CN115580120B - 一种基于三电平拓扑结构的igbt驱动保护电路 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种基于三电平拓扑结构的IGBT驱动保护电路，该电路包括：绝缘栅双极型晶体管IGBT、IGBT驱动电路、钳位二极管、内部体二极管、母线电容以及保护器件。通过并联于IGBT驱动电路的VSS端和OUT端之间的保护器件，可以分流由绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极处电压跳变引起的瞬态电流，使瞬态电流经过保护器件至绝缘栅双极型晶体管IGBT的等效输入电容，从而减少流过IGBT驱动电路的电流，达到降低IGBT驱动电路发生闩锁效应而失效的风险的效果。

Description

一种基于三电平拓扑结构的IGBT驱动保护电路
技术领域
本申请涉及电子电路技术领域，特别是涉及一种基于三电平拓扑结构的IGBT驱动保护电路。
背景技术
由于NPC型三电平拓扑结构具有经济、高效以及性能优异等特点，在光伏逆变器、风电变流器、高压变频器以及高频电源等方面有着广泛的应用。
NPC型三电平拓扑I型结构的电路的开关转换状态较两电平结构更多，开关状态转换过程中的换流回路也更复杂。当换流回路中某个绝缘栅双极型晶体管（Insulated GateBipolar Transistor, IGBT）的开关状态发生变化时，该换流回路中的其他IGBT的发射极处电压可能会发生变化，而若某一IGBT的发射极处电压变化速率较高，也即IGBT的发射极处电压跳变，将会导致与该IGBT相连的IGBT驱动电路的应力过大，从而导致这一IGBT驱动电路功能异常，甚至失效。
由此，如何抑制IGBT的发射极处电压跳变导致的与该IGBT相连的IGBT驱动电路的应力，成为目前亟待解决的问题。
发明内容
基于上述问题，本申请提供了一种基于三电平拓扑结构的IGBT驱动保护电路，可以抑制IGBT的发射极处电压跳变导致的与该IGBT相连的IGBT驱动电路的应力。
本申请实施例公开了如下技术方案：
第一方面，本申请提供了一种基于三电平拓扑结构的IGBT驱动保护电路，所述电路包括：绝缘栅双极型晶体管IGBT、IGBT驱动电路、钳位二极管、内部体二极管、母线电容以及保护器件；
所述绝缘栅双极型晶体管IGBT、所述钳位二极管、所述内部体二极管以及所述母线电容连接为三电平拓扑I型结构，所述IGBT驱动电路的OUT端连接所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极，所述IGBT驱动电路的VEE端连接所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极，所述保护器件并联于所述IGBT驱动电路的VSS端和OUT端之间；
所述保护器件，用于分流由绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极处电压跳变引起的瞬态电流，使所述瞬态电流经过所述保护器件至所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的等效输入电容，以保护所述IGBT驱动电路。
可选地，所述保护器件，包括：二极管和/或MOS器件。
可选地，所述二极管包括：肖特基二极管。
可选地，所述MOS器件包括：NMOS器件。
可选地，当所述保护器件为二极管时，所述二极管的正极连接所述IGBT驱动电路的VSS端，所述二极管的负极连接所述IGBT驱动电路的OUT端。
可选地，当所述保护器件为MOS器件时，所述MOS器件的栅极连接所述IGBT驱动电路中NMOS器件的栅极，所述MOS器件的漏极连接所述IGBT驱动电路的OUT端，所述MOS器件的源极连接所述IGBT驱动电路的VSS端。
可选地，所述保护器件的导通电压低于所述IGBT驱动电路内部的导通电压。
可选地，所述IGBT驱动电路的OUT端通过与所述IGBT驱动电路的OUT端串联的电阻连接所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极。
第二方面，本申请提供了一种逆变器，所述逆变器包括上述第一方面中任一项所述的基于三电平拓扑结构的IGBT驱动保护电路。
相较于现有技术，本申请具有以下有益效果：
本申请提供了一种基于三电平拓扑结构的IGBT驱动保护电路，该电路包括：绝缘栅双极型晶体管IGBT、IGBT驱动电路、钳位二极管、内部体二极管、母线电容以及保护器件；绝缘栅双极型晶体管IGBT、钳位二极管、内部体二极管以及母线电容连接为三电平拓扑I型结构，IGBT驱动电路的OUT端连接绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极，IGBT驱动电路的VEE端连接绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极，保护器件并联于IGBT驱动电路的VSS端和OUT端之间；保护器件，用于分流由绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极处电压跳变引起的瞬态电流，使瞬态电流经过保护器件至绝缘栅双极型晶体管IGBT的等效输入电容，以保护IGBT驱动电路。由此，通过并联于IGBT驱动电路的VSS端和OUT端之间的保护器件，可以分流由绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极处电压跳变引起的瞬态电流，使瞬态电流经过保护器件至绝缘栅双极型晶体管IGBT的等效输入电容，从而减少流过IGBT驱动电路的电流，抑制IGBT驱动电路的应力，达到降低IGBT驱动电路发生闩锁效应而失效的风险的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种NPC型三电平拓扑I型结构的电路示意图；
图2为本申请实施例提供的一种基于三电平拓扑结构的IGBT驱动保护电路示意图；
图3为本申请实施例提供的另一种基于三电平拓扑结构的IGBT驱动保护电路示意图；
图4为本申请实施例提供的又一种基于三电平拓扑结构的IGBT驱动保护电路示意图。
具体实施方式
本申请提供的一种基于三电平拓扑结构的IGBT驱动保护电路可用于电子电路领域，上述仅为示例，并不对本发明提供的一种基于三电平拓扑结构的IGBT驱动保护电路的应用领域进行限定。
本申请说明书和权利要求书及附图说明中的术语“第一”、“第二”“第三”、和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于限定特定顺序。
在本申请实施例中，“作为示例”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“作为示例”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“作为示例”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
本申请的实施方式部分使用的术语仅用于对本申请的具体实施例进行解释，而非旨在限定本申请。
正如前文所述，在NPC型三电平拓扑I型结构的电路中，开关转换状态较两电平结构更多，开关状态转换过程中的换流回路也更复杂，当换流回路中某个IGBT的开关状态发生变化时，该换流回路中的其他IGBT的发射极处电压可能会发生变化，而若某一IGBT的发射极处电压变化速率较高，也即IGBT的发射极处电压跳变，将会导致与该IGBT相连的IGBT驱动电路的应力过大，从而导致这一IGBT驱动电路功能异常，甚至失效。
参见图1，该图为本申请实施例提供的一种NPC型三电平拓扑I型结构的电路示意图，该电路中，T1、T2、T3以及T4为4个绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate BipolarTransistor, IGBT），U1、U2、U3以及U4为IGBT驱动电路，D1、D2、D3以及D4为内部体二极管，D5和D6为钳位二极管，母线电容C1和C2串联，P为母线正电压，O为母线中点，N为母线负电压。绝缘栅双极型晶体管IGBT、钳位二极管以及内部体二极管连接为三电平拓扑I型结构，IGBT驱动电路的OUT端连接绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极，IGBT驱动电路的VEE端连接绝缘栅双极型晶体管IGBT与内部体二极管的连接点，交流电AC连接于绝缘栅双极型晶体管T2的发射极和绝缘栅双极型晶体管T3的集电极之间。
示例性地，当仅T3开启时，T2发射极处a点电压等于母线中点电压，即Va=VO；当开关状态由仅T3开启变为T3、T4共同开启时，T2发射极处a点电压等于母线负电压，即Va=VN。也即在开关状态切换的过程中，T3打开后，电流由T3和D6流向中性点实现换流，T4打开后，电流由T3、T4进行换流，a点电压由VO跳变为VN，而IGBT驱动电路U2的VEE端与a点相连，也即IGBT驱动电路U2的VEE处电压也会从VO跳变为VN，跳变的速率由T4开通速度决定，开通速度越快，产生的跳变的速率dv/dt越高，形成的瞬态电流也就越大。
IGBT驱动电路U2的VEE处电压从VO跳变为VN，导致IGBT驱动电路U2的VEE处电压低于VSS处电压，瞬态电流将从IGBT驱动电路U2的OUT端流出，经过T2的等效电容到达a点，再通过IGBT驱动电路U2的VEE端回到芯片内部。外部dv/dt越高，这一环路内的瞬间环路电流越大，采用了CMOS工艺的IGBT驱动电路很容易因此发生闩锁效应，导致其功能失效，甚至短路损坏。
有鉴于此，本申请提供了一种基于三电平拓扑结构的IGBT驱动保护电路，该电路包括：绝缘栅双极型晶体管IGBT、IGBT驱动电路、钳位二极管、内部体二极管、母线电容以及保护器件；绝缘栅双极型晶体管IGBT、钳位二极管、内部体二极管以及母线电容连接为三电平拓扑I型结构，IGBT驱动电路的OUT端连接绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极，IGBT驱动电路的VEE端连接绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极，保护器件并联于IGBT驱动电路的VSS端和OUT端之间；保护器件，用于分流由绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极处电压跳变引起的瞬态电流，使瞬态电流经过保护器件至绝缘栅双极型晶体管IGBT的等效输入电容，以保护IGBT驱动电路。由此，通过并联于IGBT驱动电路的VSS端和OUT端之间的保护器件，可以分流由绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极处电压跳变引起的瞬态电流，使瞬态电流经过保护器件至绝缘栅双极型晶体管IGBT的等效输入电容，从而减少流过IGBT驱动电路的电流，达到降低IGBT驱动电路发生闩锁效应而失效的风险的效果。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
参见图2，该图为本申请实施例提供的一种基于三电平拓扑结构的IGBT驱动保护电路示意图，该电路包括：绝缘栅双极型晶体管IGBT、IGBT驱动电路、钳位二极管、内部体二极管、母线电容以及保护器件。
示例性地，该保护电路包括4个绝缘栅双极型晶体管IGBT（T1、T2、T3和T4）、4个IGBT驱动电路（U1、U2、U3和U4）、2个钳位二极管（D5和D6）、4个内部体二极管（D1、D2、D3和D4）、2个母线电容（C1和C2）以及4个保护器件，对于保护器件，图2中仅示出IGBT驱动电路U2对应的保护器件，可以理解的是，对于IGBT驱动电路U1、U3以及U4可以使用相同的电路结构进行保护。
绝缘栅双极型晶体管IGBT、钳位二极管、内部体二极管以及母线电容连接为三电平拓扑I型结构，IGBT驱动电路的OUT端连接绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极，IGBT驱动电路的VEE端连接绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极，保护器件并联于IGBT驱动电路的VSS端和OUT端之间。
示例性地，三电平拓扑I型结构中，第一绝缘栅双极型晶体管IGBT（T1）的集电极连接母线正电压P和第一内部体二极管（D1）的负极，第一绝缘栅双极型晶体管IGBT（T1）的发射极连接第一内部体二极管（D1）的正极和第二绝缘栅双极型晶体管IGBT（T2）的集电极，第二绝缘栅双极型晶体管IGBT（T2）的集电极连接第二内部体二极管（D2）的负极，第二绝缘栅双极型晶体管IGBT（T2）的发射极连接第二内部体二极管（D2）的正极和第三绝缘栅双极型晶体管IGBT（T3）的集电极，第三绝缘栅双极型晶体管IGBT（T3）的集电极连接第三内部体二极管（D3）的负极，第三绝缘栅双极型晶体管IGBT（T3）的发射极连接第三内部体二极管（D3）的正极和第四绝缘栅双极型晶体管IGBT（T4）的集电极，第四绝缘栅双极型晶体管IGBT（T4）的集电极连接第四内部体二极管（D4）的负极，第四绝缘栅双极型晶体管IGBT（T4）的发射极连接第四内部体二极管（D4）的正极和母线负电压N，母线正电压P、第一母线电容（C1）、第二母线电容（C2）以及母线负电压N依次串联，母线中点O位于母线正电压P与母线负电压N之间，第一母线电容（C1）位于母线正电压P与母线中点O之间，第二母线电容（C2）位于母线中点O与母线负电压N之间，第一钳位二极管（D5）与第二钳位二极管（D6）串联，第一钳位二极管（D5）的负极连接第二绝缘栅双极型晶体管IGBT（T2）的集电极，第二钳位二极管（D6）的正极连接第三绝缘栅双极型晶体管IGBT（T2）的发射极，第一钳位二极管（D5）的正极与第二钳位二极管（D6）的负极连接母线中点O。由此，绝缘栅双极型晶体管IGBT、钳位二极管、内部体二极管以及母线电容连接为三电平拓扑I型结构。
IGBT驱动电路的OUT端连接绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极，可选地，在本申请提供的一些实施例中，IGBT驱动电路的OUT端通过与该IGBT驱动电路的OUT端串联的电阻连接绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极，也即IGBT驱动电路的OUT端与绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极之间可以串联电阻，电阻可以控制绝缘栅双极型晶体管IGBT的开关速度，从而降低dv/dt，也即降低IGBT驱动电路失效的风险。
IGBT驱动电路的VEE端连接绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极，可选地，IGBT驱动电路的VEE端可以连接于绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极与内部体二极管的正极的连接点。
保护器件，用于分流由绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极处电压跳变引起的瞬态电流，使瞬态电流经过保护器件至绝缘栅双极型晶体管IGBT的等效输入电容。
示例性地，保护器件的导通电压低于IGBT驱动电路内部的导通电压。当绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极处电压跳变，在未提供保护器件的情况下，电压跳变将导致在绝缘栅双极型晶体管IGBT以及IGBT驱动电路形成瞬态电流，电流从IGBT驱动电路的OUT端流出，经过绝缘栅双极型晶体管IGBT的等效输入电容到达绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极，在通过IGBT驱动电路的VEE端回到IGBT驱动电路内部，IGBT驱动电路的OUT端比其VSS端还低的负电压，外部电压跳变速率越大，即dv/dt越大，产生的瞬间环路电流越大，IGBT驱动电路的OUT端电压负电压越低，采用CMOS工艺的IGBT驱动电路越易发生闩锁效应，导致IGBT驱动电路失效；而在提供保护器件之后，由于保护器件的导通电压低于IGBT驱动电路内部的导通电压，瞬态电流将由绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极经过保护电路回到绝缘栅双极型晶体管IGBT的等效输入电容，这样，流过IGBT驱动电路内部的电流将减小，从而降低IGBT驱动电路发生闩锁效应而失效的风险。
由此，本申请实施例中，通过并联于IGBT驱动电路的VSS端和OUT端之间的保护器件，可以分流由绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极处电压跳变引起的瞬态电流，使瞬态电流经过保护器件至绝缘栅双极型晶体管IGBT的等效输入电容，从而减少流过IGBT驱动电路的电流，抑制IGBT驱动电路的应力，达到降低IGBT驱动电路发生闩锁效应而失效的风险的效果。
可选地，在本申请提供的一些实施例中，基于三电平拓扑结构的IGBT驱动保护电路中，保护器件可以有多个，每个保护器件对应为一个IGBT驱动电路提供保护。保护器件可以全部为二极管；也可以全部为MOS器件；还可以一部分为二极管，另一部分为MOS器件。
参见图3，该图为本申请实施例提供的另一种基于三电平拓扑结构的IGBT驱动保护电路示意图。在本申请实施例中，保护器件可以是二极管。作为保护器件的二极管的正极连接IGBT驱动电路的VSS端，作为保护器件的二极管的负极连接IGBT驱动电路的OUT端。
图3中仅示出IGBT驱动电路U2对应的作为保护器件的二极管，可以理解的是，IGBT驱动电路U1、U3以及U4可以使用相同的电路结构进行保护。
示例性地，当a点电压由VO变为VN时，瞬态电流由a点经过二极管回到T2的等效输入电容，这样，流过U2内部的电流将减小，从而降低IGBT驱动电路发生闩锁效应而失效的风险。
优选地，作为保护器件的二极管可以尽可能地靠近IGBT驱动电路的OUT端，可以减小回路电感，使得作为保护器件的二极管可以更好地保护IGBT驱动电路。
优选地，作为保护器件的二极管可以是肖特基二极管。肖特基二极管的导通压降低，可以更好地保护IGBT驱动电路。
参见图4，该图为本申请实施例提供的又一种基于三电平拓扑结构的IGBT驱动保护电路示意图。当保护器件为MOS器件时，可以增加一个控制引脚GQ，控制引脚GQ与IGBT驱动电路内部NMOS器件的栅极信号相同。作为保护器件的MOS器件可以是NMOS器件，作为保护器件的NMOS器件的栅极连接控制引脚GQ，作为保护器件的NMOS器件的漏极连接IGBT驱动电路的OUT端，作为保护器件的NMOS器件的源极连接IGBT驱动电路的VSS端。
图4中仅示出IGBT驱动电路U2对应的作为保护器件的NMOS器件，可以理解的是，IGBT驱动电路U1、U3以及U4可以使用相同的电路结构进行保护。
示例性地，系统主控板可以通过发送脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,PWM）来控制IGBT驱动芯片的OUT端输出电压的高低（H/L），当OUT端输出L时，即OUT端输出电压等于VSS端输出电压时，GQ端输出为H，即GQ端输出电压等于VDD端输出电压，此时，作为保护器件的MOS器件开通，此时，示例性地，若a点电压由VO变为VN，则由于a点高dv/dt而产生的瞬态电流将流经作为保护器件的MOS器件至T2的等效电容。
当OUT段输出H时，即OUT端输出电压等于VDD端输出电压时，GQ端输出为L，即GQ端输出电压等于VSS端输出电压，此时，作为保护器件的MOS器件关断，此时，示例性地，若a点电压由VO变为VN，则由于a点高dv/dt而产生的瞬态电流将流经IGBT驱动电路U2的VDD端以及IGBT驱动电路U2内部的PMOS器件，此时，OUT端不会出现负电压导致芯片损坏。
本申请还提供了一种逆变器，所述逆变器包括上述基于三电平拓扑结构的IGBT驱动保护电路。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于逆变器这一实施例而言，由于其基本相似于电路实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见电路实施例的部分说明即可。以上所描述的实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本申请的一种具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于三电平拓扑结构的IGBT驱动保护电路，其特征在于，所述电路包括：绝缘栅双极型晶体管IGBT、IGBT驱动电路、钳位二极管、内部体二极管、母线电容以及保护器件；
所述绝缘栅双极型晶体管IGBT、所述钳位二极管、所述内部体二极管以及所述母线电容连接为三电平拓扑I型结构，所述IGBT驱动电路的OUT端连接所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极，所述IGBT驱动电路的VEE端连接所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极，所述保护器件并联于所述IGBT驱动电路的VSS端和OUT端之间；
所述保护器件，用于分流由绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极处电压跳变引起的瞬态电流，使所述瞬态电流经过所述保护器件至所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的等效输入电容，以保护所述IGBT驱动电路。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述保护器件，包括：二极管和/或MOS器件。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述二极管包括：肖特基二极管。
4.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述MOS器件包括：NMOS器件。
5.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，当所述保护器件为二极管时，所述二极管的正极连接所述IGBT驱动电路的VSS端，所述二极管的负极连接所述IGBT驱动电路的OUT端。
6.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，当所述保护器件为MOS器件时，所述MOS器件的栅极连接所述IGBT驱动电路中NMOS器件的栅极，所述MOS器件的漏极连接所述IGBT驱动电路的OUT端，所述MOS器件的源极连接所述IGBT驱动电路的VSS端。
7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述保护器件的导通电压低于所述IGBT驱动电路内部的导通电压。
8.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述IGBT驱动电路的OUT端通过与所述IGBT驱动电路的OUT端串联的电阻连接所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极。
9.一种逆变器，其特征在于，所述逆变器包括权利要求1-8任一项所述的基于三电平拓扑结构的IGBT驱动保护电路。
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