CN111010157B - 一种抑制igbt关断过电压的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及功率半导体器件开关过压保护领域，具体是一种抑制IGBT关断过压的方法。本发明的目的是提供一种复合抑制IGBT关断过压的方法，从而使得电路正常工作。该方法，用传统的有源电压钳位法与动态电容反馈法优化结合起来组成抑制过电压的单元电路，以电容、电阻组成的动态电容反馈过电压抑制电路利用IGBT关断时两端产生的过电压对电容进行充电后通过电阻释放大电流，流向驱动前级与功率放大电路，从而提高门级电位，抑制IGBT过电压的升高；以稳压管、二极管、电阻等组成的有源电压钳位抑制电路对IGBT关断时两端产生的过电压在超过钳位管电压时进行钳位从而使得电流流向门级，最终抑制IGBT的过电压。此方法既克服了传统的有源电压钳位法与动态电容反馈法各自的问题，又大大提高了抑制IGBT过电压的效果，其社会效益与经济效益大大提高。

Description

一种抑制IGBT关断过电压的方法
技术领域
本发明涉及功率半导体器件关断过压保护领域，具体是一种复合抑制功率半导体器件关断过压的方法。
背景技术
随着电力电子技术与集成电路技术的不断发展，以往的功率半导体器件已经不能够满足它们的要求，而绝缘栅双极型晶体管(IGBT)因具有开关速度高，开关损耗小，驱动功率小等优点成为近年来电力电子领域中需求越来越大的一种器件。IGBT是由晶体管(GTR)和绝缘栅型场效应管(MOSFET)组合而成的复合全控型电压驱动式器件，它将GTR和MOSFET的各自优点集于一身，既有的电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点，又有的输入阻抗高、开关速度高、通态电压低等优点。这些优点让它成为电力电子领域、汽车行业、集成电路领域中应用最广、发展最快的一种功率半导体器件。但是其在关断时会产生瞬间的过电压，一般过电压的时间为us级，在短时间内承受极大的过电压极容易导致开关管损坏的现象，从而会影响电路的稳定情况，而为了确保IGBT在电路中稳定关断，必须配置一定的抑制电路来减小过电压的大小。传统的抑制IGBT关断尖峰电压的方法有栅极电阻控制法、无源网络吸收法、有源电压钳位法、动态电容反馈法等。无源网络吸收法与栅极电阻控制法的优点是电路结构设计简单，但是其损耗高，反映速度慢。有源电压钳位法和动态电容反馈法都是利用反馈原理，将IGBT的集电极的电压或电流反馈到控制门极，对IGBT关断过程进行控制，从而实现IGBT器件关断过电压抑制。其优点是反映速度快，并且调整范围宽，但是电路结构设计较复杂。本文的发明将传统的有源电压钳位法与动态电容反馈法优化结合起来，共同抑制IGBT关断时产生的过电压。
发明内容
本发明的目的是提供一种抑制IGBT关断过压的方法，从而使得电路正常工作。该方法，用传统的有源电压钳位法与动态电容反馈法优化结合起来组成抑制过电压的单元电路，以电容、电阻组成的动态电容反馈过电压抑制电路利用IGBT 关断时两端产生的过电压对电容进行充电后通过电阻释放大电流，流向驱动前级与功率放大电路，从而提高门级电位，抑制IGBT过电压的升高；以稳压管、二极管、电阻等组成的有源电压钳位抑制电路对IGBT关断时两端产生的过电压在超过钳位管电压时进行钳位从而使得电流流向门级，最终抑制IGBT的过电压。此方法既克服了传统的有源电压钳位法与动态电容反馈法各自的问题，又大大提高了抑制IGBT过电压的效果，其社会效益与经济效益大大提高。
1、本发明实现发明目的采用如下技术方案：
一种抑制IGBT关断过电压的方法，由传统的有源电压钳位法与动态电容反馈法优化结合而成，所述的有源电压钳位法是吸收传统的思想加以优化，其是在稳压管、二极管等器件或者接法的基础上针对其思想加以优化，以克服自身的缺点；所述的动态电容反馈法也是在吸收传统的思想加以优化，在一个电容的基础上对其思想采取合适的电路加以优化。
所述的有源电压钳位法的思想是指IGBT关断时两端产生的过电压在超过钳位管电压时反向击穿从而对集电极电位进行钳位然后通过与其反向连接的二极管流向门级，但是其电流也会流向驱动前级造成管子误导通的问题并且其损耗也挺大。针对这一问题可以采取两个阻值相等的电阻将其引流的电流进行分流，一部分引入功率放大电路前级，一部分引入门级，这样可以控制电流的流向并且采取两个不同电压等级的稳压管分阶段钳位集电极电压，使得门级电位慢慢上升，平衡IGBT关断过程中的损耗和浪涌电压抑制能力，提高了系统的稳定性。
所述的动态电容反馈法的思想是利用IGBT的米勒电容效应原理在栅极与集电极之间添加一个反馈电容，在集电极电压变化时动态的控制电流流向门级，其缺点与传统的有源电压钳位相似。因此可以采取将电容加在集电极与功率放大电路如推挽电路的输入级串联一个电阻并加一个开关/开关管在检测到电压达到母线电压90％时闭合开关或者使开关管导通，使反馈电容与串联电阻加入抑制电路中。其串联电阻是控制电容充放电速度并且抑制电容发生谐振的重要器件，其大小由实际需要所定。
进一步的，所述的优化的有源电压钳位单元电路与动态电容反馈单元电路在开关闭合/开关管导通时动态电容反馈单元电路先发挥作用然后在过电压超过第一个稳压管的最大电压时有源电压钳位单元电路开始与动态电容反馈单元电路一起起抑制作用，通过合理的设置数值可以很好的抑制IGBT两端的过电压。
本发明的有益效果：
1、本发明采用的有源电压钳位单位电路是接在IGBT的集电极与功率放大电路的输入级两处，通过功率放大电路对流过的电流产生的压降进行放大再提高门级电位的电压与直接提高门级的电压共同减缓IGBT关断速度，从而抑制IGBT 关断过电压。
2、本发明采用的动态电容反馈单元电路是在开关命令执行和加入的，这样避免了反馈电容在IGBT集射级电压没有超过母线电压之前就将集电极的电压拉低。并且通过电压检测电路可以精确地捕捉集电极的电压大小，准确地投入抑制电路，有助于避免动态电容反馈单元电路对过电压的误干扰，也有助于资源的节约与功耗的减小。
3、本发明采用的电压检测电路可以是现在普遍应用的电路但具有对动态电容反馈单元电路的开关/开关管执行命令的功能。
附图说明
图1是一种抑制IGBT关断过电压的方法的流程图
图2是一种抑制IGBT关断过电压的方法的实施例的示意图
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明做进一步解释说明：
本发明，是用传统的有源电压钳位法与动态电容反馈法优化结合起来组成抑制过电压的单元电路，以电容、电阻组成的动态电容反馈过电压抑制电路利用 IGBT关断时两端产生的过电压对电容进行充电后通过电阻释放大电流，流向驱动前级与功率放大电路，从而提高门级电位，抑制IGBT过电压的升高；以稳压管、二极管、电阻等组成的有源电压钳位抑制电路对IGBT关断时两端产生的过电压在超过钳位管电压时进行钳位从而使得电流流向门级，最终抑制IGBT的过电压。此方法既克服了传统的有源电压钳位法与动态电容反馈法各自的问题，又大大提高了抑制IGBT过电压的效果，为IGBT过电压保护起到了重要的理论与应用意义。
参照图1、图2，一种IGBT关断过电压抑制方法的具体步骤如下：
步骤一：当检测电路检测到IGBT集电极电压达到母线电压90％时对开关下命令，开关闭合，具体如图2所示，动态电容反馈单元电路接入主电路。
步骤二：动态电容反馈单元电路参与对IGBT集射极过电压的抑制，电容进行充放电，通过功率放大电路提高门级电位。具体如图2所示：电容Cf利用过电压进行充电然后通过电阻R2进行放电，R2的阻值不大所以大部分电流经R1 流入信号级，在R1上产生的压降经放大电路放大用于提高门级电位。
步骤三：当过电压超过有源电压钳位单元电路中的第一个稳压管时此单元电路开始对IGBT关断过程分阶段控制，先是使门级提高一点然后当过电压超过第二个稳压管的电压时使得门级电位提高许多，对IGBT的关断过程进行分阶段控制，缓和IGBT关断的速度。
步骤四：有源电压钳位单元电路与动态电容反馈单元电路同时抑制IGBT过电压。
步骤五：当过电压等于母线电压时开关断开，动态电容反馈电路与主电路分开，IGBT关断结束。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.一种抑制IGBT关断过电压的方法，其特征在于：步骤一：当检测电路检测到IGBT集电极电压达到母线电压90％时对开关下命令，开关闭合，动态电容反馈单元电路接入主电路；步骤二：动态电容反馈单元电路参与对IGBT集射极过电压的抑制，电容进行充放电，通过功率放大电路提高门级电位，电容Cf利用过电压进行充电然后通过电阻R2进行放电，R2的阻值不大所以大部分电流经R1流入信号级，在R1上产生的压降经放大电路放大用于提高门级电位；步骤三：当过电压超过有源电压钳位单元电路中的第一个稳压管时此单元电路开始对IGBT关断过程分阶段控制，先是使门级提高一点然后当过电压超过第二个稳压管的电压时使得门级电位提高许多，对IGBT的关断过程进行分阶段控制，缓和IGBT关断的速度；步骤四：有源电压钳位单元电路与动态电容反馈单元电路同时抑制IGBT过电压；步骤五：当过电压等于母线电压时开关断开，动态电容反馈电路与主电路分开，IGBT关断结束。
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