CN112187231A - 一种用于线变关系识别的igbt串联栅极端均压电路 - Google Patents

一种用于线变关系识别的igbt串联栅极端均压电路 Download PDF

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徐剑英
孙朝杰
曾令斌
郭相泉
李显涛
高庆欢
矫振飞
李亮
张建
李伟
吴雪梅
卢峰
林志超
程艳艳
叶齐
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Abstract

本发明公开了一种用于线变关系识别的IGBT串联栅极端均压电路，该电路驱动电路基础上由电阻、电容、二极管和TVS管组成，每个IGBT两端分到的电压的关键是静态均压电阻的大小选择，当每个静态均压电阻设定相同的大小时，每个IGBT两端电压值就会维持平均分配的稳定状态，从而达到静态均压的目的；动态均压电容两端的电压不可以瞬间发生很大的改变，关断过程中，先关断IGBT的电流会转移到和动态均压电容串联的电容上，缓慢增加栅极电压，减缓关断速度；开通过程中，先开通IGBT的电压会转移至后开通的IGBT栅极上，加速其开通速度，从而达到动态均压的目的；另外IGBT两端并联TVS可以吸收高压脉冲，实现高压脉冲防护。该电路结构简单、稳定性高、可批量推广应用。

Description

一种用于线变关系识别的IGBT串联栅极端均压电路
技术领域
本发明涉及IGBT应用领域，具体是一种用于线变关系识别的IGBT串联栅极端均压电路。
背景技术
IGBT串联应用的关键，是保证各IGBT集电极和发射极两端电压VCE的均衡性。在IGBT工作时，有瞬态开通、导通、瞬态关断、关断四种工作状态。在这些工作状态下，导通和关断是一种稳定工作状态，可以称为稳态或静态。在稳定工作状态下，IGBT两端电压基本不会发生变化。瞬态开通、瞬态关断是动态工作过程，在动态工作状态下，IGBT两端电压会发生很快的跳变，后导通或先关闭的IGBT承受较大电压，容易烧毁，因此需要通过IGBT串联均压电路减少这种情况。传统的IGBT栅极驱动端变压器耦合均压电路是通过调整栅极驱动信号的延迟，使IGBT接近同时开通、同时关断，来控制IGBT切换瞬间的电压，使其达到平衡。当某一路驱动信号延迟时，通过耦合变压器，使驱动电流一致，确保IGBT同时开通，实现动态均压功能。该均压电路对IGBT自身参数不同引起的电压不均衡的效果不明显，且变压器设计过程较为麻烦，故其应用有很多限制。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种用于线变关系识别的IGBT串联栅极端均压电路，该电路可以实现静态均压、动态均压和高压脉冲防护，电路结构简单、稳定性高、成本低廉、可批量推广。
为实现上述目的，本发明提出了一种用于线变关系识别的IGBT串联栅极端均压电路，其特征在于，该电路在驱动电路基础上由电阻R11、R12、R21、R22、R31、R32，电容C11、C21、C21、C22，二极管VD11、VD12和TVS管组成，可以实现静态均压、动态均压和高压脉冲防护，在高压条件下，IGBT全部关断时，每个IGBT两端电压相同，最大误差不超过5％；IGBT导通时的脉冲下降沿时间和关断时脉冲上升沿时间均小于1us，IGBT之间的开关延迟时间小于300ns；
IGBT1的发射极与IGBT2的集电极串联；
所述TVS管并联在IGBT1集电极和IGBT2发射极两端，可以吸收高压脉冲，保护IGBT1和IGBT2；
所述电阻R11与电阻R21串联后，并联在IGBT1集电极和发射极两端；电容C11和电容C21串联后，并联在IGBT1集电极和发射极两端；二极管VD1和电阻R31串联，一端连接IGBT1门极，一端连接在电阻R11和电阻R21中间与电容C11和电容C21中间：
所述电阻R11是静态均压电阻，当IGBT1关断时两端分得的电压主要由电阻R11决定，一般取IGBT1关断电阻的电阻值的1/10。电阻R21为动态均压电阻，电容C21通过电阻R21放电，电阻值不应过大，并远小于电阻R11的电阻值，取电阻R11电阻值的1/100。电容C11是动态均压电容，当IGBT1开通和关断瞬间两端电压值突变时，电容C11应阻止电压瞬变，电容C11的电容值应远大于C21的电容值。为了有足够的能量均压，电容C11的电容值取IGBT1门极电容Cies电容值的100倍，电容C21的电容值等于Cies的电容值。
所述电阻R12与电阻R22串联后，并联在IGBT2集电极和发射极两端；电容C12和电容C22串联后，并联在IGBT2集电极和发射极两端；二极管VD2和电阻R32串联，一端连接IGBT2门极，一端连接在电阻R12和电阻R22中间与电容C12和C22中间：
所述电阻R12是静态均压电阻，当IGBT2关断时两端分得的电压主要由电阻R12决定，一般取IGBT2关断电阻的电阻值的1/10。电阻R22为动态均压电阻，电容C22通过电阻R22放电，电阻值不应过大，并远小于电阻R12的电阻值，取电阻R12电阻值的1/100。电容C12是动态均压电容，当IGBT2开通和关断瞬间两端电压值突变时，电容C12应阻止电压瞬变，电容C12的电容值应远大于电容C22的电容值。为了有足够的能量均压，电容C12的电容值取IGBT2门极电容Cies电容值的100倍，电容C22的电容值等于IGBT2门极电容Cies的电容值。
IGBT1、IGBT2应选取同一厂家、同一批次、同一型号的，以保证IGBT内部参数的一致性。
串联电路中的驱动电路参数应该保持一致、用同一信号控制、布局相同，以保证驱动信号脉冲的上升时间和下降时间的一致性。
附图说明
图1为本发明用于线变关系识别的IGBT串联栅极端均压电路的原理图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明做进一步说明，以具体阐述本发明的实现原理。以下实施例仅用于更清楚地说明本发明的实现原理，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种用于线变关系识别的IGBT串联栅极端均压电路的具体工作原理如下：
IGBT1的发射极与IGBT2的集电极串联；
TVS管并联在IGBT1集电极和IGBT2发射极两端，可以吸收高压脉冲，保护IGBT1和IGBT2；
电阻R11与电阻R12串联后，并联在IGBT1集电极和发射极两端；电容C11和电容C12串联后，并联在IGBT1集电极和发射极两端；二极管VD1和电阻R13串联，一端连接IGBT1门极，一端连接在电阻R11和电阻R12中间与电容C11和C12中间：
其中电阻R11是静态均压电阻，当IGBT1关断时两端分得的电压主要由电阻R11决定，一般取IGBT1关断电阻电阻值的1/10。电阻R21为动态均压电阻，电容C21通过电阻R21放电，电阻值不应过大，并远小于电阻R11的电阻值，取电阻R11电阻值的1/100。电容C11是动态均压电容，当IGBT1开通和关断瞬间两端电压值突变时，电容C11应阻止电压瞬变，电容C11的电容值应远大于C21的电容值。为了有足够的能量均压，电容C11的电容值取IGBT1门极电容Cies电容值的100倍，电容C21的电容值等于Cies的电容值。
电阻R12与电阻R22串联后，并联在IGBT2集电极和发射极两端；电容C12和电容C22串联后，并联在IGBT2集电极和发射极两端；二极管VD2和电阻R32串联，一端连接IGBT2门极，一端连接在电阻R12和电阻R22中间与电容C12和C22中间：
其中电阻R12是静态均压电阻，当IGBT2关断时两端分得的电压主要由电阻R12决定，一般取IGBT2关断电阻电阻值的1/10。电阻R22为动态均压电阻，电容C22通过电阻R22放电，电阻值不应过大，并远小于电阻R12的电阻值，取电阻R12电阻值的1/100。电容C12是动态均压电容，当IGBT2开通和关断瞬间两端电压值突变时，电容C12应阻止电压瞬变，电容C12的电容值应远大于电容C22的电容值。为了有足够的能量均压，电容C12的电容值取IGBT2门极电容Cies电容值的100倍，电容C22的电容值等于IGBT2门极电容Cies的电容值。
IGBT开通过程：IGBT1、IGBT2同时开通过程中，驱动电路输出信号由负电压变化为正电压，IGBT两端电压由VCE/2逐渐减小为零的过程中，由于电容C11两端电压值不可以瞬间发生很大改变，电容C11开始对电容C21反方向充电，电容C11电压为上正下负，电容C12电压上负下正。二极管VD1截止，两个电容通过静态分压电阻R11、电阻R21放电。
IGBT静态导通：假设两个串联开关IGBT1、IGBT2均处于导通状态，驱动电路输出为高电平，两个IGBT两端电压均为零。
IGBT关断过程：IGBT1、IGBT2开始关断，驱动电路输出信号由正逐渐变为负，流过IGBT集射极电流逐渐减小最后变为零，两端承受电压不断升高，由于电容C11电容值很大，其两端电压不会突变，因此电容C21两端电压由上负下正变为零电压。因此IGBT两端承受的电压为电容C11的电压值，即VIGBT1＝VIGBT2＝VC11+VC21＝VC11＝VCE/2。
IGBT静态关断：当IGBT1、IGBT2处于关断状态时，驱动电路输出信号为负，IGBT两端电压主要有静态分压电阻R11、电阻R21决定，VIGBT1＝VIGBT2＝VCE/2。
IGBT驱动延时：如果两个驱动电路的栅极信号产生了时间差，IGBT1优先导通，后导通的IGBT2两端电压上升速率就会增快。由于电容C12的电容值远大于电容C22的电容值，电容C12相当于一个电流源，在IGBT2两端承受的电压突然变高的情况下，电容C22就会被电容C12充电，电容C21电压极性变为上正下负，电容C21增大的电压会加在IGBT2的栅极，增大栅极驱动电压，这就会加快IGBT2的导通。当IGBT1优先于IGBT2关断，IGBT1两端电压上升速率变大，均压电路调控过程同上，IGBT1栅极驱动电压会变大，减缓其关断速度。
综上所述，栅极驱动端均压电路静态均压过程为：每个IGBT两端分到的电压的关键是并联电阻R11的大小选择，当每个电阻R11设定相同的大小时，每个IGBT两端电压值就会维持平均分配的稳定状态，从而达到静态均压的目的；动态均压过程为：电容C11两端的电压不可以瞬间发生很大的改变，关断过程中，先关断IGBT的电流会转移到和它并联的电容C21上，缓慢增加栅极电压，减缓关断速度；开通过程中，先开通的电压转移至后开通的IGBT栅极上，加速其开通速度。
以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。

Claims (9)

1.一种用于线变关系识别的IGBT串联栅极端均压电路，其特征在于，该电路在驱动电路基础上由电阻R11、R12、R21、R22、R31、R32，电容C11、C21、C21、C22，二极管VD11、VD12和TVS管组成，可以实现静态均压、动态均压和高压脉冲防护，在高压条件下，IGBT全部关断时，每个IGBT两端电压相同，最大误差不超过5％；IGBT导通时的脉冲下降沿时间和关断时脉冲上升沿时间均小于1us，IGBT之间的开关延迟时间小于300ns。
2.根据权利要求1所述一种用于线变关系识别的IGBT串联栅极端均压电路，其特征在于，IGBT1的发射极与IGBT2的集电极串联。
3.根据权利要求1所述一种用于线变关系识别的IGBT串联栅极端均压电路，其特征在于，所述TVS管并联在IGBT1集电极和IGBT2发射极两端，可以吸收高压脉冲，保护IGBT1和IGBT2。
4.根据权利要求1所述一种用于线变关系识别的IGBT串联栅极端均压电路，其特征在于，电阻R11与电阻R21串联后，并联在IGBT1集电极和发射极两端；电容C11和电容C21串联后，并联在IGBT1集电极和发射极两端；二极管VD1和电阻R31串联，一端连接IGBT1门极，一端连接在电阻R11和电阻R21中间与电容C11和C21中间。
5.根据权利要求4所述一种用于线变关系识别的IGBT串联栅极端均压电路，其特征在于，其中电阻R11是静态均压电阻，当IGBT1关断时两端分得的电压主要由电阻R11决定，一般取IGBT1关断电阻电阻值的1/10；电阻R21为动态均压电阻，电容C21通过电阻R21放电，电阻值不应过大，并远小于电阻R11的电阻值，取电阻R11电阻值的1/100；电容C11是动态均压电容，当IGBT1开通和关断瞬间两端电压值突变时，电容C11应阻止电压瞬变，电容C11的电容值应远大于C21的电容值；为了有足够的能量均压，电容C11的电容值取IGBT1门极电容Cies电容值的100倍，电容C21的电容值等于Cies的电容值。
6.根据权利要求1所述一种用于线变关系识别的IGBT串联栅极端均压电路，其特征在于：电阻R12与电阻R22串联后，并联在IGBT2集电极和发射极两端；电容C12和电容C22串联后，并联在IGBT2集电极和发射极两端；二极管VD2和电阻R32串联，一端连接IGBT2门极，一端连接在电阻R12和电阻R22中间与电容C12和C22中间。
7.根据权利要求6所述一种用于线变关系识别的IGBT串联栅极端均压电路，其特征在于：电阻R12是静态均压电阻，当IGBT2关断时两端分得的电压主要由电阻R12决定，一般取IGBT2关断电阻电阻值的1/10；电阻R22为动态均压电阻，电容C22通过电阻R22放电，电阻值不应过大，并远小于电阻R12的电阻值，取电阻R12电阻值的1/100；电容C12是动态均压电容，当IGBT2开通和关断瞬间两端电压值突变时，电容C12应阻止电压瞬变，电容C12的电容值应远大于电容C22的电容值；为了有足够的能量均压，电容C12的电容值取IGBT2门极电容Cies电容值的100倍，电容C22的电容值等于IGBT2门极电容Cies的电容值。
8.根据权利要求1所述一种用于线变关系识别的IGBT串联栅极端均压电路，其特征在于，所述IGBT1、IGBT2为同一厂家、同一批次、同一型号的IGBT，以确保IGBT内部参数一致。
9.根据权利要求1所述一种用于线变关系识别的IGBT串联栅极端均压电路，其特征在于：串联电路中的驱动电路参数应该保持一致、用同一信号控制、布局相同，以保证驱动信号脉冲的上升时间和下降时间的一致性。
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