CN108631557B - 绝缘栅双极型晶体管的栅极电压控制电路及其控制方法 - Google Patents

绝缘栅双极型晶体管的栅极电压控制电路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种IGBT的栅极电压控制电路及其控制方法，IGBT的栅极电压控制电路包括：电压控制电路、有源钳位电路和功率放大电路，其中电压控制电路输出的控制电压间接控制IGBT的栅极电压，实现了在较小损耗的前提下对IGBT栅极电压的较好控制效果，既可以避免有源钳位电路提前响应，又可以提高有源钳位电路的响应速度，并改善集‑射电压Vce与栅极电压Vge的振荡现象，提高串联应用中IGBT可靠性。

Description

绝缘栅双极型晶体管的栅极电压控制电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子变换技术领域，具体涉及一种绝缘栅双极型晶体管的栅极电压控制电路及其控制方法。
背景技术
在高压大功率的电力电子变换技术应用场合中，通常采用绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)串联技术来有效提高电压等级，以满足更高电压应用的需求。针对串联连接的IGBT可能存在的不均压及电压尖峰较高的情况，通常在IGBT的集电极和栅极之间加入有源钳位电路以提高IGBT串联技术的可靠性，解决串联连接的IGBT之间存在不均压及电压尖峰较高的问题。
精确控制IGBT的栅极电压，是该有源钳位电路可靠应用的重要保障。
关于应用于IGBT的有源钳位电路，典型的现行做法包括如图1所示的电路和相应的控制方法，该电路及控制方法的特点为：
主要包括电阻、电容、二极管及一个以上的齐纳二极管；
由一个以上的齐纳二极管、电阻及二极管串联组成支路1，并联在IGBT的集电极和栅极两端；由电阻和电容串联组成的支路2，并联在IGBT的集电极及栅极两端；
支路1响应IGBT集-射电压Vce的幅值，当集-射电压Vce超过支路1中所有齐纳二极管的反向击穿电压值(钳位电压)后，该支路中齐纳二极管被击穿，支路1对IGBT的栅极注入电荷；
支路2响应IGBT集-射电压Vce的斜率，当集-射电压Vce以一定斜率上升时，支路2通过电容对IGBT的栅极注入电荷；
支路1和支路2对IGBT的栅极注入的电荷可使栅极电压Vge抬升至门槛电压值Vgeth以上，使IGBT进入导通状态，以起到降低IGBT集-射电压Vce的作用；
该方法的优点为可有效降低IGBT关断时的电压尖峰；缺点为：有源钳位电路通常在IGBT关断瞬间起作用，此时IGBT驱动电路的最后一级功率放大电路中的下管是导通的，注入IGBT的栅极的电荷很大一部分会被此下管旁路，导致有源钳位电路的有效性大大降低，齐纳二极管上的损耗也会很大。尤其在需要有源钳位电路频繁动作的应用中，齐纳二极管上的损耗会很难接受。
此外，现有技术中的其他IGBT的栅极电压的控制还存在诸多问题和缺点，而且结构较复杂，且仍未解决图1所示电路中的问题，注入栅极的电荷大部分被功率放大电路的下管旁路，有源钳位电路的有效性不高；或者是有源钳位作用时，IGBT的栅极电压Vge不可控，栅极电压Vge易被抬升至较高的幅值，导致IGBT正常开通，集-射电压Vce出现较大幅度的跌落；进而引起栅极电压Vge跌落，集-射电压Vce再次上升，使集-射电压Vce与栅极电压Vge均出现振荡现象。
因此，需要一种新的绝缘栅双极型晶体管的栅极电压控制电路。
本发明提出了一种新型的调节IGBT栅极电压的控制电路及方法。
在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明提供一种绝缘栅双极型晶体管的栅极电压控制电路，进而至少在一定程度上克服由于现有技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
本发明的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本发明的实践而习得。
根据本发明的第一方面，公开一种IGBT的栅极电压控制电路，包括：
有源钳位电路，包括第一端、第二端和第三端，所述第一端连接于所述IGBT的集电极，用以接收所述IGBT的集-射电压，所述第二端连接于所述IGBT的栅极；
功率放大电路，包括第一端和第二端，所述有源钳位电路的所述第三端连接于所述功率放大电路的所述第一端，所述功率放大电路的所述第二端耦接于所述IGBT的所述栅极，用以输出栅极电压；以及
电压控制电路，包括第一端和第二端，所述电压控制电路的所述第一端用以接收驱动信号，所述电压控制电路的所述第二端连接于所述有源钳位电路的所述第三端和所述功率放大电路的所述第一端，用以输出控制电压，所述控制电压控制所述栅极电压。
根据本发明的一实施方式，所述电压控制电路包括：
第一三极管、第一至第三电阻、第一至第二二极管和第一齐纳二极管，其中，
所述第一电阻的第一端、所述第二二极管阳极及所述第三电阻的第一端电性连接并作为所述电压控制电路的所述第一端，用以接收所述驱动信号；
所述第一电阻的第二端、所述第一三极管的基极及所述第二电阻的第一端电性连接；
所述第一三极管的集电极与地线电性连接；
所述第一三极管的发射极、所述第二电阻的第二端及所述第一二极管阴极电性连接；
所述第一二极管阳极与所述第一齐纳二极管阳极电性连接；
所述第一齐纳二极管阴极、所述第二二极管阴极及所述第三电阻的第二端电性连接并作为所述电压控制电路的所述第二端，用以输出所述控制电压。
根据本发明的一实施方式，所述电压控制电路包括：
第七电阻、第五二极管和第四齐纳二极管，所述第七电阻的第一端、所述第五二极管阳极和所述第四齐纳二极管阳极电性连接并作为所述电压控制电路的所述第一端，用以接收所述驱动信号；
所述第七电阻的第二端、所述第五二极管阴极和所述第四齐纳二极管阴极电性连接并作为所述电压控制电路的所述第二端，用以输出所述控制电压。
根据本发明的一实施方式，所述有源钳位电路包括：第三至第四二极管、第四至第六电阻、第一至第二电容和第二至第三齐纳二极管，其中，
所述第三二极管阴极作为所述有源钳位电路的所述第三端；
所述第三二极管阳极与第四电阻的第一端电性连接；
所述第四电阻的第二端、所述第一电容的第一端、所述第五电阻的第一端及所述第四二极管阳极电性连接；
所述第一电容的第二端、所述第五电阻的第二端、所述第二齐纳二极管阳极及所述第二电容的第一端电性连接；
所述第二齐纳二极管阴极、所述第二电容的第二端及所述第三齐纳二极管阳极电性连接；
所述第三齐纳二极管阴极作为所述有源钳位电路的所述第一端；
所述第四二极管阴极与所述第六电阻的第一端电性连接；
所述第六电阻的第二端作为所述有源钳位电路的所述第二端。
根据本发明的一实施方式，在所述IGBT关断且所述集-射电压小于钳位电压时，所述有源钳位电路的所述第二端和所述第三端分别向所述IGBT的所述栅极和所述电压控制电路的所述第二端注入电荷，所述电压控制电路输出的所述控制电压控制所述栅极电压小于栅极门槛电压值。
根据本发明的一实施方式，在所述集-射电压大于或等于钳位电压时，所述有源钳位电路的所述第二端和所述第三端分别向所述IGBT的所述栅极和所述电压控制电路的所述第二端注入电荷，使得所述栅极电压大于栅极门槛电压值，并通过所述电压控制电路输出的所述控制电压控制所述IGBT的所述栅极电压小于预设电压值。
根据本发明的一实施方式，所述的IGBT的栅极电压控制电路还包括栅极驱动电阻，所述功率放大电路的所述第二端通过所述栅极驱动电阻与所述IGBT的所述栅极连接。
根据本发明的第二方面，公开一种IGBT的栅极电压控制电路，包括：
有源钳位电路，包括第一端和第二端，所述第一端连接于所述IGBT的集电极，用以接收所述IGBT的集-射电压，所述第二端连接于所述IGBT的栅极；
功率放大电路，包括第一端和第二端，所述功率放大电路的第一端接收驱动信号；以及
电压控制电路，包括第一端和第二端，所述电压控制电路的所述第一端连接于所述功率放大电路的所述第二端，所述电压控制电路的所述第二端耦接于所述IGBT的栅极，用以输出栅极电压。
根据本发明的一实施方式，所述电压控制电路包括：
第一三极管、第一至第三电阻、第一至第二二极管和第一齐纳二极管，其中，
所述第一电阻的第一端、所述第二二极管阳极及所述第三电阻的第一端电性连接并作为所述电压控制电路的所述第一端；
所述第一电阻的第二端、所述第一三极管的基极及所述第二电阻的第一端电性连接；
所述第一三极管的集电极与地线电性连接；
所述第一三极管的发射极、所述第二电阻的第二端及所述第一二极管阴极电性连接；
所述第一二极管阳极与所述第一齐纳二极管阳极电性连接；
所述第一齐纳二极管阴极、所述第二二极管阴极及所述第三电阻的第二端电性连接并作为所述电压控制电路的所述第二端。
根据本发明的一实施方式，所述电压控制电路包括：
第六电阻、第四二极管和第四齐纳二极管，其中，
所述第六电阻的第一端、所述第四二极管阳极和所述第四齐纳二极管阳极电性连接并作为所述电压控制电路的所述第一端；
所述第六电阻的第二端、所述第四二极管阴极和所述第四齐纳二极管阴极电性连接并作为所述电压控制电路的所述第二端。
根据本发明的一实施方式，所述有源钳位电路包括：第三二极管、第四至第五电阻、第一至第二电容和第二至第三齐纳二极管，其中，
所述第四电阻的第二端作为所述有源钳位电路的所述第二端；
所述第三二极管阴极与所述第四电阻的第一端电性连接；
所述第一电容的第一端、所述第五电阻的第一端及所述第三二极管阳极电性连接；
所述第一电容的第二端、所述第五电阻的第二端、所述第二齐纳二极管阳极及所述第二电容的第一端电性连接；
所述第二齐纳二极管阴极、所述第二电容的第二端及所述第三齐纳二极管阳极电性连接；
所述三齐纳二极管阴极作为所述有源钳位电路的所述第一端。
根据本发明的一实施方式，在所述IGBT关断且所述集-射电压小于钳位电压时，所述有源钳位电路的所述第二端向所述IGBT的所述栅极和所述电压控制电路注入电荷，所述电压控制电路输出的所述栅极电压小于栅极门槛电压值。
根据本发明的一实施方式，在所述集-射电压大于或等于钳位电压时，所述有源钳位电路的所述第二端向所述IGBT的所述栅极和所述电压控制电路注入电荷，所述电压控制电路输出的所述栅极电压大于栅极门槛电压值且小于预设电压值。
根据本发明的一实施方式，所述的IGBT的栅极电压控制电路还包括栅极驱动电阻，所述电压控制电路通过所述栅极驱动电阻与所述IGBT的所述栅极连接。
根据本发明的第三方面，公开一种IGBT的栅极电压控制方法，包括：
通过有源钳位电路接收所述IGBT的集-射电压；
通过功率放大电路输出栅极电压；
通过电压控制电路接收驱动信号并输出控制电压；以及
通过所述控制电压控制所述栅极电压。
根据本发明的一实施方式，在所述IGBT关断且所述集-射电压小于钳位电压时，所述有源钳位电路向所述电压控制电路和所述IGBT的栅极注入电荷，所述电压控制电路输出的所述控制电压控制所述栅极电压小于栅极门槛电压值。
根据本发明的一实施方式，在所述集-射电压大于或等于钳位电压时，所述有源钳位电路向所述电压控制电路和所述IGBT的栅极注入电荷，使得所述栅极电压大于栅极门槛电压值，并通过所述电压控制电路输出的所述控制电压控制所述IGBT的所述栅极电压小于预设电压值。
根据本发明的第四方面，公开一种IGBT的栅极电压控制方法，包括：
通过有源钳位电路接收所述IGBT的集-射电压；
通过功率放大电路接收和放大驱动信号；以及
通过电压控制电路接收放大后的驱动信号并输出栅极电压。
根据本发明的一实施方式，在所述IGBT关断且所述集-射电压小于钳位电压时，所述有源钳位电路向所述IGBT的栅极和所述电压控制电路注入电荷，所述电压控制电路输出的所述栅极电压小于栅极门槛电压值。
根据本发明的一实施方式，在所述集-射电压大于或等于钳位电压时，所述有源钳位电路向所述IGBT的栅极和所述电压控制电路注入电荷，所述电压控制电路输出的所述栅极电压大于栅极门槛电压值且小于预设电压值。
根据本发明的实施方式，通过简单的控制电路结构，实现了在较小损耗的前提下对IGBT的栅极电压进行有效地控制，既可以避免有源钳位电路提前响应，又可以提高有源钳位电路的响应速度，改善有源钳位效果，并且在有源钳位电路响应时避免集-射电压和栅极电压出现振荡，减少IGBT及有源钳位电路中齐纳二极管的损耗，大大增加了IGBT串联连接应用的可靠性。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施例，本发明的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。
图1示出现有技术中的IGBT的有源钳位电路图。
图2示出根据本发明一示例实施方式的IGBT的栅极电压控制电路的示意图。
图3示出根据本发明一示例实施方式的IGBT的栅极电压控制电路的电路图。
图4示出如图2所示的根据本发明一示例实施方式的IGBT的栅极电压控制电路中的电压控制电路的另一变形例的电路图。
图5示出根据本发明另一示例实施方式的IGBT的栅极电压控制电路的示意图。
图6示出根据本发明另一示例实施方式的IGBT的栅极电压控制电路的电路图。
图7示出如图5所示的根据本发明另一示例实施方式的IGBT的栅极电压控制电路中的电压控制电路的另一变形例的电路图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明的描述将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本发明的示意性图解，并非一定是按比例绘制。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、实现或者操作以避免喧宾夺主而使得本发明的各方面变得模糊。
附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
本发明公开一种IGBT的栅极电压控制电路，包括有源钳位电路、功率放大电路以及电压控制电路。其中一种方式是有源钳位电路设置在IGBT的集电极与功率放大电路以及IGBT的栅极之间；电压控制电路设置在功率放大电路之前；电压控制电路由三极管、二极管、齐纳二极管以及电阻构成，通过电压控制电路输出的控制电压间接控制IGBT栅极接收的栅极电压Vge。其中另一种方式是有源钳位电路设置在电压控制电路和IGBT的栅极之间，电压控制电路设置在功率放大电路和IGBT的栅极之间，电压控制电路直接控制IGBT栅极接收的栅极电压Vge。上述两种方式实现了在较小损耗的前提下对IGBT的栅极电压进行有效地控制，既可以避免有源钳位电路提前响应，又可以提高有源钳位电路的响应速度，大大缩短有源钳位的响应时间，改善有源钳位的效果，并且在有源钳位电路响应时避免集-射电压Vce和栅极电压Vge出现振荡，减少IGBT及有源钳位电路中齐纳二极管的损耗，大大增加了IGBT在串联连接应用中的可靠性。
在根据图2至图4所示的实施例中，本发明的IGBT栅极电压控制电路中的有源钳位电路有一个输入端(亦即，第一端)和两个输出端(亦即，第二端和第三端)，其中输入端连接到IGBT的集电极，两个输出端分别耦接到功率放大电路的输入端和IGBT的栅极，电压控制电路位于功率放大电路之前，用以接收驱动信号Vdr，其中，输出驱动信号Vdr是由脉宽调变电路(图中未示出)输出；在根据图5至图7所示的实施例中，本发明的IGBT栅极电压控制电路中的有源钳位电路有一个输入端(亦即，第一端)和一个输出端(亦即，第二端)，其中输入端连接到IGBT的集电极，输出端耦接到IGBT的栅极，电压控制电路位于功率放大电路输出端与IGBT的栅极之间。
下面分别就上述两种情况结合附图进行具体说明。
图2示出根据本发明一示例实施方式的IGBT的栅极电压控制电路的示意图，图3示出根据本发明一示例实施方式的IGBT的栅极电压控制电路的电路图，图4示出如图2所示的根据本发明一示例实施方式的IGBT的栅极电压控制电路中的电压控制电路的另一变形例的电路图。在根据图2至图4所示的实施例中，IGBT栅极电压控制电路中的有源钳位电路有两个输出端，两个输出端分别耦接到功率放大电路的输入端和IGBT的栅极，电压控制电路设置在功率放大电路之前，用以接收驱动信号Vdr。下面结合附图进行具体说明。
如图2所示，IGBT的栅极电压控制电路包括：有源钳位电路，包括第一端、第二端和第三端，所述第一端连接于所述IGBT的集电极c，用以接收所述IGBT的集-射电压Vce，所述第二端连接于所述IGBT的栅极g；功率放大电路，包括第一端和第二端，所述有源钳位电路的所述第三端连接于所述功率放大电路的所述第一端，所述功率放大电路的所述第二端耦接于所述IGBT的所述栅极g，用以输出栅极电压Vge；以及电压控制电路，包括第一端和第二端，所述电压控制电路的所述第一端用以接收驱动信号Vdr，其中，该驱动信号由脉宽调变电路(图示未示出)输出，所述电压控制电路的所述第二端连接于所述有源钳位电路的所述第三端和所述功率放大电路的所述第一端，用以输出控制电压Vb，用以间接控制栅极电压Vge。
在IGBT开始关断时，集-射电压Vce开始升高，此时集-射电压Vce未达到钳位电压，亦即，集-射电压Vce小于钳位电压，集-射电压Vce的变化斜率du/dt通过有源钳位电路向IGBT的栅极g和电压控制电路的第二端注入电荷。此时电压控制电路通过控制Vb，进而间接控制栅极电压Vge，使栅极电压Vge不超过IGBT的栅极电压门槛值Vgeth，防止有源钳位提前动作，避免产生不必要的损耗。
在IGBT的集-射电压Vce升高并超过钳位电压后，亦即IGBT的集-射电压Vce大于或等于钳位电压，有源钳位电路中的齐纳二极管(公知的有源钳位电路中通常均含有齐纳二极管)被击穿，注入IGBT的栅极g和电压控制电路的第二端的电荷会增大很多，可以把栅极电压Vge迅速拉升至栅极门槛电压值Vgeth以上且未达到正常导通IGBT的栅极电压值，有源钳位响应时间大大减小，可立即对集-射电压Vce进行钳位，钳位效果得到改善。需要说明的是，当集-射电压Vce降至钳位电压以下时，有源钳位电路不再向IGBT的栅极g和电压控制电路的第二端注入电荷。此外，该电压控制电路输出的控制电压Vb间接控制栅极电压Vge使得IGBT的所述栅极电压Vge小于预设电压值，该预设电压值大于栅极门槛电压值Vgeth且小于IGBT正 常导通时的栅极电压值(例如，15V)，从而避免栅极电压Vge被抬升至较高的幅值导致IGBT正常导通而使栅极电压Vge和集-射电压Vce发生振荡。需要说明的是，在有源钳位电路动作后，IGBT的集-射电压Vce被钳位到合理的电压范围，此时IGBT的栅极电压Vge大于栅极门槛电压值Vgeth，且小于IGBT正常导通时的栅极电压值。
上述的IGBT的栅极电压控制电路，还包括栅极驱动电阻Rg，所述功率放大电路的所述第二端通过所述栅极驱动电阻Rg与所述IGBT的所述栅极g连接。
此外，上述的IGBT的集电极c和发射极两端接有反并联二极管Dp。
如图3所示，根据本发明的一实施例，电压控制电路包括第一三极管Q1、第一至第三电阻R1-R3、第一至第二二极管D1-D2和第一齐纳二极管Dz1，其中，所述第一电阻R1的第一端、所述第二二极管D2阳极及所述第三电阻R3的第一端电性连接并作为所述电压控制电路的所述第一端，用以接收所述驱动信号Vdr；所述第一电阻R1的第二端、所述第一三极管Q1的基极及所述第二电阻R2的第一端电性连接；所述第一三极管Q1的集电极与地线COM电性连接；所述第一三极管Q1的发射极、所述第二电阻R2的第二端及所述第一二极管D1阴极电性连接；所述第一二极管D1阳极与所述第一齐纳二极管Dz1阳极电性连接；所述第一齐纳二极管Dz1阴极、所述第二二极管D2阴极及所述第三电阻R3的第二端电性连接并作为所述电压控制电路的所述第二端，用以输出所述控制电压Vb。
而有源钳位电路包括第三至第四二极管D3-D4、第四至第六电阻R4-R6、第一至第二电容C1-C2和第二至第三齐纳二极管Dz2-Dz3，其中，所述第三二极管D3阴极作为所述有源钳位电路的所述第三端；所述第三二极管D3阳极与第四电阻R4的第一端电性连接；所述第四电阻R4的第二端、所述第一电容C1的第一端、所述第五电阻R5的第一端及所述第四二极管D4阳极电性连接；所述第一电容C1的第二端、所述第五电阻R5的第二端、所述第二齐纳二极管Dz2阳极及所述第二电容C2的第一端电性连接；所述第二齐纳二极管Dz2阴极、所述第二电容C2的第二端及所述第三齐纳二极管Dz3阳极电性连接；所述第三齐纳二极管Dz3阴极作为所述有源钳位电路的所述第一端，连接于IGBT的集电极c；所述第四二极管D4阴极与所述第六电阻R6的第一端电性连接；所述第六电阻R6的第二端作为所述有源钳位电路的所述第二端，连接于IGBT的栅极g。
在本实施例中，有源钳位电路工作时，IGBT驱动电压为负压(假设为-15V，其余实施例均相同)。
在IGBT开始关断，集-射电压Vce到达钳位电压之前，集-射电压Vce的变换斜率du/dt通过有源钳位电路的齐纳二极管结电容对IGBT的栅极g和电压控制电路的第二端注入电荷，使控制电压Vb和栅极电压Vge均被抬升。当控制电压Vb升至齐纳二极管Dz1钳位值(如5.1V)以上时，齐纳二极管Dz1被击穿，进而使三极管Q1导通，控制电压Vb被钳位至5.1V。由于控制电压Vb被钳位，电荷会更多的注入到IGBT的栅极g，使得栅极电压Vge进一步被抬升，当栅极电压Vge高于控制电压Vb后会使功率放大电路的下管导通，使得栅极电压Vge下降直至与控制电压Vb相等后，使得功率放大电路的下管关断。此过程等效为该电压控制电路通过控制电压Vb可间接控制栅极电压Vge。由于IGBT的栅极门槛电压值Vgeth通常为6V左右，此时栅极电压Vge略低于栅极门槛电压值Vgeth，IGBT并未导通，有源钳位未提前动作，因此不会产生不必要的损耗。
当集-射电压Vce上升至钳位电压后，有源钳位电路中齐纳二极管均被击穿，此时注入IGBT的栅极g及电压控制电路第二端的电荷会增大很多。由于此前栅极电压Vge已处于栅极门槛电压值Vgeth附近，因此栅极电压Vge可被迅速拉升至栅极门槛电压值Vgeth以上且未达到正常导通IGBT的栅极电压值，有源钳位的响应时间大大缩短，钳位效果得到改善。同时，由于该电压控制电路输出的控制电压Vb也会间接控制栅极电压Vge，使得IGBT的所述栅极电压Vge小于预设电压值，该预设电压值大于栅极门槛电压值Vgeth且小于IGBT正常导通时的栅极电压值，防止栅极电压Vge被抬升至较高值以致IGBT发生正常导通，避免栅极电压Vge和集-射电压Vce出现振荡，大大增加了IGBT在串联连接应用中的可靠性。
上述实施例中的电压控制电路主要包括三极管、电阻、二极管、齐纳二极管，而下面介绍的实施例中的电压控制电路只包括电阻、二极管、齐纳二极管各一。
如图4所示，电压控制电路包括第七电阻R7、第五二极管D5和第四齐纳二极管Dz4，所述第七电阻R7的第一端、所述第五二极管D5阳极和所述第四齐纳二极管Dz4阳极电性连接并作为所述电压控制电路的所述第一端，用以接收所述驱动信号Vdr；所述第七电阻R7的第二端、所述第五二极管D5阴极和所述第四齐纳二极管Dz4阴极电性连接并作为所述电压控制电路的所述第二端，用以输出所述控制电压Vb。
假设所述第四齐纳二极管Dz4稳压值为20V。在集-射电压Vce到达钳位点前，该电压控制电路输出的控制电压Vb在5V左右，进而间接地控制栅极电压Vge在5V左右，确保有源钳位电路不提前动作。在集-射电压Vce升高并达到钳位点后，有源钳位电路注入的到IGBT的栅极g的电荷可将栅极电压Vge立即拉升至栅极门槛电压值Vgeth以上且未达到正常导通IGBT的栅极电压值，使得IGBT的所述栅极电压Vge小于预设电压值，该预设电压值大于栅极门槛电压值Vgeth，且小于IGBT正常导通时的栅极电压值，此时有源钳位可立即动作，同时，该控制电路通过输出控制电压Vb可控制栅极电压Vge，防止栅极电压Vge达到较高值，避免栅极电压Vge和集-射电压Vce出现振荡。
图5示出根据本发明另一示例实施方式的IGBT的栅极电压控制电路的示意图，图6示出根据本发明另一示例实施方式的IGBT的栅极电压控制电路的电路图，图7示出如图5所示的根据本发明另一示例实施方式的IGBT的栅极电压控制电路中的电压控制电路的另一变形例的电路图。在根据图5至图7所示的实施例中，本发明的IGBT栅极电压控制电路中的有源钳位电路设置在电压控制电路和IGBT的栅极g之间，电压控制电路设置在功率放大电路和IGBT的栅极g之间，电压控制电路直接控制IGBT栅极接收的栅极电压Vge。
如图5所示，IGBT的栅极电压控制电路包括：有源钳位电路，包括第一端和第二端，所述第一端连接于所述IGBT的集电极c，用以接收所述IGBT的集-射电压Vce，所述第二端连接于所述IGBT的栅极g；功率放大电路，包括第一端和第二端，所述功率放大电路的第一端接收驱动信号Vdr，该驱动信号Vdr由脉宽调变电路(图示未示出)输出；以及电压控制电路，包括第一端和第二端，所述电压控制电路的所述第一端连接于功率放大电路的第二端，电压控制电路的第二端耦接于IGBT的栅极g，用以输出栅极电压Vge。
在IGBT开始关断时，集-射电压Vce开始升高，但未达到钳位电压，亦即，集-射电压Vce小于钳位电压，集-射电压Vce的变化斜率du/dt通过电压控制电路向IGBT的栅极g和电压控制电路注入电荷，此时该电压控制电路可直接控制输出栅极电压Vge，使栅极电压Vge不超过栅极门槛电压值Vgeth，可防止有源钳位电路提前动作。
在IGBT的集-射电压Vce上升并超过钳位电压后，亦即IGBT的集-射电压Vce大于或等于钳位电压，有源钳位电路中的齐纳二极管(公知的有源钳位电路中通常均含有齐纳二极管)被击穿，此时注入到IGBT的栅极电荷将栅极电压Vge迅速地拉升到栅极门槛电压值Vgeth以上且未达到IGBT正常导通的栅极电压值，使得栅极电压Vge大于栅极门槛电压值Vgeth且小于预设电压值，有源钳位电路立即动作。此外，该电压控制电路直接控制栅极电压Vge，可避免栅极电压Vge被抬升至较高值，可有效改善栅极电压Vge和集-射电压Vce的振荡现象。
上述的IGBT的栅极电压控制电路，还包括栅极驱动电阻Rg，所述电压控制电路通过所述栅极驱动电阻Rg与所述IGBT的所述栅极g连接。
如图6所示，根据本发明的一实施例，电压控制电路包括第一三极管Q1、第一至第三电阻R1-R3、第一至第二二极管D1-D2和第一齐纳二极管Dz1，其中，所述第一电阻R1的第一端、所述第二二极管D2阳极及所述第三电阻R3的第一端电性连接并作为所述电压控制电路的所述第一端，连接于功率放大电路的第二端；所述第一电阻R1的第二端、所述第一三极管Q1的基极及所述第二电阻R2的第一端电性连接；所述第一三极管Q1的集电极与地线电性连接；所述第一三极管Q1的发射极、所述第二电阻R2的第二端及所述第一二极管D1阴极电性连接；所述第一二极管D1阳极与所述第一齐纳二极管Dz1阳极电性连接；所述第一齐纳二极管Dz1阴极、所述第二二极管D2阴极及所述第三电阻R3的第二端电性连接并作为所述电压控制电路的所述第二端，耦接于IGBT的栅极g。
而有源钳位电路包括第三二极管D3、第四至第五电阻R4-R5、第一至第二电容C1-C2和第二至第三齐纳二极管Dz2-Dz3，其中，所述第四电阻R4的第二端作为所述有源钳位电路的所述第二端，连接于IGBT的栅极g；所述第三二极管D3阴极与所述第四电阻R4的第一端电性连接；所述第一电容C1的第一端、所述第五电阻R5的第一端及所述第三二极管D3阳极电性连接；所述第一电容C1的第二端、所述第五电阻R5的第二端、所述第二齐纳二极管Dz2阳极及所述第二电容C2的第一端电性连接；所述第二齐纳二极管Dz2阴极、所述第二电容C2的第二端及所述第三齐纳二极管Dz3阳极电性连接；所述三齐纳二极管Dz3阴极作为所述有源钳位电路的所述第一端，连接于IGBT的集电极c。
在本实施例中，假设该电压控制电路中的齐纳二极管稳压值为5.1V。在集-射电压Vce到达钳位点前，该电压控制电路可直接将栅极电压Vge控制在5V左右，确保有源钳位电路不提前动作。在集-射电压Vce上升并达到钳位点后，有源钳位电路将电荷注入到IGBT的栅极g和电压控制电路，可将栅极电压Vge立即拉升至栅极门槛电压值Vgeth以上且未达到正常导通IGBT的栅极电压值，使得栅极电压Vge大于栅极门槛电压值Vgeth且小于预设电压值，有源钳位电路可立即动作，同时，该控制电路可防止栅极电压Vge达到较高值，避免栅极电压Vge和集-射电压Vce出现振荡。
上述实施例中的电压控制电路主要包括三极管、电阻、二极管、齐纳二极管，而下面介绍的实施例中的电压控制电路只包括电阻、二极管、齐纳二极管各一。
如图7所示，电压控制电路包括第六电阻R6、第四二极管D4和第四齐纳二极管Dz4，其中，所述第六电阻R6的第一端、所述第四二极管D4阳极和所述第四齐纳二极管Dz4阳极电性连接并作为所述电压控制电路的所述第一端；所述第六电阻R6的第二端、所述第四二极管D4阴极和所述第四齐纳二极管Dz4阴极电性连接并作为所述电压控制电路的所述第二端。
假设该齐纳二极管Dz4稳压值为20V。在集-射电压Vce升高并到达钳位电压前，该电压控制电路可直接将输出的栅极电压Vge控制在5V左右，确保有源钳位不提前动作。在集-射电压Vce升高并达到钳位点后，有源钳位电路将电荷注入到电压控制电路和IGBT的栅极g，可将栅极电压Vge立即拉升至栅极门槛电压值Vgeth以上且未达到正常导通IGBT的栅极电压值，使得栅极电压Vge大于栅极门槛电压值Vgeth且小于预设电压值，有源钳位电路可立即动作，同时，该控制电路可防止栅极电压Vge达到较高值，避免栅极电压Vge和集-射电压Vce出现振荡。
此外，根据本发明的另一实施方式，公开一种IGBT的栅极电压控制方法，包括：通过有源钳位电路接收所述IGBT的集-射电压Vce；通过功率放大电路输出栅极电压Vge；通过电压控制电路接收驱动信号Vdr并输出控制电压Vb；以及通过所述控制电压Vb控制所述栅极电压Vge。
根据本发明的一实施方式，在所述IGBT关断且所述集-射电压Vce小于钳位电压时，所述有源钳位电路向所述电压控制电路和所述IGBT的栅极注入电荷，所述电压控制电路输出的所述控制电压Vb控制所述栅极电压Vge小于栅极门槛电压值Vgeth，以防止有源钳位电路提前动作，避免产生不必要的损耗。
根据本发明的一实施方式，在所述集-射电压Vce大于或等于钳位电压时，所述有源钳位电路向所述电压控制电路和所述IGBT的栅极g注入电荷，使得所述栅极电压Vge大于栅极门槛电压值Vgeth，并通过所述电压控制电路输出的所述控制电压Vb控制所述IGBT的所述栅极电压Vge小于预设电压值，从而避免栅极电压Vge被抬升至较高的幅值导致IGBT正常导通而使栅极电压Vge和集-射电压Vce发生振荡。
进一步地，根据本发明的又一实施方式，公开一种IGBT的栅极电压控制方法，包括：通过有源钳位电路接收所述IGBT的集-射电压Vce；通过功率放大电路接收和放大驱动信号Vdr；以及通过电压控制电路接收放大后的驱动信号Vdr并输出栅极电压Vge。
根据本发明的一实施方式，在所述IGBT关断且所述集-射电压Vce小于钳位电压时，所述有源钳位电路向所述IGBT的栅极g和所述电压控制电路注入电荷，所述电压控制电路输出的所述栅极电压Vge小于栅极门槛电压值Vgeth，此时IGBT并未导通，有源钳位电路不会提前动作，因此不会产生不必要的损耗。
根据本发明的一实施方式，在所述集-射电压Vce大于或等于钳位电压时，所述有源钳位电路向所述IGBT的栅极g和所述电压控制电路注入电荷，使得所述电压控制电路输出的所述栅极电压Vge大于栅极门槛电压值Vgeth且小于预设电压值，有源钳位电路立即动作。同时，该电压控制电路直接控制栅极电压Vge，可避免栅极电压Vge被抬升至较高值，可有效改善栅极电压Vge和集-射电压Vce的振荡现象。
综上所述，根据本发明的一些实施方式，通过简单的控制电路结构，实现了在较小损耗的前提下对IGBT栅极电压Vge的有效控制，可避免有源钳位电路提前动作，减少IGBT及有源钳位支路中齐纳二极管的损耗。
根据本发明的另一些实施方式，集-射电压Vce上升并超过钳位电压后，有源钳位响应时间大大减少，可有效改善有源钳位的效果；并改善集-射电压Vce与栅极电压Vge的振荡现象，提高IGBT在串联连接应用中的可靠性。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (16)

1.一种IGBT的栅极电压控制电路，包括：
有源钳位电路，包括第一端、第二端和第三端，所述第一端连接于所述IGBT的集电极，用以接收所述IGBT的集-射电压，所述第二端连接于所述IGBT的栅极；
功率放大电路，包括第一端和第二端，所述有源钳位电路的所述第三端连接于所述功率放大电路的所述第一端，所述功率放大电路的所述第二端耦接于所述IGBT的所述栅极，用以输出栅极电压；以及
电压控制电路，包括第一端和第二端，所述电压控制电路的所述第一端用以接收驱动信号，所述电压控制电路的所述第二端连接于所述有源钳位电路的所述第三端和所述功率放大电路的所述第一端，用以输出控制电压，所述控制电压控制所述栅极电压；
其中在所述集-射电压大于或等于钳位电压时，所述有源钳位电路的所述第二端和所述第三端分别向所述IGBT的所述栅极和所述电压控制电路的所述第二端注入电荷，使得所述栅极电压大于栅极门槛电压值，并通过所述电压控制电路输出的所述控制电压控制所述IGBT的所述栅极电压小于预设电压值，该预设电压值大于栅极门槛电压值且小于IGBT正常导通时的栅极电压值。
2.如权利要求1所述的IGBT的栅极电压控制电路，其特征在于，所述电压控制电路包括：
第一三极管、第一至第三电阻、第一至第二二极管和第一齐纳二极管，其中，
所述第一电阻的第一端、所述第二二极管阳极及所述第三电阻的第一端电性连接并作为所述电压控制电路的所述第一端，用以接收所述驱动信号；
所述第一电阻的第二端、所述第一三极管的基极及所述第二电阻的第一端电性连接；
所述第一三极管的集电极与地线电性连接；
所述第一三极管的发射极、所述第二电阻的第二端及所述第一二极管阴极电性连接；
所述第一二极管阳极与所述第一齐纳二极管阳极电性连接；
所述第一齐纳二极管阴极、所述第二二极管阴极及所述第三电阻的第二端电性连接并作为所述电压控制电路的所述第二端，用以输出所述控制电压。
3.如权利要求1所述的IGBT的栅极电压控制电路，其特征在于，所述电压控制电路包括：
第七电阻、第五二极管和第四齐纳二极管，所述第七电阻的第一端、所述第五二极管阳极和所述第四齐纳二极管阳极电性连接并作为所述电压控制电路的所述第一端，用以接收所述驱动信号；
所述第七电阻的第二端、所述第五二极管阴极和所述第四齐纳二极管阴极电性连接并作为所述电压控制电路的所述第二端，用以输出所述控制电压。
4.如权利要求2或3所述的IGBT的栅极电压控制电路，其特征在于，所述有源钳位电路包括：第三至第四二极管、第四至第六电阻、第一至第二电容和第二至第三齐纳二极管，其中，
所述第三二极管阴极作为所述有源钳位电路的所述第三端；
所述第三二极管阳极与第四电阻的第一端电性连接；
所述第四电阻的第二端、所述第一电容的第一端、所述第五电阻的第一端及所述第四二极管阳极电性连接；
所述第一电容的第二端、所述第五电阻的第二端、所述第二齐纳二极管阳极及所述第二电容的第一端电性连接；
所述第二齐纳二极管阴极、所述第二电容的第二端及所述第三齐纳二极管阳极电性连接；
所述第三齐纳二极管阴极作为所述有源钳位电路的所述第一端；
所述第四二极管阴极与所述第六电阻的第一端电性连接；
所述第六电阻的第二端作为所述有源钳位电路的所述第二端。
5.如权利要求1所述的IGBT的栅极电压控制电路，其特征在于，在所述IGBT关断且所述集-射电压小于钳位电压时，所述有源钳位电路的所述第二端和所述第三端分别向所述IGBT的所述栅极和所述电压控制电路的所述第二端注入电荷，所述电压控制电路输出的所述控制电压控制所述栅极电压小于栅极门槛电压值。
6.如权利要求1所述的IGBT的栅极电压控制电路，还包括栅极驱动电阻，所述功率放大电路的所述第二端通过所述栅极驱动电阻与所述IGBT的所述栅极连接。
7.一种IGBT的栅极电压控制电路，包括：
有源钳位电路，包括第一端和第二端，所述第一端连接于所述IGBT的集电极，用以接收所述IGBT的集-射电压，所述第二端连接于所述IGBT的栅极；
功率放大电路，包括第一端和第二端，所述功率放大电路的第一端接收驱动信号；以及
电压控制电路，包括第一端和第二端，所述电压控制电路的所述第一端连接于所述功率放大电路的所述第二端，所述电压控制电路的所述第二端耦接于所述IGBT的栅极，用以输出栅极电压；
其中在所述集-射电压大于或等于钳位电压时，所述有源钳位电路的所述第二端向所述IGBT的所述栅极和所述电压控制电路注入电荷，所述电压控制电路输出的所述栅极电压大于栅极门槛电压值且小于预设电压值，该预设电压值大于栅极门槛电压值且小于IGBT正常导通时的栅极电压值。
8.如权利要求7所述的IGBT的栅极电压控制电路，其特征在于，所述电压控制电路包括：
第一三极管、第一至第三电阻、第一至第二二极管和第一齐纳二极管，其中，
所述第一电阻的第一端、所述第二二极管阳极及所述第三电阻的第一端电性连接并作为所述电压控制电路的所述第一端；
所述第一电阻的第二端、所述第一三极管的基极及所述第二电阻的第一端电性连接；
所述第一三极管的集电极与地线电性连接；
所述第一三极管的发射极、所述第二电阻的第二端及所述第一二极管阴极电性连接；
所述第一二极管阳极与所述第一齐纳二极管阳极电性连接；
所述第一齐纳二极管阴极、所述第二二极管阴极及所述第三电阻的第二端电性连接并作为所述电压控制电路的所述第二端。
9.如权利要求7所述的IGBT的栅极电压控制电路，其特征在于，所述电压控制电路包括：
第六电阻、第四二极管和第四齐纳二极管，其中，
所述第六电阻的第一端、所述第四二极管阳极和所述第四齐纳二极管阳极电性连接并作为所述电压控制电路的所述第一端；
所述第六电阻的第二端、所述第四二极管阴极和所述第四齐纳二极管阴极电性连接并作为所述电压控制电路的所述第二端。
10.如权利要求8或9所述的IGBT的栅极电压控制电路，所述有源钳位电路包括：第三二极管、第四至第五电阻、第一至第二电容和第二至第三齐纳二极管，其中，
所述第四电阻的第二端作为所述有源钳位电路的所述第二端；
所述第三二极管阴极与所述第四电阻的第一端电性连接；
所述第一电容的第一端、所述第五电阻的第一端及所述第三二极管阳极电性连接；
所述第一电容的第二端、所述第五电阻的第二端、所述第二齐纳二极管阳极及所述第二电容的第一端电性连接；
所述第二齐纳二极管阴极、所述第二电容的第二端及所述第三齐纳二极管阳极电性连接；
所述第三齐纳二极管阴极作为所述有源钳位电路的所述第一端。
11.如权利要求7所述的IGBT的栅极电压控制电路，其特征在于，在所述IGBT关断且所述集-射电压小于钳位电压时，所述有源钳位电路的所述第二端向所述IGBT的所述栅极和所述电压控制电路注入电荷，所述电压控制电路输出的所述栅极电压小于栅极门槛电压值。
12.如权利要求7所述的IGBT的栅极电压控制电路，其特征在于，还包括栅极驱动电阻，所述电压控制电路通过所述栅极驱动电阻与所述IGBT的所述栅极连接。
13.一种IGBT的栅极电压控制方法，包括：
通过有源钳位电路接收所述IGBT的集-射电压；
通过功率放大电路输出栅极电压；
通过电压控制电路接收驱动信号并输出控制电压；以及
通过所述控制电压控制所述栅极电压；
其中在所述集-射电压大于或等于钳位电压时，所述有源钳位电路向所述电压控制电路和所述IGBT的栅极注入电荷，使得所述栅极电压大于栅极门槛电压值，并通过所述电压控制电路输出的所述控制电压控制所述IGBT的所述栅极电压小于预设电压值，该预设电压值大于栅极门槛电压值且小于IGBT正常导通时的栅极电压值。
14.如权利要求13所述的IGBT的栅极电压控制方法，其特征在于，在所述IGBT关断且所述集-射电压小于钳位电压时，所述有源钳位电路向所述电压控制电路和所述IGBT的栅极注入电荷，所述电压控制电路输出的所述控制电压控制所述栅极电压小于栅极门槛电压值。
15.一种IGBT的栅极电压控制方法，包括：
通过有源钳位电路接收所述IGBT的集-射电压；
通过功率放大电路接收和放大驱动信号；以及
通过电压控制电路接收放大后的驱动信号并输出栅极电压；
其中在所述集-射电压大于或等于钳位电压时，所述有源钳位电路向所述IGBT的栅极和电压控制电路注入电荷，所述电压控制电路输出的所述栅极电压大于栅极门槛电压值且小于预设电压值，该预设电压值大于栅极门槛电压值且小于IGBT正常导通时的栅极电压值。
16.如权利要求15所述的IGBT的栅极电压控制方法，其特征在于，在所述IGBT关断且所述集-射电压小于钳位电压时，所述有源钳位电路向所述IGBT的栅极和所述电压控制电路注入电荷，所述电压控制电路输出的所述栅极电压小于栅极门槛电压值。
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