CN111835183A - 一种米勒钳位保护电路、驱动电路、芯片及智能igbt模块 - Google Patents

一种米勒钳位保护电路、驱动电路、芯片及智能igbt模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种米勒钳位保护电路、驱动电路、芯片及智能IGBT模块，与待驱动器件连接，包括：用于提供驱动信号的驱动主电路；用于降低电压毛刺的米勒开关；用于根据驱动主电路的中间信号自动控制米勒开关开启和关闭的米勒开关控制电路；所述驱动主电路与电源、米勒开关控制电路、米勒开关的一端及待驱动器件连接，所述米勒开关的另一端接地。本发明通过驱动主电路驱动待驱动器件，并且由驱动主电路的中间信号控制米勒开关控制电路对米勒开关进行开启或关闭，实现了自动降低电压毛刺的目的。

Description

一种米勒钳位保护电路、驱动电路、芯片及智能IGBT模块
技术领域
本发明涉及IGBT驱动领域，特别涉及一种米勒钳位保护电路、驱动电路、芯片及智能IGBT模块。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)基于它的大电流、强电压驱动的能力，在功率半导体中扮演着重要角色。大多数工业应用一般都会使用三相反相器驱动高电压、大电流的IGBT。对于这些大功率器件的栅极驱动芯片来说，以半桥驱动芯片为例，在正常工作时，由于dv/dt的存在，会使得下桥IGBT在关闭之后还会出现毛刺电压，导致IGBT误导通，此时上下桥同时导通，造成不必要的损耗，严重时会使得模组发热从而烧毁器件。
因此现有技术还有待改进和提高。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种米勒钳位保护电路、驱动电路、芯片及智能IGBT模块。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
本发明提供一种米勒钳位保护电路，与待驱动器件连接，包括：
用于提供驱动信号的驱动主电路；
用于降低电压毛刺的米勒开关；
用于根据驱动主电路的中间信号自动控制米勒开关开启和关闭的米勒开关控制电路；
所述驱动主电路与电源、米勒开关控制电路、米勒开关的一端及待驱动器件连接，所述米勒开关的另一端接地。
所述驱动主电路包括：
用于进行电平转换的电平转换电路；
用于进行延迟匹配的延迟匹配电路；
用于输出驱动信号的输出驱动电路；
用于对输出信号进行限流输出的限流电路；
所述电平转换电路、所述延迟匹配电路、所述输出驱动电路及所述限流电路依次连接，所述电平转换电路还与所述米勒开关控制电路连接。
所述限流电路包括第一电阻，所述第一电阻的一端与所述输出驱动电路的输出端连接，所述第一电阻的另一端与所述米勒开关控制电路、米勒电路及待驱动器件连接。
还包括用于提供基准电压的基准电路，所述基准电路与所述米勒开关控制电路连接。
所述米勒开关控制电路包括：
用于将输入电路与基准电压进行比较的比较电路；
用于接收并根据电平转换电路的电压和比较电路的电压输出米勒开关控制电压的开关控制电路。
所述比较电路包括比较器，所述比较器的正相输入端与所述基准电路连接，所述比较器的反相输入电路与所述驱动主电路及、米勒开关的一端及待驱动器件连接，所述比较器的输出端与所述开关控制电路连接。
所述开关控制电路包括锁存器，所述锁存器的S脚与所述比较器的输出端连接，所述锁存器的R脚与所述驱动主电路连接，所述锁存器的Q脚与所述米勒开关的栅极连接。
一种驱动电路，包括如上文所述的米勒钳位保护电路。
一种驱动芯片，包括芯片本体，所述芯片本体中封装有如上文所述的米勒钳位保护电路；所述芯片本体上设置在LO引脚，所述米勒开关及驱动主电路均通过LO脚与待驱动器件连接。
一种智能IGBT模块，包括：模块本体，所述模块本体中设置有如上文所述的米勒钳位保护电路或者如上文所述的驱动电路。
相较于现有技术，本发明提供的米勒钳位保护电路、驱动电路、芯片及智能IGBT模块，与待驱动器件连接，包括：用于提供驱动信号的驱动主电路；用于降低电压毛刺的米勒开关；用于根据驱动主电路的中间信号自动控制米勒开关开启和关闭的米勒开关控制电路；所述驱动主电路与电源、米勒开关控制电路、米勒开关的一端及待驱动器件连接，所述米勒开关的另一端接地。本发明通过驱动主电路驱动待驱动器件，并且由驱动主电路的中间信号控制米勒开关控制电路对米勒开关进行开启或关闭，实现了自动降低电压毛刺的目的。
附图说明
图1为本发明提供的米勒钳位保护电路的结构功能框图；
图2为本发明提供的智能IGBT模块的结构功能框图；
图3为本发明提供的米勒钳位保护电路的电路图。
附图标号：
智能IGBT模块10；驱动芯片100；第一上桥驱动芯片201；第二上桥驱动芯片202；第三上桥驱动芯片203；第一上桥IGBT301；第二上桥IGBT301；第三上桥IGBT301；第一下桥IGBT401；第二下桥IGBT402；第三下桥IGBT403；驱动主电路110；米勒开关控制电路120；基准电路130；电平转换电路111；延迟匹配电路112；输出驱动电路113；限流电路114；第一电阻R1；比较电路121；开关电路122；比较器U1；锁存器SR；米勒开关Q1；
具体实施方式
本发明提供一种米勒钳位保护电路、驱动电路、芯片及智能IGBT模块，与待驱动器件连接，通过驱动主电路驱动待驱动器件，并且由驱动主电路的中间信号控制米勒开关控制电路对米勒开关进行开启或关闭，实现了自动降低电压毛刺的目的。
本发明的具体实施方式是为了便于对本发明的技术构思、所解决的技术问题、构成技术方案的技术特征和带来的技术效果做更为详细的说明。需要说明的是，对于这些实施方式的解释说明并不构成对本发明的保护范围的限定。此外，下文所述的实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
为了方便理解本申请实施例，首先在此介绍本申请实施例涉及到的相关要素。
IGBT：英文全称为Insulated Gate Bipolar Transistor，即绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
电平转换电路：在电路中对I/O电压进行转换，使得不同I/O电压的器件之间能够建立通信。
延时匹配电路：延迟匹配是一项衡量标准用于表示通道之间的内部传播延迟的匹配准确度。如果在两个通道的输入端同时施加一个信号，则两个通道输出的时间延迟是延迟匹配数值。延迟匹配数值越小，栅极驱动器可以实现的性能越好。
dv/dt：dv/dt表示电压的变化率，在高压变频中，由于输出电压为一系列等幅不等宽矩形脉冲，脉冲的幅度越大，上升延或下降延时间越短，dv/dt越大。dv/dt的大小对变频器的性能和可靠性影响较大：1)dv/dt越大，变频器将承受冲击电流，可能会烧坏变频器。2)dv/dt越大，对绝缘材料损伤越大，使得绝缘材料易老化，缩短了变频器的使用寿命。3)dv/dt大，一些电子开关器件易误导通。
经发明人研究发现，在半桥IGBT驱动领域中，当IGBT关闭时，会因为dv/dt的存在，使得下桥IGBT在关闭之后还会出现毛刺电压，导致下桥IGBT误导通，从而使得上桥和下桥两个IGBT都导通，这样一来，会造成不必要的损耗，或者导致器件损坏。因此，为了有效控制IGBT的栅极电压，防止过高的毛刺电压出现，需要对电路进行重新设计，降低毛刺电压的值，以避免IGBT误导通。
鉴于现有技术存在的上述问题，本发明通过重新设计驱动芯片内部电路，将内部电路分为驱动主电路110、米勒开关控制电路120及米勒开关Q1，通过驱动主电路110驱动待驱动器件140，并且由驱动主电路110的中间信号控制米勒开关控制电路120对米勒开关Q1进行开启或关闭，实现了自动降低电压毛刺的目的。
举例说明，本实施例可应用到如图2所述的场景。在该场景中，如图2所示，图2为将IGBT驱动芯片和IGBT集成在一起，组成的智能IGBT模块10(IPM，Intelligent PowerModule)。本实施例重新设计所述IGBT驱动芯片的内部电路，使得所述IGBT驱动芯片的驱动电压脚和米勒开关Q1泄放脚合并为一个，直接与IGBT的栅极连接，得到如图1所示的一种米勒钳位保护电路。所述米勒钳位保护电路与待驱动器件140及电源连接，包括：用于提供驱动信号的驱动主电路110；用于降低电压毛刺的米勒开关Q1；用于根据驱动主电路110的中间信号自动控制米勒开关Q1开启和关闭的米勒开关控制电路120；所述驱动主电路110与电源、米勒开关控制电路120、米勒开关Q1的一端及待驱动器件140连接，所述米勒开关Q1的另一端接地。
具体实施时，本实施例中，所述驱动主电路110的输入端接入输入电压(如图1中的IN)，经过驱动主电路110处理后，输出驱动信号至待驱动器件140及米勒开关Q1，当待驱动器件140接收到驱动信号后开启；所述驱动主电路110还输出中间信号至米勒开关控制电路120，当待驱动器件140开启时，所述米勒开关控制电路120根据所述中间信号控制所述米勒开关Q1截止；而当所述驱动器件关闭时，则由所述米勒开关控制电路根据所述中间信号控制所述米勒开关Q1导通，将dv/dt产生的尖刺电压进行泄放，降低了尖刺电压的电压值，避免所述待驱动器件140误启动。特别的，本实施例中，所述待驱动器件140为IGBT，所述米勒开关Q1为MOS管。
具体的，请一并参阅图3，所述驱动主电路110包括：用于进行电平转换的电平转换电路111；用于进行延迟匹配的延迟匹配电路112；用于输出驱动信号的输出驱动电路113；用于对输出信号进行限流输出的限流电路114；所述电平转换电路111、所述延迟匹配电路112、所述输出驱动电路113及所述限流电路114依次连接，所述电平转换电路111还与所述米勒开关控制电路120连接。
具体实施时，本实施例中，由电源提供输入电压，由所述电平转换电路111接入所述输入电压，并进行电平转换得到相应的输出电压(即中间信号)分别输出至延迟匹配电路112及米勒开关控制电路120，由所述延迟匹配电路112进行延迟匹配，再输出至输出驱动电路113，由所述输出驱动电路113进行输出隔离得到驱动电压，再经过所述限流电路114限流之后，得到合适的驱动电压输出至所述待驱动器件140(即IGBT)，所述IGBT的栅极得电导通，开始工作；另一方面，所述米勒开关控制电路120接收所述电平转换电路111输出的输出电压(即中间信号)，并根据限流电路114输出的驱动电压输出相应的控制电压来控制米勒开关Q1的导通和截止。
具体的，请一并参阅图3，所述限流电路114包括第一电阻R1，所述第一电阻R1的一端与所述输出驱动电路113的输出端连接，所述第一电阻R1的另一端与所述米勒开关控制电路120、米勒电路及待驱动器件140连接。本实施例中，得到第一电阻R1将电流限定为预设值，该预设值可根据第一电阻R1的阻值进行设定，在此不做具体限定。
进一步的，请一并参阅图3，所述米勒钳位保护电路还包括用于提供基准电压的基准电路130，所述基准电路130与所述米勒开关控制电路120连接。本实施例中，通过所述基准电路130为米勒开关控制电路120提供基准电压。
具体的，请一并参阅图3，所述米勒开关控制电路120包括：用于将输入电路与基准电压进行比较的比较电路121；用于接收并根据电平转换电路111的电压和比较电路121的电压输出米勒开关Q1控制电压的开关电路122。
具体实施时，本实施例中，所述比较电路121包括比较器U1，所述比较器U1的正相输入端与所述基准电路130连接，所述比较器U1的反相输入电路与所述驱动主电路110及、米勒开关的一端及待驱动器件140连接，所述比较器U1的输出端与所述开关电路122连接。所述开关电路122包括锁存器SR，所述锁存器SR的S脚与所述比较器U1的输出端连接，所述锁存器SR的R脚与所述驱动主电路110连接，所述锁存器SR的Q脚与所述米勒开关Q1的栅极连接。
本实施例中，由所述比较器U1的正相输入端输入基准电压，由所述比较器U1的反相输入端输入限流电路114输出的驱动电压，当驱动电压高于所述基准电压时，所述比较器U1输出低电平，当驱动电压低于所述基准电压时，所述比较器U1则输出高电平。所述锁存器SR为SR锁存器。
具体的，请一并参阅图3，当要关闭所述IGBT时，所述电平转换电路111的输入电压变为低电平，则所述电平转换电路111也输出低电平的中间信号，则所述锁存器SR的R脚接入低电平，所述比较器U1的反相输入端也输入低电平。此时，所述比较器U1输出高电平至所述锁存器SR的S脚，因此，所述锁存器SR的Q脚输出高电平，进而驱动所述米勒开关Q1导通，将所述限流电路114和IGBT之间的尖刺电压泄放到地，降低所述尖刺电压至IGBT导通电压之下，避免了所述IGBT误导通。
当要再次开启所述IGBT时，所述电平转换电路111的输入电压变为高电平，则所述电平转换电路111也输出高电平的中间信号，进而所述锁存器SR的R脚接入高电平，所述比较器U1的反相输入端也输入高电平。此时，由于所述比较器U1的反相输入端电压高于正相输入端电压，因此，所述比较器U1输出低电平至所述锁存器SR的S脚，所述锁存器SR的Q脚输出低电平，控制所述米勒开关Q1截止，所述IGBT导通。在IGBT导通时，控制米勒开关Q1截止，避免米勒开关Q1降低IGBT栅极电压，仅在IGBT关闭时导通实现降低尖刺电压的目的。
特别的，本实施例中，所述基准电压设置为2V。
基于上述的米勒钳位保护电路，本发明还提供一种驱动电路，包括如上文所述的米勒钳位保护电路。可选的，所述米勒钳位保护电路可设置多个，可根据需要进行选择。例如，现有的IPM中，一般设置有3个上桥驱动电路和一个下桥驱动电路，所述下桥驱动电路中可以相应设置3个所述米勒钳位保护电路。由于所述米勒钳位保护电路已在上文进行了详细描述，在此不再详述。
基于上述的米勒钳位保护电路，本发明还提供一种驱动芯片，包括芯片本体100，所述芯片本体100中封装有如上文所述的米勒钳位保护电路；所述芯片本体上设置在LO引脚，所述米勒开关Q1及驱动主电路110均通过LO脚与待驱动器件140连接。可选的，，所述米勒钳位保护电路可设置多个，可根据需要进行选择。如图2所示，所述本实施例中的驱动芯片为图中的下桥驱动电路(LVIC)，所述下桥驱动电路(LVIC)可相应设置3个米勒钳位保护电路，分别与Lou引脚、LOv引脚和Low引脚连接，再通过所述Lou引脚、LOv引脚和Low引脚与相应的IGBT的栅极连接，以实现相应的米勒钳位保护。由于所述米勒钳位保护电路已在上文进行了详细描述，在此不再详述。
进一步地，基于上述的米勒钳位保护电路、驱动电路及驱动芯片，请参阅图2，本发明还提供一种智能IGBT模块10，包括：模块本体，所述模块本体中设置有如上文所述的米勒钳位保护电路或者如上文所述的驱动电路或者如上文所述的驱动芯片。所述智能IGBT模块10中还包括第一上桥驱动芯片201、第二上桥驱动芯片202、第三上桥驱动芯片203、第一上桥IGBT301、第二上桥IGBT302、第三上桥IGBT303、第一下桥IGBT401、第二下桥IGBT402和第三下桥IGBT403。
具体的，所述第一上桥驱动芯片201、第二上桥驱动芯片202、第三上桥驱动芯片203、上文所述的驱动芯片均与电源连接，所述第一上桥驱动芯片201还与第一上桥IGBT301的栅极连接，所述第二上桥驱动芯片202还与第二上桥IGBT302的栅极连接，所述第三上桥驱动芯片203还与第三上桥IGBT303的栅极连接；上文所述的驱动芯片还分别与所述第一下桥IGBT401、第二下桥IGBT402和第三下桥IGBT403连接；所述第一上桥IGBT301、第二上桥IGBT302、第三上桥IGBT303、第一下桥IGBT401、第二下桥IGBT402和第三下桥IGBT403这六个IGBT的集电极和发射极均与外部器件连接，实现相应的电路功能，由于IGBT的工作场景和工作原理为现有技术，在此不再详述。
综上所述，本发明提供的一种米勒钳位保护电路、驱动电路、芯片及智能IGBT模块，与待驱动器件连接，包括：用于提供驱动信号的驱动主电路；用于降低电压毛刺的米勒开关；用于根据驱动主电路的中间信号自动控制米勒开关开启和关闭的米勒开关控制电路；所述驱动主电路与电源、米勒开关控制电路、米勒开关的一端及待驱动器件连接，所述米勒开关的另一端接地。本发明通过驱动主电路驱动待驱动器件，并且由驱动主电路的中间信号控制米勒开关控制电路对米勒开关进行开启或关闭，实现了自动降低电压毛刺的目的。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种米勒钳位保护电路，其特征在于，与待驱动器件连接，包括：
用于提供驱动信号的驱动主电路；
用于降低电压毛刺的米勒开关；
用于根据驱动主电路的中间信号自动控制米勒开关开启和关闭的米勒开关控制电路；
所述驱动主电路与电源、米勒开关控制电路、米勒开关的一端及待驱动器件连接，所述米勒开关的另一端接地。
2.根据权利要求1所述的米勒钳位保护电路，其特征在于，所述驱动主电路包括：
用于进行电平转换的电平转换电路；
用于进行延迟匹配的延迟匹配电路；
用于输出驱动信号的输出驱动电路；
用于对输出信号进行限流输出的限流电路；
所述电平转换电路、所述延迟匹配电路、所述输出驱动电路及所述限流电路依次连接，所述电平转换电路还与所述米勒开关控制电路连接。
3.根据权利要求2所述的米勒钳位保护电路，其特征在于，所述限流电路包括第一电阻，所述第一电阻的一端与所述输出驱动电路的输出端连接，所述第一电阻的另一端与所述米勒开关控制电路、米勒电路及待驱动器件连接。
4.根据权利要求1所述的米勒钳位保护电路，其特征在于，还包括用于提供基准电压的基准电路，所述基准电路与所述米勒开关控制电路连接。
5.根据权利要求4所述的米勒钳位保护电路，其特征在于，所述米勒开关控制电路包括：
用于将输入电路与基准电压进行比较的比较电路；
用于接收并根据电平转换电路的电压和比较电路的电压输出米勒开关控制电压的开关控制电路。
6.根据权利要求5所述的米勒钳位保护电路，其特征在于，所述比较电路包括比较器，所述比较器的正相输入端与所述基准电路连接，所述比较器的反相输入电路与所述驱动主电路及、米勒开关的一端及待驱动器件连接，所述比较器的输出端与所述开关控制电路连接。
7.根据权利要求6所述的米勒钳位保护电路，其特征在于，所述开关控制电路包括锁存器，所述锁存器的S脚与所述比较器的输出端连接，所述锁存器的R脚与所述驱动主电路连接，所述锁存器的Q脚与所述米勒开关的栅极连接。
8.一种驱动电路，其特征在于，包括如权利要求1-7任意一项所述的米勒钳位保护电路。
9.一种驱动芯片，其特征在于，包括芯片本体，所述芯片本体中封装有如权利要求1-7任意一项所述的米勒钳位保护电路；所述芯片本体上设置在LO引脚，所述米勒开关及驱动主电路均通过LO脚与待驱动器件连接。
10.一种智能IGBT模块，其特征在于，包括：模块本体，所述模块本体中设置有如权利要求1-7任意一项所述的米勒钳位保护电路或者如权利要求8所述的驱动电路。
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