CN107623512B - 一种有源密勒箝位保护电路 - Google Patents

Abstract

一种有源密勒箝位保护电路，包括滞环比较器电路，栅极电压采样使能电路，正压串扰箝位作用电路和负压串扰箝位作用电路。滞环比较器电路的正向输入端对栅极电压采样使能电路的输出端电压采样，采样的栅极电压叠加到滞环比较器电路的正向输入端，与负输入端的参考电压比较，当大于参考电压时，滞环比较器电路输出饱和正压，小于参考电压时，输出饱和负压，对采样的栅极电压形成滞环输出,保证了绝缘栅器件正常的开通关断不会受到影响。当栅极有很高的正压脉冲干扰的时候，经正压串扰箝位作用电路的箝位，此时栅极电压被箝位在一个二极管的管压降。当栅极有负压脉冲干扰的时候，经负压串扰箝位作用电路箝位，此时的栅极电压被箝位在负压电源左右。

Description

一种有源密勒箝位保护电路

技术领域

本发明涉及一种绝缘栅器件的保护电路。尤其涉及一种抑制IGBT在桥臂电路串扰的电路。

背景技术

绝缘栅双极晶体管(IGBT)目前已成为一种主流的功率半导体器件，IGBT所具有的电压型驱动、高输入阻抗、开关速度快、开关功率损耗小、通态压降小等一系列优良特性，使其成为中、高功率开关电源、变频器、逆变器、感应加热、有源滤波器、家用电器等需要电能变换场合的理想功率开关器件。

IGBT在运行过程中需要有保护电路对其进行保护控制，以防止其自身驱动系统或所处电力电子电路中的异常状态，使IGBT的工作电压或者电流超过安全工作范围，导致IGBT损坏。在实际的工业应用中，桥臂电路是一种常用的电路结构，桥臂电路含有两个串联的互补导通的开关器件，开关管在高速开关动作时，上下管之间的串扰会变得比较严重。当开关管栅极串扰电压超过栅极开启电压阈值，就会使处于关断状态的开关管导通，引发桥臂直通。此外，IGBT的栅极耐受负压的能力是有一定的限度的，当串扰负压超过最大电压范围时，会导致器件失效。因此串扰问题严在一定程度上限制了IGBT器件性能优势的发挥。

图1a为下管开通瞬间，上管串扰产生的原理图，图1b为下管关断瞬间上管串扰产生的原理图。

如图1a和图1b所示，桥臂电路由上下两个开关管QH、QL及其驱动电路构成，Cgd、Cgs、Cds分别为开关管栅漏极、栅源极和漏源极寄生电容，R_g栅极驱动电阻，Vs为下管开通关断的脉冲电源Vs，T1、T2为上下管的驱动放大三极管，V_DC为直流母线输入电压，L和Rload为负载。下管开关过程中，上管等效电路如图2所示。在图1a所示的下管开通瞬态过程中，上管漏源极电压开始上升，此电压变化率会在密勒电容C_{gs_H}上形成密勒电流，方向如图2中箭头所示，密勒电流大小为:

密勒电流流经寄生电容C_{gd_H}，这一电流给寄生电容C_{gs_H}充电导致栅源极驱动电压抬升，产生一个正向尖峰脉冲。如果正向电压尖峰的值超过了开关器件的阈值电压，就会造成下桥臂开关器件的误导通。同样，当下管关断瞬间，桥臂上管漏源极电压突变为0，寄生电容C_{gd_H}放电使得下桥臂驱动电压产生一个负向尖峰脉冲，如果这一负向尖峰的值超出了开关器件栅源极氧化层所能承受的最大负压值，同样会造成开关器件的损坏，这一过程如图1b所示。

现有的专利和文献资料中，对抑制桥臂电路串扰的方法在不同程度上都存在一定的缺陷。通过减小关断电阻R_GOFF的方法可以有效抑制，但是在关断期间由于杂散电感会产生很高的过压尖峰和栅极震荡。G-E间增加电容的方法，驱动电源功耗会增加，相同的栅极驱动电阻情况下IGBT的开关损耗也会增加。现有的有源密勒箝位技术是通过栅极G与发射极E并联三极管，当V_GE达到一定的阈值的时候，通过三极管的短路的方法来降低栅极和发射极之间的电压V_GE来抑制串扰导致的寄生导通。这种方法虽然可以在一定程度上抑制串扰带来的寄生导通，但这会增加三极管驱动的复杂度，最大的缺点是这种有源箝位只能抑制带来的正压干扰，对串扰带来的负压干扰没有作用，而IGBT栅极所能承受的负压驱动也有一定的限度值，当负压超过一定的限度值会在一定程度上损坏IGBT，影响IGBT的工作特性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种有源密勒箝位电路。本发明可抑制绝缘栅器件桥臂电路上下管串扰，对绝缘栅器件串扰起到及时有效的保护。

为达到上述目的，本发明采取的解决方案是：

一种绝缘栅器件有源密勒箝位的保护电路，包括滞环比较器电路，栅极电压采样使能电路，正压串扰箝位作用电路，负压串扰箝位作用电路。所述绝缘栅器件的发射极连接接地端。所述的滞环比较器电路的正向输入端连接栅极电压采样使能电路的输出端，栅极电压采样使能电路输入端连接绝缘栅器件的栅极，滞环比较器电路的输出端连接正压串扰箝位作用电路的输入端，正压串扰箝位电路的输出端连接绝缘栅器件的栅极。负压串扰箝位作用电路的输入端连接一个负压电源，负压串扰箝位作用电路的输出端连接绝缘栅器件的栅极。

所述的滞环比较器电路的正向输入端对栅极电压采样使能电路的输出信号进行采样，采样得到的栅极信号叠加到滞环比较器电路的正向输入端，与负向输入端的参考电压信号进行比较，当大于负向输入端的参考电压信号时，所述滞环比较器电路输出饱和正压，小于负向输入端信号时，输出饱和负压并形成滞环。当绝缘栅器件的栅极有一个很高正压脉冲干扰的时候，经正压串扰箝位作用电路的箝位，此时绝缘栅器件的栅极电压被箝位在一个二极管的管压降。当绝缘栅器件的栅极有一个负压脉冲干扰的时候，经负压串扰箝位作用电路的箝位，此时的绝缘栅器件的栅极电压被箝位在负压电源左右。

本发明与现有技术相比的有益效果：

本发明的绝缘栅器件的有源密勒箝位电路中，当栅极有很高的正压串扰或负压串扰的时候，经过滞环比较器电路，栅极电压采样使能电路，正压串扰箝位作用电路，负压串扰箝位作用电路的作用，把绝缘栅器件的栅极电压箝位在一定的范围之内。由于滞环比较器电路的滞环作用，本发明有源密勒箝位电路不会对＝自身的开通和关断有任何影响，对所关注的绝缘栅器件电压尖峰、电流尖峰、开通和关断时间也不会产生影响。电路的结构也比较简单，无需外围控制电路，可以紧靠栅极管脚布置。

附图说明

图1a下管开通瞬间，上管串扰产生的原理图；

图1b下管关断瞬间，上管串扰产生的原理图；

图2上管产生串扰电压的等效分析电路图；

图3有源密勒箝位电路原理图；

图4滞环比较器的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图3所示为本发明绝缘栅器件的有源密勒箝位保护电路的实施例。如图3所示，本发明有源密勒箝位保护电路包括滞环比较器电路1，栅极电压采样使能电路2，正压串扰箝位作用电路3和负压串扰箝位作用电路4。

绝缘栅器件的发射极E连接接地端GND。滞环比较器电路1的正向输入端连接栅极采样使能电路2的输出端，栅极电压采样使能电路2的输入端连接绝缘栅器件的栅极G，滞环比较器电路1的输出端连接正压串扰箝位作用电路3的输入端，正压串扰箝位电路3的输出端连接绝缘栅器件的栅极G，负压串扰箝位作用电路4的输入端连接一个负压电源，负压串扰箝位作用电路4的输出端连接绝缘栅器件的栅极G。

本实施例中绝缘栅器件为IGBT，也可以为MOSFET。

滞环比较器电路1的正端对栅极电压采样使能电路2的输出信号进行采样，采样得到的栅极信号叠加到滞环比较器电路1的正向输入端，位于栅极电压采样使能电路2与滞环比较器电路1正向输入端连线上的节点1的电压V2与滞环比较器电路1负向输入端的参考电压信号Vref比较，当大于负向输入端的参考电压信号时，所述滞环比较器电路1输出饱和正压U_H；小于负向输入端参考电压信号时，滞环比较器电路1输出饱和负压U_L，并形成滞环。当绝缘栅器件的栅极G有一个很高的正压脉冲干扰时，经正压串扰箝位电路3的箝位，此时栅极电压Vg被箝位在二极管D1的管压降Vf1V左右。当绝缘栅器件的栅极G有一个负压脉冲干扰时，经负压串扰箝位作用电路4箝位，此时的绝缘栅器件的栅极电压Vg被箝位在(VEE-Vf2)左右。

滞环比较器电路1由正饱和电源Vcc、地GND、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R5和比较器U1组成。第一电阻R1的一端连接正饱和电源Vcc，另一端连接比较器U1的正向输入端，第四电阻R5的一端连比较器U1的正向输入端，另一端连接比较器U1的输出端。比较器U1的正电源端连接饱和正电源Vcc，负电源端连接地GND。第二电阻R2的一端连接饱和正电源Vcc，另一端连接比较器U1负输入端；第三电阻R3的一端连接比较器U1的负输入端，另一端连接地GND。

正饱和电源Vcc经串联的第一电阻R2和第三电阻R3分压，得到滞环比较器电路的参考电压Vref：

滞环比较器电路1的负向输入端接收此参考电压Vref。

栅极电压采样使能电路2的输出端连接滞环比较器电路1的正向输入端，当位于栅极电压采样使能电路2与滞环比较器电路1正向输入端连线上的节点1的电压V2大于参考电压Vref时，输出正饱和电压U_H＝Vcc，当V2小于参考电压Vref时，输出负饱和电压U_L＝0V，当V2＝Vref时，输出为0。整个滞环比较电路的输出特性如图4所示，Vth1和Vth2是输入的两个门限电压，U_H是饱和输出的正电压，U_L是饱和输出的负电压。

由电路原理知识，对栅极电压采样使能电路2中，位于串联的开通电阻Ron和采样电阻R4连线上的节点1的电流，用基尔霍夫电流定律表示，有：

其中，V2是图3所示的节点1的电压，V3是图3所示的节点3的电压，R4是采样电阻。

当滞环比较器电路1的输出端电压Vout等于0V时，可以得到：

这是整个滞环比较器电路的一个门限电压Vth1。

当滞环比较器电路输出端电压Vout等于正饱和电源Vcc输出的电压时，

可以得到：

这是整个滞环比较器输入的另一个门限电压Vth2。

由电路知识可得，当采样使能电路的输入端电压V3<Vth1时候，滞环比较器电路1输出端电压Vout＝0V；当绝缘栅器件的栅极电压Vg从Vth1增加到Vth2的过程中，滞环比较器电路1的输出不变。当Vg继续增加，Vg>Vth2的时候，滞环比较器电路1输出反转。这样就对采样的栅极电压Vg形成了滞环。滞环的作用保证了绝缘栅器件本身的开通关断不会受到影响。

栅极电压采样使能电路2中，栅极G经过串联的开通电阻Ron和采样电阻R4连接到滞环比较器电路1的正向输入端，对栅极电压信号Vg进行采样反馈。因采样电阻R4远大于开通电阻Ron，所以在忽略开通电阻Ron的情况下V3≈Vg。

正压串扰箝位作用电路3中，第一二极管D1的阴极连接滞环比较器电路1的输出端，第一二极管D1的阳极连接绝缘栅器件的栅极G端，当绝缘栅器件的栅极有很大的正压串扰的时候，此时滞环比较电路1输出端电压Vout＝0V，第一二极管D1导通，从而把栅极电压Vg箝位在Vf1V，Vf1是第一二极管D1的管压降。

负压串扰抑制作用电路4中，第二二极管D2的阴极连接绝缘栅器件的栅极G端，第二二极管D2的阳极连接饱和负电源VEE，当绝缘栅器件的栅极有负压串扰的时，第二二极管D2导通，从而把栅极电压Vg箝位在(VEE-Vf2)V，其中Vf2是第二二极管D2的管压降。

综上所述，本实施例的有源密勒箝位的保护电路，经过滞环比较器电路1，栅极采样使能电路2，正压串扰箝位作用电路3，负压串扰作用电路4把栅极电压Vg箝位在(VEE-Vf2)到Vf1V左右，从而抑制了串扰造成的误开通引起桥臂直通的危害和负压太大损坏绝缘栅器件的问题。

Claims (1)

1.一种有源密勒箝位保护电路，其特征在于：所述的有源密勒箝位保护电路包括滞环比较器电路(1)、栅极电压采样使能电路(2)、正压串扰箝位作用电路(3)和负压串扰箝位作用电路(4)；绝缘栅器件的发射极E连接接地端GND，滞环比较器电路(1)的正向输入端连接栅极电压采样使能电路(2)的输出端，栅极电压采样使能电路(2)的输入端连接绝缘栅器件的栅极G；滞环比较器电路(1)的输出端连接正压串扰箝位作用电路(3)的输入端，正压串扰箝位作用电路(3)的输出端连接绝缘栅器件的栅极G；负压串扰箝位作用电路(4)的输入端连接负压电源，负压串扰箝位作用电路(4)的输出端连接绝缘栅器件的栅极G；

所述滞环比较器电路(1)由正饱和电源Vcc、地GND、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R5和比较器U1组成；第一电阻R1的一端连接正饱和电源Vcc，另一端连接比较器U1的正向输入端；第四电阻R5的一端连比较器U1的正向输入端，另一端连接比较器U1的输出端；比较器U1的正电源端连接饱和正电源Vcc，比较器U1的负电源端连接地GND；第二电阻R2的一端连接饱和正电源，另一端连接比较器U1的负输入端；第三电阻R3的一端连接比较器U1的负输入端，另一端连接地GND；

栅极电压采样使能电路(2)中，绝缘栅器件的栅极G经过串联的开通电阻Ron和采样电阻R4连接到滞环比较器电路(1)的正向输入端，对栅极电压Vg进行采样反馈；

所述的滞环比较器电路(1)的正向输入端对栅极电压采样使能电路(2)的输出端电压进行采样，采样得到的栅极电压Vg叠加到滞环比较器电路(1)的正向输入端，与滞环比较器电路(1)负输入端的参考电压信号Vref比较，当滞环比较器电路(1)正向输入端的电压大于参考电压时，所述滞环比较器电路输出饱和正压U_H，当滞环比较器电路(1)正向输入端的电压小于参考电压时，输出饱和负压U_L，并对栅极电压Vg形成滞环；经正压串扰箝位作用电路(3)的箝位，受正压串扰时，把绝缘栅器件的栅极电压Vg被箝位在Vf1V；经负压串扰箝位作用电路(4)箝位，把栅极电压Vg箝位在(VEE-Vf2)V；

所述正压串扰箝位作用电路(3)中，第一二极管D1的阴极连接滞环比较器电路的输出端，第一二极管D1的阳极连接绝缘栅器件的栅极G端，当绝缘栅器件的栅极有正压串扰时，滞环比较器电路(1)的输出端电压Vout＝0V，第一二极管D1导通，从而把栅极电压Vg箝位在Vf1V，其中Vf1为第一二极管D1的管压降；

所述的负压串扰箝位作用电路(4)中，第二二极管D2阴极连接绝缘栅器件的栅极G端，第二二极管D2的阳极连接负压电源VEE，当绝缘栅器件的栅极有负压串扰时，第二二极管D2导通，把栅极电压Vg箝位在(VEE-Vf2)V，其中Vf2为第二二极管D2的管压降；

Vf1为第一二极管D1的管压降，Vf2为第二二极管D2的管压降，VEE为饱和负电源。

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