CN108258887B - 电能变换电路、igbt电路及其关断电路及关断控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供IGBT关断电路及其关断控制方法，包括该IGBT关断电路的IGBT电路，以及执行上述关断控制方法的电能变换电路。IGBT关断电路包括依次连接的信号传输电路、门极推挽放大电路、门极驱动电路和IGBT。所述方法包括如下步骤：所述信号传输电路控制所述三极管T2开通、所述三极管T1关断，使所述IGBT的门极从所述第一放电电路进行放电以关断所述IGBT；所述IGBT关断Td时间后，所述信号传输电路控制所述三极管T1开通Tr时间并同时关断所述三极管T2，使所述IGBT的门极从所述第二放电电路进行放电以降低所述IGBT的集电极和发射极之间的尖峰电压。本发明具有控制简单、成本低的优点。

Description

电能变换电路、IGBT电路及其关断电路及关断控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子应用领域，特别涉及IGBT关断电路及其关断控制方法，以及包括该IGBT关断电路的IGBT电路，以及执行上述关断控制方法的电能变换电路。

背景技术

IGBT广泛应用于新型的电力电子变换领域，在光伏、风力发电、变频、电动汽车等热门行业都能见到IGBT在其中发挥非常重要的作用。在使用中大功率的IGBT的场合，由于模块输出电流较大，IGBT模块在关断时存在较高Vce(集电极和发射极之间的电压)尖峰电压，尖峰电压过高会导致IGBT模块集电极和发射极击穿损坏。现有技术采用如下方法降低Vce尖峰电压：

1.增大关断电阻。关断电阻增大一定程度上可以减缓关断速度，降低Vce电压尖峰，但是关断电阻增大会导致关断时间增长，影响死区时间设置和门极电压的把控，容易导致损坏IGBT模块。

2.采用多级关断。门极驱动电路采用多个MOS管在IGBT关断时进行切换控制，从而实现多级关断，以达到抑制Vce尖峰电压的效果，此种关断方法能够有效减小模块的电压尖峰，但是由于需要采用多级MOS管切换控制，物料成本升高，同时器件数量和故障率也相应增加。

3.采用软关断。在IGBT模块发生短路时驱动电路会触发保护并关断门极信号，由于短路电流较大，关断时Vce尖峰很高，需要采用软关断技术抑制Vce尖峰，防止应力过高损坏模块，但由于软关断技术只在短路保护时触发，无法降低IGBT正常开通关断时的过压尖峰。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术上述至少一项技术问题，提出IGBT关断电路及其关断控制方法，包括该IGBT关断电路的IGBT电路，以及执行上述关断控制方法的电能变换电路。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

IGBT关断电路的关断控制方法，所述IGBT关断电路包括依次连接的信号传输电路、门极推挽放大电路、门极驱动电路和IGBT，所述IGBT关断电路可形成第一放电电路和第二放电电路，所述第二放电电路的阻值大于所述第一放电电路的阻值，所述第一放电电路和第二放电电路用于供所述IGBT的门极放电，所述门极推挽放大电路包括开关管T1和T2，所述开关管为三极管或MOS管或BJT管，包括如下控制步骤：

所述信号传输电路控制所述开关管T2开通、所述开关管T1关断，使所述IGBT的门极从所述第一放电电路进行放电以关断所述IGBT；

所述IGBT关断Td时间后，所述信号传输电路控制所述开关管T1开通Tr时间并同时关断所述开关管T2，使所述IGBT的门极从所述第二放电电路进行放电以降低所述IGBT的集电极和发射极之间的尖峰电压。

在一些优选的实施方式中，所述Tr时间和所述Td时间满足：使所述Tr时间内的Vge的波形的上升沿与Vce的波形的上升沿近似一致；所述Vce为集电极和发射极之间的尖峰电压，所述Vge为门极电压。

采用上述关断控制方法的IGBT关断电路包括依次连接的信号传输电路、门极推挽放大电路、门极驱动电路和IGBT；所述门极推挽放大电路包括开关管T1和T2，所述开关管为三极管或MOS管或BJT管；所述信号传输电路用于控制所述IGBT的门极的开通和关断；所述门极推挽放大电路用于提供电流驱动所述IGBT的门极；所述门极驱动电路用于匹配所述IGBT的门极参数以及对门极电压进行保护和控制；所述IGBT关断电路可形成第一放电电路和第二放电电路，所述第二放电电路的阻值大于所述第一放电电路的阻值，所述第一放电电路和第二放电电路用于供所述IGBT的门极放电。

在一些优选的实施方式中，所述开关管为N型MOS管；所述门极驱动电路包括门极开通电阻Ron、门极关断电阻Roff和门极下拉电阻R1，所述门极开通电阻Ron的一端和所述门极关断电阻Roff的一端共同连接所述IGBT的门极，所述门极开通电阻Ron的另一端连接所述开关管T1的漏极，开关管T2的源极与所述门极下拉电阻R1的一端共同连接所述门极关断电阻Roff的另一端，所述开关管T2的漏极与所述门极下拉电阻R1的另一端共同接到IGBT关断电路的公共端；所述第一放电电路包括所述门极关断电阻Roff和所述开关管T2；所述第二放电电路包括所述门极关断电阻Roff和所述门极下拉电阻R1。

在一些优选的实施方式中，所述MOS管的类型包括N型MOS管和P型MOS管。

IGBT电路，包括上述的IGBT关断电路。

电能变换电路，包括处理器、存储器和一个或多个程序，所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由所述处理器执行，所述程序包括用于执行上述关断控制方法的指令。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

对IGBT进行关断时，IGBT的门极先通过第一放电电路进行放电，经过Td时间后，IGBT的门极再通过第二放电电路进行放电，持续Tr时间，第二放电电路的阻值大于第一放电电路的阻值，实现阶梯放电，从而降低Vce过压尖峰。根据不同的关断时间和dv/dt调整开通脉冲时间Tr可实现最佳控制。

此外，本发明的电路结构简单，易于控制，成本低，可靠性高，在IGBT关断时有效抑制过压尖峰，保障IGBT的可靠运行。

附图说明

图1为本发明的IGBT关断电路的电路结构图；

图2为本发明的IGBT关断电路的控制时序图；

图3为本发明的IGBT关断电路的关断控制方法的流程图；

图4为加大门极关断电阻时的测试波形；

图5为本发明的测试波形。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参考图1，IGBT关断电路包括依次连接的信号传输电路1、门极推挽放大电路2、门极驱动电路3和IGBT；门极推挽放大电路2包括三极管T1和T2；信号传输电路1用于控制IGBT的门极的开通和关断；门极推挽放大电路2用于提供电流驱动IGBT的门极；门极驱动电路2用于匹配IGBT的门极参数以及对门极电压进行保护和控制；IGBT关断电路可形成第一放电电路100和第二放电电路200，第二放电电路200的阻值大于第一放电电路100的阻值，第一放电电路100和第二放电电路200用于供IGBT的门极放电。

以下对信号传输电路1和门极推挽放大电路2做具体的说明：

信号传输电路1主要包括驱动芯片逻辑控制部分，信号传输电路1接收输入信号，经过隔离处理后输出门极信号，由驱动芯片10输出后，使IGBT的门极可以根据驱动信号指令进行开通关断。

门极推挽放大电路2对信号传输电路1输出的驱动信号进行放大，从而有足够的驱动电流驱动IGBT的门极。

本发明的IGBT关断电路采用如下关断控制方法：

参考图2至图3。

S1、IGBT的正常开通脉冲时间是Ton，对IGBT进行关断时，信号传输电路1控制三极管T2开通、三极管T1关断，使IGBT的门极从第一放电电路100进行放电以关断IGBT；

S2、IGBT关断Td时间后，信号传输电路控制三极管T1开通Tr时间并同时关断三极管T2，使IGBT的门极从第二放电电路200进行放电以降低IGBT的集电极和发射极之间的尖峰电压。

根据上述可知，对IGBT进行关断时，IGBT的门极先通过第一放电电路100进行放电，经过Td时间后，IGBT的门极再通过第二放电电路200进行放电，持续Tr时间，第二放电电路200的阻值大于第一放电电路100的阻值，实现阶梯放电，从而降低Vce过压尖峰。根据不同的关断时间和dv/dt调整开通脉冲时间Tr可实现最佳控制。

本发明的电路结构简单，易于控制，成本低，可靠性高，在IGBT关断时有效抑制过压尖峰，保障IGBT的可靠运行。

以下对本发明作进一步的说明：

三极管为MOS管，更具体的是N型MOS管。

参考图1，门极驱动电路3包括门极开通电阻Ron、门极关断电阻Roff和门极下拉电阻R1，门极开通电阻Ron的一端和门极关断电阻Roff的一端共同连接IGBT的门极，门极开通电阻Ron的另一端连接三极管T1的漏极，三极管T2的源极与门极下拉电阻R1的一端共同连接门极关断电阻Roff的另一端，三极管T2的漏极与门极下拉电阻R1的另一端共同接到IGBT关断电路的公共端COM；第一放电电路100包括门极关断电阻Roff和三极管T2；第二放电电路200包括门极关断电阻Roff和门极下拉电阻R1。

门极推挽放大电路2还包括栅极驱动器U1和U2，栅极驱动器U1的输入端与驱动芯片10的一路输出相连，栅极驱动器U1的地与栅极开通点GH相连，栅极驱动器U1的输出与三极管T1的栅极相连，三极管T1的源极与电源VISO相连，三极管T1漏极与栅极开通点GH相连，栅极驱动器U2的输入端与驱动芯片10另一路输出相连，栅极驱动器U2的地与公共端COM相连，栅极驱动器U2的输出与三极管T2的栅极相连，三极管T2的漏极与公共端COM相连，三极管T2的源极与栅极关断点GL相连。

门极驱动电路3还包括门极钳位二极管D1和门极电容C1。门极开通电阻Ron一端与栅极开通点GH相连，另一端与IGBT的门极相连。门极关断电阻Roff一端和栅极关断点GL相连，另一端和IGBT的门极相连。门极钳位二极管D1的正极与IGBT的门极相连，门极钳位二极管D1的负极和电源VISO相连。门极下拉电阻R1的一端和栅极关断点GL相连，另一端和公共端COM相连。门极电容C1的一端和IGBT的门极相连，另一端和IGBT的漏极相连。

参考图1和图2，IGBT的正常开通脉冲时间是Ton，IGBT的门极开通时由驱动芯片10输出脉冲，经过栅极驱动器U1输出控制三极管T1开通，同时三极管T2关断，从而使电源VISO通过三极管T1和门极开通电阻Ron向IGBT门极充电，使IGBT门极开通；IGBT的门极关断时首先由驱动芯片10输出脉冲，经过栅极驱动器U2输出控制三极管T2的开通，同时三极管T1关断，从而使IGBT的门极通过门极关断电阻Roff和三极管T2向公共端COM放电，也即通过第一放电电路100进行放电，使IGBT关断。在关断一定时间Td后，给三极管T1一个Tr时间的开通脉冲，比如200ns，同时关断三极管T2，使门极关断波形短暂上升，然后使门极从下拉电阻R1通路进行放电，也即通过第二放电电路200进行放电，采用不同阶梯进行放电，从而降低Vce过压尖峰。

以上对本发明进行了说明，但本发明还可以有一些变型的形式，比如：

参考图4和图5，Tr时间和Td时间满足：使Tr时间内的Vge的波形的上升沿与Vce的波形的上升沿一致或近似一致，从而使Vce电压的抑制效果达到最佳；Vce为集电极和发射极之间的尖峰电压，Vge为门极电压。短暂脉冲开通时间Tr和延迟时间Td是根据门极关断电阻Ron的大小进行调整的。

三极管还可以是BJT(Bipolar Junction Transistor，双极结型晶体管)管。

时间Tr的范围为100ns至300ns。

三极管还可以是P型MOS管。

图4为加大门极关断电阻时的测试波形，母线电压为150V时，Vce电压为406V，Vce尖峰电压＝406V-150V＝256V；图5为本发明的测试波形，在门极关断时给予一个200ns的开通脉冲，同等条件下，可以使Vce尖峰电压降低至104V(母线电压为150V，Vce电压为254V，Vce尖峰电压＝254V-150V＝104V)。可见，本发明能有效降低Vce尖峰电压，Vce电压钳位效果明显。

本发明还提供一种IGBT电路，该电路包括上述的IGBT关断电路。

本发明另外提供一种电能变换电路，包括处理器、存储器和一个或多个程序，所述一个或多个程序被存储在存储器中，并且被配置成由处理器执行，所述程序包括用于执行上述关断控制方法的指令。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.IGBT关断电路的关断控制方法，所述IGBT关断电路包括依次连接的信号传输电路、门极推挽放大电路、门极驱动电路和IGBT，所述IGBT关断电路可形成第一放电电路和第二放电电路，所述第二放电电路的阻值大于所述第一放电电路的阻值，所述第一放电电路和第二放电电路用于供所述IGBT的门极放电，所述门极推挽放大电路包括开关管T1和T2，所述开关管为三极管或MOS管或BJT管，其特征在于包括如下控制步骤：

所述信号传输电路控制所述开关管T2开通、所述开关管T1关断，使所述IGBT的门极从所述第一放电电路进行放电以关断所述IGBT；

所述IGBT关断Td时间后，所述信号传输电路控制所述开关管T1开通Tr时间并同时关断所述开关管T2，使所述IGBT的门极从所述第二放电电路进行放电以降低所述IGBT的集电极和发射极之间的尖峰电压。

2.根据权利要求1所述的关断控制方法，其特征在于所述Tr时间和所述Td时间满足：使所述Tr时间内的Vge的波形的上升沿与Vce的波形的上升沿近似一致；所述Vce为集电极和发射极之间的尖峰电压，所述Vge为门极电压。

3.采用权利要求1或2所述关断控制方法的IGBT关断电路，其特征在于：包括依次连接的信号传输电路、门极推挽放大电路、门极驱动电路和IGBT；所述门极推挽放大电路包括开关管T1和T2，所述开关管为三极管或MOS管或BJT管；所述信号传输电路用于控制所述IGBT的门极的开通和关断；所述门极推挽放大电路用于提供电流驱动所述IGBT的门极；所述门极驱动电路用于匹配所述IGBT的门极参数以及对门极电压进行保护和控制；所述IGBT关断电路可形成第一放电电路和第二放电电路，所述第二放电电路的阻值大于所述第一放电电路的阻值，所述第一放电电路和第二放电电路用于供所述IGBT的门极放电。

4.根据权利要求3所述的IGBT关断电路，其特征在于：所述开关管为N型MOS管；所述门极驱动电路包括门极开通电阻Ron、门极关断电阻Roff和门极下拉电阻R1，所述门极开通电阻Ron的一端和所述门极关断电阻Roff的一端共同连接所述IGBT的门极，所述门极开通电阻Ron的另一端连接所述开关管T1的漏极，开关管T2的源极与所述门极下拉电阻R1的一端共同连接所述门极关断电阻Roff的另一端，所述开关管T2的漏极与所述门极下拉电阻R1的另一端共同接到IGBT关断电路的公共端；所述第一放电电路包括所述门极关断电阻Roff和所述开关管T2；所述第二放电电路包括所述门极关断电阻Roff和所述门极下拉电阻R1。

5.根据权利要求3所述的IGBT关断电路，其特征在于：所述MOS管的类型包括N型MOS管和P型MOS管。

6.IGBT电路，包括权利要求3至5任一项所述的IGBT关断电路。

7.电能变换电路，包括处理器、存储器和一个或多个程序，所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由所述处理器执行，所述程序包括用于执行如权利要求1-2任一项所述的方法的指令。