CN113572464A - 一种门极电流可控的igbt驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种门极电流可控的IGBT驱动电路，所述电路通过第一采样模块将IGBT开通时的门极电流转换输出为对应的第一电压信号，通过第一放大模块提供不同的放大比例系数，以对所述第一电压信号进行放大并输出第一控制信号，所述第一控制信号用于控制所述开通MOSFET管的导通状态；又通过第二采样模块将IGBT关断时的门极电流转换输出为对应的第二电压信号，通过第二放大模块提供不同的放大比例系数，以对所述第二电压信号进行放大并输出第二控制信号，所述第二控制信号用于控制所述关断MOSFET管的导通状态。如此，IGBT开通或关断时的门极电流将被精确地控制在所需要的范围内。本发明的电路结构简单，能节约PCB板占用面积，降低开发成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体驱动电路技术领域，尤其涉及一种门极电流可控的IGBT驱动电路。
背景技术
在IGBT的应用中，为了减小开通时电流di/dt或者关断时电压dv/dt对系统的影响，通常会采用多级开关的控制策略来驱动IGBT的门极，如图1所示，通过控制图1中MOSFET管的开通与关断，使不同阻值的电阻组合为门极充电，即可控制IGBT门极电压的变化速率，进而控制门极电流的变化速率。
然而这种驱动方法的本质是遵循RC充电原理，开关过程中门极电流不可控，且在MOSFET管开关过程中门极会出现振荡，甚至会影响到IGBT的集电极电流与集射极电压波形；另外，电路设计上依据需求要设置多个开关通路，使用的MOSFET管、电阻与相应的控制电路数量众多，一定程度上占用更多的PCB面积。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种门极电流可控的IGBT驱动电路，能够精确控制门极电流，且节约PCB板占用面积，降低开发成本。
本发明为达上述目的所提出的技术方案如下：
一种门极电流可控的IGBT驱动电路，所述电路包括控制信号端、开通MOSFET管(Q1)、关断MOSFET管(Q2)，所述开通MOSFET管(Q1)的漏极与所述关断MOSFET管(Q2)的漏极电连接，并均与IGBT的门极电连接，所述开通MOSFET管(Q1)的源极电连接正压端，所述关断MOSFET管(Q2)的源极电连接负压端，所述门极电流可控的IGBT驱动电路还包括：
开关切换模块，所述开关切换模块的输入端与所述控制信号端电连接，所述开关切换模块的输出端电连接于所述开通MOSFET管(Q1)的栅极及所述关断MOSFET管(Q2)的栅极，所述开关切换模块用于根据所述PWM信号控制所述开通MOSFET管(Q1)及所述关断MOSFET管(Q2)的导通和关断；所述开通MOSFET管(Q1)和所述关断MOSFET管(Q2)中的一个处于导通状态时，另一个处于关断状态；
第一采样模块，所述第一采样模块的输入端电连接于所述开通MOSFET管(Q1)的源极，用于在所述开通MOSFET管(Q1)导通时对流经所述开通MOSFET管(Q1)的电流进行采样，并根据采样结果输出对应的第一电压信号；
第一放大模块，所述第一放大模块的第一输入端与所述第一采样模块的输出端电连接，所述第一放大模块的第二输入端电与所述控制信号端电连接，所述第一放大模块的输出端电连接于所述开通MOSFET管(Q1)的栅极，所述第一放大模块用于根据所述PWM信号调整放大比例系数，并对所述第一采样模块输出的第一电压信号进行放大，以输出对应的第一控制信号，所述第一控制信号用于控制所述开通MOSFET管(Q1)的导通状态，以控制IGBT的开通时的门极电流；
第二采样模块，所述第二采样模块的输入端电连接于所述关断MOSFET管的源极，用于在所述关断MOSFET管(Q2)导通时对流经所述关断MOSFET管(Q2)的电流进行采样，并根据采样结果输出对应的第二电压信号；
第二放大模块，所述第二放大模块的第一输入端所述第二采样模块的输出端电连接，所述第二放大模块的第二输入端电与所述控制信号端电连接，所述第二放大模块的输出端电连接于所述关断MOSFET管(Q2)的栅极，所述第二放大模块用于根据所述PWM信号调整放大比例系数，并对所述第二采样模块输出的第二电压信号进行放大，以输出对应的第二控制信号，所述第二控制信号用于控制所述关断MOSFET管(Q2)的导通状态，以控制IGBT的关断时的门极电流。
上述门极电流可控的IGBT驱动电路通过采样模块将IGBT开通或关断时的门极电流转换输出为对应的电压信号，通过放大模块提供不同的放大比例系数，以对所述电压信号进行放大并输出对应的控制信号，所述控制信号用于控制所述开通MOSFET管或关断MOSFET管的导通状态。如此，IGBT开通或关断时的门极电流将被精确地控制在所需要的范围内。本发明的电路结构简单，能够精确控制门极电流，且节约PCB板占用面积，降低开发成本。
附图说明
图1是传统技术中控制IGBT门极电流的一常见方法的电路图。
图2是本发明提供的门极电流可控的IGBT驱动电路的一较佳实施方式的电路结构示意图。
图3是图2中第一放大模块的一较佳实施方式的电路连接图。
图4是图2中第二放大模块的一较佳实施方式的电路连接图。
主要元件符号说明
开关切换模块 10
第一采样模块 11
第一放大模块 12
第二采样模块 21
第二放大模块 22
电压测量模块 30
MOSFET管 Q1、Q2、Q3、Q4
运算放大器 AMP1、AMP2
电阻 R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R2、R2
正压端 VDD
负压端 VSS
电源 VCC1、VCC2
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参考图2，图2为本发明一较佳实施方式提供的一种门极电流可控的IGBT驱动电路的结构示意图。所述门极电流可控的IGBT驱动电路包括开关切换模块10、第一采样模块11、第一放大模块12、第二采样模块21、第二放大模块22、MOSFET管Q1及MOSFET管Q2。
所述开关切换模块10的输入端与控制信号端电连接。所述开关切换模块10的输出端电连接于所述MOSFET管Q1的栅极及所述MOSFET管Q2的栅极。
所述开通MOSFET管Q1的源极电连接正压端VDD。所述开通MOSFET管Q1的漏极与所述关断MOSFET管Q2的漏极电连接，并用于与IGBT的门极电连接。所述关断MOSFET管Q2的源极电连接负压端VSS。在本实施方式中，所述正压端VDD的电压为15V，所述负压端VSS的电压为-10V。
所述第一采样模块11的输入端电连接于所述开通MOSFET管Q1的源极，所述第一采样模块11的输出端与所述第一放大模块12的第一输入端电连接。所述第一放大模块12的第二输入端电与所述控制信号端电连接。所述第一放大模块12的输出端电连接于所述开通MOSFET管Q1的栅极。
所述第二采样模块21的输入端电连接于所述关断MOSFET管Q2的源极，所述第二采样模块21的输出端与所述第二放大模块22的第一输入端电连接。所述第二放大模块22的第二输入端电与所述控制信号端电连接。所述第二放大模块22的输出端电连接于所述关断MOSFET管Q2的栅极。
所述控制信号端用于输出PWM信号。
所述开关切换模块10用于根据所述PWM信号控制所述开通MOSFET管Q1及所述关断MOSFET管Q2的导通和关断。其中，所述开通MOSFET管Q1和所述关断MOSFET管Q2中的一个处于导通状态时，另一个处于关断状态。
所述第一采样模块11用于在所述开通MOSFET管Q1导通时对流经所述开通MOSFET管Q1的电流进行采样，并根据采样结果输出对应的第一电压信号。
所述第一放大模块12用于根据所述PWM信号调整放大比例系数，并对所述第一采样模块11输出的第一电压信号进行放大，以输出对应的第一控制信号。所述第一控制信号用于控制所述开通MOSFET管Q1的导通状态，即通过控制所述开通MOSFET管Q1的不同栅极电压，从而动态控制IGBT开通时的门极电流。
所述第二采样模块21用于在所述关断MOSFET管Q2导通时对流经所述关断MOSFET管Q2的电流进行采样，并根据采样结果输出对应的第二电压信号。
所述第二放大模块22用于根据所述PWM信号调整放大比例系数，并对所述第二采样模块21输出的第二电压信号进行放大，以输出对应的第二控制信号。所述第二控制信号用于控制所述关断MOSFET管Q2的导通状态，即通过控制所述关断MOSFET管Q2的不同栅极电压，从而动态控制IGBT关断时的门极电流。
请参考图3，在本实施方式中，所述第一放大模块12包括运算放大器AMP1、MOSFET管Q3及电阻R1-R3。所述运算放大器AMP1的同相输入端电连接所述第一采样模块11的输出端。所述运算放大器AMP1的反相输入端通过电阻R1电连接于电源VCC1。所述运算放大器AMP1的反相输入端还通过电阻R2电连接于MOSFET管Q3的漏极，所述MOSFET管Q3的源极电连接于所述电源VCC1，所述MOSFET管Q3的栅极与所述控制信号端电连接。所述运算放大器AMP1的反相输入端还通过电阻R3与所述运算放大器AMP1的输出端电连接。所述电阻R1的阻值大于所述电阻R3的阻值，所述电阻R3的阻值大于所述电阻R2的阻值。所述运算放大器AMP1的输出端与所述开通MOSFET管Q1的栅极电连接。
所述运算放大器AMP1用于构成同相比例放大电路，根据虚短原理，所述运算放大器AMP1的反向输入端电压v2等于其同相输入端电压，即所述第一电压信号v1。所述运算放大器AMP1的输出端电压，即第一控制信号v3＝(1+r3/z1)*v1+vcc1*r3/z1，其中，r3为电阻R3的电阻值；vcc1为电源VCC1提供的电压值；z1为所述电阻R1及电阻R2在所述运算放大器AMP1的反向输入端所形成的阻抗值。
当IGBT需要开通时，所述开关切换模块10控制所述开通MOSFET管Q1导通(所述关断MOSFET管Q2关断)，此时所述运算放大器AMP1的输出端电压，即第一控制信号v3将逐步控制MOSFET管Q1的导通状态。具体地，在第一时间段内，所述MOSFET管Q3在PWM信号的控制下断开，此时通过设置电阻R1与R3的阻值，可使第一控制信号v3处于较低电位(所述开通MOSFET管Q1工作于线性区)，从而使得所述IGBT的门极得到一个较大的充电电流Ipk。在第二时间段内，所述MOSFET管Q3在PWM信号的控制下导通，所述电阻R1与所述电阻R2并联所形成的阻抗z1将小于所述电阻R1的阻值r1。此时通过设置电阻R2的阻值，可使第一控制信号v3处于较高电位(所述开通MOSFET管Q1仍工作于线性区)，从而使得所述IGBT的门极得到一个较小的充电电流Ipf。在第三时间段内，所述IGBT的门极电压Vge升至+15V时，所述IGBT的门极电流Ig减小，第一电压信号v1减小，此时第一控制信号v3将使得所述开通MOSFET管Q1完全开通，即工作于饱和区。
由于IGBT的门极电流Ig增大，会使得所述第一采样模块11输出的第一电压信号v1增大，在运算放大器AMP1反向输入端的阻抗z1不变的情况下，所述第一控制信号v3增大，所述IGBT的门极电流Ig将减小；反之亦然。如此，IGBT的门极电流Ig将被控制在所需要的范围内。
请参考图4，在本实施方式中，所述第二放大模块22包括运算放大器AMP2、MOSFET管Q4及电阻R4-R8。所述运算放大器AMP2的反相输入端通过电阻R4电连接所述第二采样模块21的输出端。所述运算放大器AMP2的反相输入端还通过电阻R5与所述运算放大器AMP2的输出端电连接。所述运算放大器AMP2的同相输入端通过电阻R6接地，所述运算放大器AMP2的同相输入端还通过电阻R7连接于电源VCC2，在一较佳实施方式中，所述电源VCC2与所述电源VCC1可为同一电源。所述运算放大器AMP2的同相输入端还通过电阻R8电连接于MOSFET管Q4的漏极，所述MOSFET管Q4的源极电连接于所述电源VCC2，所述MOSFET管Q4的栅极与所述控制信号端电连接。所述电阻R7的阻值大于所述电阻R6的阻值，所述电阻R7的阻值大于所述电阻R8的阻值。所述运算放大器AMP2的输出端与所述关断MOSFET管Q2的栅极电连接。
所述运算放大器AMP2用于构成同相比例放大电路，根据虚短原理，所述运算放大器AMP2的反向输入端电压v5等于其同相输入端电压v6。所述运算放大器AMP2的输出端电压，即第二控制信号v7＝(1+r5/r4)*(vcc2*r6)/(r6+z2)—v4*r5/r4，其中，r4、r5、r6分别为电阻R4、电阻R5、电阻R6的电阻值；vcc2为电源VCC2提供的电压值；z2为所述电阻R6、电阻R7及电阻R8所形成的阻抗值。
当IGBT需要关断时，所述开关切换模块10控制所述关断MOSFET管Q2导通(所述开通MOSFET管Q1关断)，此时所述运算放大器AMP2的输出端电压v7将逐步控制所述关断MOSFET管Q2的导通状态。具体地，在第四时间段内，所述MOSFET管Q4在PWM信号的控制下断开，此时通过设置电阻R4与R5的阻值，可使第二控制信号v7处于较高电位(所述关断MOSFET管Q2工作于线性区)，从而使得所述IGBT的门极得到一个较大的放电电流Ipk'。在第五时间段内，所述MOSFET管Q4在PWM信号的控制下导通，所述运算放大器AMP2的同相输入端的阻抗z2减小，第二控制信号v7处于较低电位(所述关断MOSFET管Q2仍工作于线性区)，所述IGBT的门极将得到一个较小的放电电流Ipf'。在第六时间段内，所述IGBT的门极电压Vge下降至-10V时，所述IGBT的门极电流Ig减小，第二电压信号v4减小，此时第二控制信号v7将使得所述关断MOSFET管Q2完全开通，即工作于饱和区。
由于IGBT的门极电流Ig增大，会使得所述第二采样模块21输出的第一电压信号v4增大，在运算放大器AMP2同向输入端的阻抗z2不变的情况下，所述第二控制信号v7减小，所述IGBT的门极电流Ig将减小；反之亦然。如此，IGBT的门极电流Ig将被控制在所需要的范围内。
上述门极电流可控的IGBT驱动电路通过第一采样模块11将IGBT开通时的门极电流转换输出为对应的第一电压信号，通过第一放大模块12提供不同的放大比例系数，以对所述第一电压信号进行放大并输出第一控制信号，所述第一控制信号用于控制所述开通MOSFET管Q1的导通状态；又通过第二采样模块21将IGBT关断时的门极电流转换输出为对应的第二电压信号，通过第二放大模块22提供不同的放大比例系数，以对所述第二电压信号进行放大并输出第二控制信号，所述第二控制信号用于控制所述关断MOSFET管Q1的导通状态。如此，IGBT开通或关断时的门极电流将被精确地控制在所需要的范围内。本发明的电路结构简单，能够精确控制门极电流，且节约PCB板占用面积，降低开发成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种门极电流可控的IGBT驱动电路，所述电路包括控制信号端、开通MOSFET管(Q1)、关断MOSFET管(Q2)，所述开通MOSFET管(Q1)的漏极与所述关断MOSFET管(Q2)的漏极电连接，并均与IGBT的门极电连接，所述开通MOSFET管(Q1)的源极电连接正压端，所述关断MOSFET管(Q2)的源极电连接负压端，其特征在于，所述门极电流可控的IGBT驱动电路还包括：
开关切换模块，所述开关切换模块的输入端与所述控制信号端电连接，所述开关切换模块的输出端电连接于所述开通MOSFET管(Q1)的栅极及所述关断MOSFET管(Q2)的栅极，所述开关切换模块用于根据所述PWM信号控制所述开通MOSFET管(Q1)及所述关断MOSFET管(Q2)的导通和关断；所述开通MOSFET管(Q1)和所述关断MOSFET管(Q2)中的一个处于导通状态时，另一个处于关断状态；
第一采样模块，所述第一采样模块的输入端电连接于所述开通MOSFET管(Q1)的源极，用于在所述开通MOSFET管(Q1)导通时对流经所述开通MOSFET管(Q1)的电流进行采样，并根据采样结果输出对应的第一电压信号；
第一放大模块，所述第一放大模块的第一输入端与所述第一采样模块的输出端电连接，所述第一放大模块的第二输入端电与所述控制信号端电连接，所述第一放大模块的输出端电连接于所述开通MOSFET管(Q1)的栅极，所述第一放大模块用于根据所述PWM信号调整放大比例系数，并对所述第一采样模块输出的第一电压信号进行放大，以输出对应的第一控制信号，所述第一控制信号用于控制所述开通MOSFET管(Q1)的导通状态，以控制IGBT的开通时的门极电流；
第二采样模块，所述第二采样模块的输入端电连接于所述关断MOSFET管的源极，用于在所述关断MOSFET管(Q2)导通时对流经所述关断MOSFET管(Q2)的电流进行采样，并根据采样结果输出对应的第二电压信号；
第二放大模块，所述第二放大模块的第一输入端所述第二采样模块的输出端电连接，所述第二放大模块的第二输入端电与所述控制信号端电连接，所述第二放大模块的输出端电连接于所述关断MOSFET管(Q2)的栅极，所述第二放大模块用于根据所述PWM信号调整放大比例系数，并对所述第二采样模块输出的第二电压信号进行放大，以输出对应的第二控制信号，所述第二控制信号用于控制所述关断MOSFET管(Q2)的导通状态，以控制IGBT的关断时的门极电流。
2.根据权利要求1所述的门极电流可控的IGBT驱动电路，其特征在于，所述第一放大模块包括运算放大器(AMP1)、MOSFET管(Q3)、电阻(R1)、电阻(R1)、及电阻(R3)，所述运算放大器(AMP1)的同相输入端电连接所述第一采样模块的输出端，所述运算放大器(AMP1)的反相输入端通过所述电阻(R1)电连接于电源(VCC1)，所述运算放大器(AMP1)的反相输入端还通过所述电阻(R2)电连接于所述MOSFET管(Q3)的漏极，所述MOSFET管(Q3)的源极电连接于所述电源(VCC1)，所述MOSFET管(Q3)的栅极与所述控制信号端电连接，所述运算放大器(AMP1)的反相输入端还通过所述电阻(R3)与所述运算放大器(AMP1)的输出端电连接，所述运算放大器(AMP1)的输出端与所述开通MOSFET管(Q1)的栅极电连接。
3.根据权利要求2所述的门极电流可控的IGBT驱动电路，其特征在于，所述电阻(R1)的阻值大于所述电阻(R3)的阻值，所述电阻(R3)的阻值大于所述电阻(R2)的阻值。
4.根据权利要求1所述的门极电流可控的IGBT驱动电路，其特征在于，所述第二放大模块包括运算放大器(AMP2)、MOSFET管(Q4)、电阻(R4)、电阻(R5)、电阻(R6)、电阻(R7)及电阻(R8)，所述运算放大器(AMP2)的反相输入端通过电阻(R4)电连接所述第二采样模块的输出端，所述运算放大器(AMP2)的反相输入端还通过电阻(R5)与所述运算放大器(AMP2)的输出端电连接，所述运算放大器(AMP2)的同相输入端通过电阻(R6)接地，所述运算放大器(AMP2)的同相输入端还通过电阻(R7)连接于电源(VCC2)，所述运算放大器(AMP2)的同相输入端还通过电阻(R8)电连接于MOSFET管(Q4)的漏极，所述MOSFET管(Q4)的源极电连接于所述电源(VCC2)，所述MOSFET管(Q4)的栅极与所述控制信号端电连接，所述运算放大器(AMP2)的输出端与所述关断MOSFET管(Q2)的栅极电连接。
5.根据权利要求4所述的门极电流可控的IGBT驱动电路，其特征在于，所述电阻(R7)的阻值大于所述电阻(R6)的阻值，所述电阻(R7)的阻值大于所述电阻(R8)的阻值。
6.根据权利要求1所述的门极电流可控的IGBT驱动电路，其特征在于，所述正压端的电压为15V，所述负压端的电压为-10V。
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