CN110474625B - 用于双管igbt的门极吸收抑制及短路保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力电子器件技术领域，涉及一种用于双管IGBT的门极吸收抑制及短路保护电路，包括：焊接于PCB板上的用于上管IGBT的第一采集电路、用于下管IGBT的第二采集电路；第一采集电路包括短路保护电路、过压抑制电路及滤波吸收稳压电路，短路保护电路的输出端分别与过压抑制电路、滤波吸收稳压电路连接，过压抑制电路的输出端经过单相过压抑制二极管与滤波吸收稳压电路连接；第二采集电路与第一采集电路的结构相同，相互独立。该电路可用于1700V双管封装的高压大功率IGBT，实现驱动信号的可靠工作，并有效抑制IGBT关断时产生的反向电压瞬时高脉冲，在出现短路时，快速有效地保护IGBT。

Description

用于双管IGBT的门极吸收抑制及短路保护电路

技术领域

本发明属于电力电子器件技术领域，涉及双管IGBT，具体涉及一种用于双管IGBT的门极吸收抑制及短路保护电路。

背景技术

近年来，IGBT功率器件在电力变换电路中应用越来越广泛，IGBT工作在高电压和大电流状态下，周围电磁环境很复杂，来自IGBT驱动板的驱动信号在传输到IGBT的过程中，可能会受到电磁干扰，造成IGBT误导通或开关状态失控，进而造成电路故障或器件损坏；另外，IGBT在关断过程中，在C、E端子间会产生瞬间的过电压，这种瞬间的高反向过电压有时高达几百到上千伏，对IGBT的安全工作造成极大威胁。因此，需要对IGBT的门极过电压进行吸收抑制及短路保护。

目前，现有技术有：1)大部分低电压等级(1700V)的IGBT在应用时未使用门极吸收抑制电路，或此电路模块未直接安装在IGBT上，而是设置在驱动电路板上，这样会造成IGBT的抗电磁干扰能力较差，当驱动输出到IGBT的线路较长时，信号易受干扰，IGBT会误导通或开关失控；且无过压抑制保护功能，IGBT可能因此损坏。2)现有1700V电压等级的门极电路模块仅有吸收、抑制功能，无法对IGBT进行短路保护，退饱和检测，不能实现对IGBT进行快速地有效保护；3)现有1700V电压等级的门极吸收及短路保护电路模块设计是针对单管IGBT，无法适用1700V电压等级高压大功率双管IGBT的吸收抑制及短路保护；4)现有1700V电压等级的门极吸收电路模块与驱动板之间信号的连接主要单股线缆焊接在PCB板上或者通过占用空间较大的连接器连接，不适合小空间产品设计。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种用于双管IGBT的门极吸收抑制及短路保护电路，一方面保证IGBT门极驱动信号的稳定，在IGBT关断反压过高时，实现电压箝位，使IGBT不被高电压损坏；另一方面进行IGBT的C极电压采集，以便进行IGBT短路保护；同时采用一块电路板实现了双管IGBT的门极过电压的吸收和IGBT短路保护。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种用于双管IGBT的门极吸收抑制及短路保护电路，包括：焊接于PCB板上的用于上管IGBT的第一采集电路、用于下管IGBT的第二采集电路；所述第一采集电路包括短路保护电路、过压抑制电路及滤波吸收稳压电路，所述短路保护电路的输出端分别与过压抑制电路、滤波吸收稳压电路连接，所述过压抑制电路的输出端经过单相过压抑制二极管与滤波吸收稳压电路连接；所述第二采集电路与第一采集电路的结构相同，相互独立。

进一步地，所述短路保护电路的输出端包括经电阻R116、R117分压形成的输出端A，经电阻R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19分压形成的输出端SC1，所述输出端A与滤波吸收稳压电路连接，所述输出端SC1与IGBT驱动短路保护电路相接，输入端B与上管IGBT的端子C1连接。

进一步地，所述过压抑制电路包括依次串联的双向过压抑制二极管D14、单相过压抑制二极管D11、D12、D13，所述过压抑制电路的输入端与上管IGBT的端子C1连接，输出端与上管IGBT的门极触发端子G1连接。

进一步地，所述滤波吸收稳压电路包括用于防止栅极驱动电路出现高压尖峰的箝位稳压电路和门极开通延缓充电电路。

进一步地，所述箝位稳压电路包括并联连接的二极管D17、D18，并联连接的电容C13、C14、C15，所述二极管D17、D18的阴极均与并联电容C13、C14、C15的一端连接。

进一步地，所述门极开通延缓充电电路包括二极管D16及并联连接的电容C11、C12，所述二极管D16的阳极与二极管D17、D18的阳极连接，所述二极管D16、D17、D18的阳极与上管IGBT的端子G1连接；所述二极管D16的阴极均与并联电容C11、C12的一端连接，并联电容C11、C12的一端与并联电容C13、C14、C15的另一端连接，并联电容C11、C12的另一端分别与短路保护电路的输出端A、上管IGBT的端子E1连接。

进一步地，所述上管IGBT的端子C1、G1、E1分别与IGBT上管的集电极辅助端子C、门极端子G和发射极辅助端子E连接。

进一步地，所述上管IGBT的端子C1、G1、E1利用PCB板焊盘通过螺栓与驱动输出的线束端子对应连接。

进一步地，所述PCB板上设置有镂空结构，所述镂空结构包括用于将第一采集电路、第二采集电路隔开的第一镂空结构，用于将高压采样信号端C1和低压驱动信号端G1、E1隔离的第二镂空结构。

进一步地，所述第一采集电路、第二采集电路包括的电子元器件均采用贴片封装，所述第一采集电路与上管IGBT、所述第二采集电路与下管IGBT的连接均采用间距为1.27mm±0.2mm的D型15针航空连接器及同轴电缆连接。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：通过在PCB板上焊接第一采集电路及第二采集电路，在与双管IGBT安装连接后，解决了驱动输出到IGBT的过程中，信号易受干扰的问题；通过增加短路保护电路的设计，通过与IGBT驱动电路内部设置的比较器进行比较，保证IGBT在出现短路或退饱和时可以快速检测到，实现了对双管IGBT的短路保护；通过增加过压抑制电路，有效抑制了反向过压的进一步上升，解决了IGBT过流关断时，反向过电压太大，容易损坏IGBT的问题；通过滤波吸收电路中的箝位稳压电路，实现对IGBT的G、E端子间驱动脉冲的箝位稳压，保证驱动电压箝位在20V以下；通过滤波吸收电路中的门极开通延缓充电电路，在门极电压超过二极管D16的击穿电压，开始对电容充电，延缓IGBT的开通速度，改善了IGBT开通性能表现，减小了开通时刻电流的冲击。

此外，通过在PCB板上增加镂空结构的设计，第一镂空结构将第一采集电路、第二采集电路分开，保证两部分电路相互独立；同时，第二镂空结构用于实现低压驱动信号端(G1、E1端子及G2、E2端子)和高压采样信号端(C1、C2端子)间的隔离；第一采集电路、第二采集电路与双管IGBT的连接均采用间距为1.27mm±0.2mm的D型15针航空连接器及同轴电缆的连接方式，既能实现信号的可靠传输，又能实现狭小安装空间的电路模块的安装。

附图说明

图1为本发明提供的用于双管IGBT的门极吸收抑制及短路保护电路整体结构布局图；

图2为本发明提供的用于上管IGBT的门极吸收抑制及短路保护电路图；

图3为本发明提供的用于下管IGBT的门极吸收抑制及短路保护电路图；

图4为本发明提供的用于上管IGBT的门极吸收抑制及短路保护电路的实际布局图。

其中：1、第一采集电路；2、第二采集电路；3、短路保护电路；4、过压抑制电路；5、滤波吸收稳压电路；6、第一镂空结构；7、第二镂空结构。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细描述：

实施例1：

参见图1所示，本发明提供了一种用于双管IGBT的门极吸收抑制及短路保护电路，其整体结构布局如下：该电路包括焊接于PCB板上的用于上管IGBT的第一采集电路1、用于下管IGBT的第二采集电路2；参见图2所示，第一采集电路1包括短路保护电路3、过压抑制电路4及滤波吸收稳压电路5，短路保护电路3的输出端分别与过压抑制电路4、滤波吸收稳压电路5连接，过压抑制电路4的输出端经过单相过压抑制二极管D15与滤波吸收稳压电路5连接；第二采集电路2与第一采集电路1的结构相同，相互独立。

进一步地，参见图4所示，短路保护电路3的输出端包括经电阻R116、R117分压后的输出端A(其中，电阻R116的阻值为200k，R117的阻值为100k)，经电阻R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19分压后的输出端SC1(电阻R11-R14的阻值为100k，电阻R15-R19的阻值为200k)，输出端A与滤波吸收稳压电路5连接，输出端SC1与IGBT驱动短路保护电路相接，输入端B与上管IGBT的端子C1连接。通过电阻分压避免了C极高压直接引入驱动电路板；同时，通过调整电阻阻值，使得测试点SC1的电压达到所配置IGBT的短路保护电压，即10.2V，通过与驱动电路内部设置的比较器进行比较，保证IGBT在出现短路或退饱和时可以快速检测到，达到有效保护IGBT。

进一步地，过压抑制电路4包括依次串联的双向过压抑制二极管D14(型号为P6SMB350CA)、单相过压抑制二极管D11(型号为P6SMB300A)、D12(型号为P6SMB300A)、D13(型号为P6SMB400A)，过压抑制电路4的输出端与上管IGBT的端子C1连接。在IGBT反向关断过程中，集电极C上的高电压瞬时尖峰超过D11、D12、D13、D14的击穿电压时，过压抑制二极管D16(型号为SMBJ6.5A)上的电压将被箝位稳定在额定电压上，此时，将有电流从集电极C经过过压抑制电路4流向门极G，调整IGBT的关断速度，从而有效抑制反向过压的进一步上升。

进一步地，滤波吸收稳压电路5包括用于防止栅极驱动电路出现高压尖峰的箝位稳压电路和门极开通延缓充电电路。箝位稳压电路，为防止栅极驱动电路出现高压尖峰，由D17(型号为STPS340U)、D18(型号为STPS340U)、C13(工作参数为4.7μF，50V)、C14(工作参数为4.7μF，50V)、C15(工作参数为4.7μF，50V)实现IGBT的G、E端子间驱动脉冲的箝位稳压，其稳压值一般与驱动电压值相近，保证将驱动电压箝位在20V以下。门极开通延缓充电电路，在门极电压超过D16的击穿电压，开始对电容充电，延缓IGBT的开通速度，改善了IGBT开通性能表现，减小了开通时刻电流的冲击。

进一步地，箝位稳压电路包括并联连接的二极管D17、D18，并联连接的电容C13、C14、C15，所述二极管D17、D18的阴极均与并联电容C13、C14、C15的一端连接。

进一步地，门极开通延缓充电电路包括二极管D16及并联连接的电容C11(电容值为47nF)、C12(电容值为220nF)，二极管D16的阳极与二极管D17、D18的阳极连接，二极管D16、D17、D18的阳极与上管IGBT的端子G1连接；二极管D16的阴极均与并联电容C11、C12的一端连接，并联电容C11、C12的一端与并联电容C13、C14、C15的另一端连接，并联电容C11、C12的另一端分别与短路保护电路的输出端、上管IGBT的端子E1连接。

进一步地，上管IGBT的端子C1、G1、E1分别与IGBT上管的集电极辅助端子C、门极端子G和发射极辅助端子E连接。

进一步地，上管IGBT的端子C1、G1、E1利用PCB板焊盘通过螺栓与驱动输出的线束端子对应连接。

进一步地，PCB板上设置有镂空结构，镂空结构包括用于将第一采集电路1、第二采集电路2隔开的第一镂空结构6，第一镂空结构6使第一采集电路1、第二采集电路2相互独立；用于将高压采样信号端C1和低压驱动信号端G1、E1隔离的第二镂空结构7。

优选地，参见图1所示，第一镂空结构6包括五个条状的镂空结构，中间镂空结构为长度为22mm、宽度为2mm的长方形竖条，其两端呈圆弧状；中间镂空结构的左上、左下、右上及右下四个位置分别设置有条状镂空结构，该条状镂空结构的高度为13mm，宽度为2mm，且与中间镂空结构平行设置。第二镂空结构7包括高度为26.5mm的条状结构及梯形结构，该梯形结构的高度与条状结构的宽度之和为10mm。

进一步地，第一采集电路1、第二采集电路2包括的电子元器件均采用贴片封装，第一采集电路1与上管IGBT、第二采集电路2与下管IGBT的连接均采用航空连接器及同轴电缆连接。优选地，航空连接器选用间距为1.27mm±0.2mm的D型15针航空等级的窄间距连接器，并采用同轴电缆传输方式与驱动板连接，既能实现信号的可靠传输，又能实现狭小安装空间的电路模块的安装。

优选地，滤波吸收稳压电路5的元器件尽量靠近IGBT的门极与发射极，以便使稳压吸收效果最理想。

实施例2：

参见图1所示，本发明提供了一种用于双管IGBT的门极吸收抑制及短路保护电路，其整体结构布局如下：电路包括焊接于PCB板上的用于上管IGBT的第一采集电路1、用于下管IGBT的第二采集电路2；参见图3所示，第二采集电路2包括短路保护电路3、过压抑制电路4及滤波吸收稳压电路5，短路保护电路3的输出端分别与过压抑制电路4、滤波吸收稳压电路5连接，过压抑制电路4的输出端经过单相过压抑制二极管D25与滤波吸收稳压电路5连接；第二采集电路2与第一采集电路1的结构相同，相互独立。

进一步地，参见图3所示，短路保护电路3的输出端包括经电阻R216、R217分压后的输出端C，经电阻R21、R22、R23、R24、R25、R26、R27、R28、R29分压后的输出端SC2，输出端C与滤波吸收稳压电路5连接，输出端SC2与IGBT驱动短路保护电路相接，输入端D与下管IGBT的端子C2连接。通过电阻分压避免了C极高压直接引入驱动电路板；同时，通过调整电阻阻值，使得测试点SC2的电压达到所配置IGBT的短路保护电压，即10.2V，通过与驱动电路内部设置的比较器进行比较，保证IGBT在出现短路或退饱和时可以快速检测到，达到有效保护IGBT。

进一步地，过压抑制电路4包括依次串联的双向过压抑制二极管D24、单相过压抑制二极管D21、D22、D23，过压抑制电路4的输出端与下管IGBT的端子C2连接。在IGBT反向关断过程中，集电极C上的高电压瞬时尖峰超过D21、D22、D23、D24的击穿电压时，过压抑制二极管D26上的电压将被箝位稳定在额定电压上，此时，将有电流从集电极C经过过压抑制电路4流向门极G，调整IGBT的关断速度，从而有效抑制反向过压的进一步上升。

进一步地，滤波吸收稳压电路5包括用于防止栅极驱动电路出现高压尖峰的箝位稳压电路和门极开通延缓充电电路。箝位稳压电路，为防止栅极驱动电路出现高压尖峰，由D27、D28、C23、C24、C25实现IGBT的G、E端子间驱动脉冲的箝位稳压，其稳压值一般与驱动电压值相近，保证将驱动电压箝位在20V以下。门极开通延缓充电电路，在门极电压超过D26的击穿电压，开始对电容充电，延缓IGBT的开通速度，改善了IGBT开通性能表现，减小了开通时刻电流的冲击。

进一步地，箝位稳压电路包括并联连接的二极管D27、D28，并联连接的电容C23、C24、C25，所述二极管D27、D28的阴极均与并联电容C23、C24、C25的一端连接。

进一步地，门极开通延缓充电电路包括二极管D26及并联连接的电容C21、C22，二极管D26的阳极与二极管D27、D28的阳极连接，二极管D26、D27、D28的阳极与下管IGBT的端子G2连接；二极管D26的阴极均与并联电容C21、C22的一端连接，并联电容C21、C22的一端与并联电容C23、C24、C25的另一端连接，并联电容C21、C22的另一端分别与短路保护电路的输出端、下管IGBT的端子E2连接。

进一步地，下管IGBT的端子C2、G2、E2分别与IGBT下管的集电极辅助端子C、门极端子G和发射极辅助端子E连接。

进一步地，下管IGBT的端子C2、G2、E2利用PCB板焊盘通过螺栓与驱动输出的线束端子对应连接。

进一步地，PCB板上设置有镂空结构，第一镂空结构6将第一采集电路1、第二采集电路2分开，使第一采集电路1、第二采集电路2相互独立；第二镂空结构7用于将高压采样信号端C2和低压驱动信号端G2、E2隔离。

优选地，参见图1所示，第一镂空结构6包括五个条状的镂空结构，中间镂空结构为长度为22mm、宽度为2mm的长方形竖条，其两端呈圆弧状；中间镂空结构的左上、左下、右上及右下四个位置分别设置有条状镂空结构，该条状镂空结构的高度为13mm，宽度为2mm，且与中间镂空结构平行设置；第二镂空结构7包括高度为26.5mm的条状结构及梯形结构，该梯形结构的高度与条状结构的宽度之和为10mm。

进一步地，第一采集电路1、第二采集电路2包括的电子元器件均采用贴片封装，第一采集电路1与上管IGBT、第二采集电路2与下管IGBT的连接均采用航空连接器及同轴电缆连接。优选地，航空连接器选用间距为1.27mm±0.2mm的D型15针航空等级用窄间距连接器，并采用同轴电缆传输方式与驱动板连接，既能实现信号的可靠传输，又能实现狭小安装空间的电路模块的安装。

优选地，滤波吸收稳压电路5的元器件尽量靠近IGBT的门极与发射极，以便使稳压吸收效果最理想。

综上，本发明提供的这种用于双管IGBT的门极吸收抑制及短路保护电路，能够应用于1700V等级双管封装的高压大功率IGBT，实现驱动信号的可靠工作，并有效抑制IGBT关断时产生的反向电压瞬时高脉冲，同时能够快速进行集电极电压采集，在出现短路时，快速有效地保护IGBT，节约维修和维护的成本，有明显的经济和社会效益。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。

应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，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 (9)

1.用于双管IGBT的门极吸收抑制及短路保护电路，其特征在于，包括：焊接于PCB板上的用于上管IGBT的第一采集电路(1)、用于下管IGBT的第二采集电路(2)；所述第一采集电路(1)包括短路保护电路(3)、过压抑制电路(4)及滤波吸收稳压电路(5)，所述短路保护电路(3)的输出端分别与过压抑制电路(4)、滤波吸收稳压电路(5)连接，所述过压抑制电路(4)的输出端经过单相过压抑制二极管与滤波吸收稳压电路(5)连接；所述第二采集电路(2)与第一采集电路(1)的结构相同，相互独立；所述PCB板上设置有镂空结构，所述镂空结构包括用于将第一采集电路(1)、第二采集电路(2)隔开的第一镂空结构(6)，用于将高压采样信号端C1和低压驱动信号端G1、E1隔离的第二镂空结构(7)。

2.根据权利要求1所述的用于双管IGBT的门极吸收抑制及短路保护电路，其特征在于，所述短路保护电路(3)的输出端包括经电阻R116、R117分压形成的输出端A，经电阻R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19分压形成的输出端SC1，所述输出端A与滤波吸收稳压电路连接，所述输出端SC1与IGBT驱动短路保护电路相接，输入端B与上管IGBT的端子C1连接。

3.根据权利要求1所述的用于双管IGBT的门极吸收抑制及短路保护电路，其特征在于，所述过压抑制电路(4)包括依次串联的双向过压抑制二极管D14、单相过压抑制二极管D11、D12、D13，所述过压抑制电路(4)的输入端与上管IGBT的端子C1连接，输出端与上管IGBT的门极触发端子G1连接。

4.根据权利要求1所述的用于双管IGBT的门极吸收抑制及短路保护电路，其特征在于，所述滤波吸收稳压电路(5)包括用于防止栅极驱动电路出现高压尖峰的箝位稳压电路和门极开通延缓充电电路。

5.根据权利要求4所述的用于双管IGBT的门极吸收抑制及短路保护电路，其特征在于，所述箝位稳压电路包括并联连接的二极管D17、D18，并联连接的电容C13、C14、C15，所述二极管D17、D18的阴极均与并联电容C13、C14、C15的一端连接。

6.根据权利要求4所述的用于双管IGBT的门极吸收抑制及短路保护电路，其特征在于，所述门极开通延缓充电电路包括二极管D16及并联连接的电容C11、C12，所述二极管D16的阳极与二极管D17、D18的阳极连接，所述二极管D16、D17、D18的阳极与上管IGBT的端子G1连接；所述二极管D16的阴极均与并联电容C11、C12的一端连接，并联电容C11、C12的一端与并联电容C13、C14、C15的另一端连接，并联电容C11、C12的另一端分别与短路保护电路的输出端A、上管IGBT的端子E1连接。

7.根据权利要求1所述的用于双管IGBT的门极吸收抑制及短路保护电路，其特征在于，所述上管IGBT的端子C1、G1、E1分别与IGBT上管的集电极辅助端子C、门极端子G和发射极辅助端子E连接。

8.根据权利要求7所述的用于双管IGBT的门极吸收抑制及短路保护电路，其特征在于，所述上管IGBT的端子C1、G1、E1利用PCB板焊盘通过螺栓与驱动输出的线束端子对应连接。

9.根据权利要求1-8任一项所述的用于双管IGBT的门极吸收抑制及短路保护电路，其特征在于，所述第一采集电路(1)、第二采集电路(2)包括的电子元器件均采用贴片封装，所述第一采集电路(1)与上管IGBT、所述第二采集电路(2)与下管IGBT的连接均采用间距为1.27mm±0.2mm的D型15针航空连接器及同轴电缆连接。

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