用于检测直流母线电压的电压检测电路3连接。因此，当开关驱动电路1控制可控开关导通时，则与所述可控开关连接的瞬态电压抑制二极管会被短路掉，即开关驱动电路1通过控制不同可控开关的导通时，能调整瞬态电压抑制二极管数量，即可以调节有源钳位电压。
所述电压检测电路3将检测到的直流母线电压传输至信号处理控制电路2内，信号处理控制电路2根据接收到的直流母线电压确定有源钳位电压，并根据确定的有源钳位电压向开关驱动电路1输出对应的开关使能信号；所述开关驱动电路1接收开关使能信号，并根据开关使能信号向对应的可控开关输出开通驱动信号，以通过开通驱动信号打开对应的可控开关，使得接入的瞬态电压抑制二极管组群与有源钳位电压相匹配。
所述电压检测电路3包括高压差分运算放大器及其调理电路，将高压差分信号转换成低压差分信号，电压检测电路3设置于IGBT器件连接的母线上。在具体实施时，电压检测电路3还可以采用其他的实现形式，只要能检测到直流母线电压即可。
本发明实施例中，信号处理控制电路2可以采用AD7674全差分输入模拟数字转换器芯片和51单片机实现，低压差分信号经过AD7674的模拟差分输入端，将模拟信号转换为相应的数控信号，再给51单片机进行处理，得出相应的开关信号，进而来驱动开关驱动电路1，实现可控开关的导通与关断，内部详细的数模转换控制为本领域人员所熟知，此处不再赘述。也可以采用相应的逻辑电路实现，只要能实现对直流母线电压进行处理并输出开关使能信号即可。
一般地，当瞬态电压抑制二极管组群内所有的MOS管均处于关断状态时，则接入IGBT器件集栅极间的瞬态电压抑制二极管的数量即为所有瞬态电压抑制二极管的总和。而当有多个MOS管导通时，则相应并联的瞬态电压抑制二极管组群将短路，从而能够得到所需的有源钳位电压值。具体实施时，瞬态电压抑制二极管组群内的瞬态电压抑制二极管均为正温度特性，温度系数较小的TVS管，TVS管的具体电压大小可以根据需要进行选择确定，TVS管可以采用ST公司的SMBJ系列。此外，MOS管应选取内阻大、饱和压降小的类型，可以采用IR的低压CoolMOS管。
本发明通过电压检测电路对直流母线电压进行实时检测，信号处理控制电路根据直流母线电压确定有源钳位电压，并根据直流母线电压向开关驱动电路传输开关使能信号，开关驱动电路根据开关使能信号确定接入瞬态电压抑制二极管的数量以及相应需导通的可控开关，从而能使得瞬态电压抑制二极管组群内的有源钳位电压与直流母线电压相匹配，能够有效避免有源钳位电路的连续动作，最大限度地保证IGBT器件及驱动电路的运行安全，还可以简化操作，实现灵活应用。
另外，在所述IGBT器件的栅极和发射极之间连接箝位二极管D1，在IGBT器件的栅极连接推挽电路，推挽电路与开关驱动电路的输出端连接。
本发明公开了一种IGBT动态有源钳位保护电路，属于IGBT驱动的技术领域。按照本发明提供的技术方案，所述IGBT动态有源钳位保护电路，包括IGBT器件，还包括依次连接在所述IGBT的集电极和栅极之间的若干瞬态电压抑制二极管组群、二极管、限流电阻、吸收电容、箝位二极管，所述瞬态电压抑制二极管组群按照1个、2个•••n个递增的方式并联有可控开关，可控开关的控制端均与用于控制所述可控开关导通状态的开关驱动电路连接，所述开关驱动电路与信号处理控制电路连接，信号处理控制电路与用于检测直流母线电压的电压检测电路连接；本发明电路结构简单，实现了IGBT动态有源钳位的保护，能有效延长IGBT的使用寿命，提高IGBT电路的工作效率，安全可靠。可以根据不同应用条件下动态调节有源钳位电压，可以应用在各种不同工况下的IGBT驱动电路设计中。

Claims (4)

1.一种IGBT动态有源钳位保护电路，包括IGBT器件，其特征是：在所述IGBT器件的集电极和栅极之间依次连接若干瞬态电压抑制二极管组群、二极管D3、限流电阻R1和吸收电容C1，所述瞬态电压抑制二极管组群包括若干瞬态电压抑制二极管TVS，从IGBT器件的集电极方向的第n个瞬态电压抑制二极管TVS两端并联有n个可控开关，n为正整数；所述可控开关的控制端均与用于控制所述可控开关导通状态的开关驱动电路连接，所述开关驱动电路与信号处理控制电路连接，所述信号处理控制电路与用于检测直流母线电压的电压检测电路连接。
2.如权利要求1所述的IGBT动态有源钳位保护电路，其特征是：所述电压检测电路包括高压差分运算放大器及其调理电路，电压检测电路设置于IGBT器件的集电极或直流母线上。
3.如权利要求1所述的IGBT动态有源钳位保护电路，其特征是：所述可控开关包括MOS管，MOS管的源极端、漏极端分别与瞬态电压抑制二极管并联连接，MOS管的栅极端与开关驱动电路的输出端连接。
4.如权利要求1所述的IGBT动态有源钳位保护电路，其特征是：所述吸收电容C1并联有限流电阻R1的两端。
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