CN115800973A - 一种igbt的动态有源钳位电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种IGBT的动态有源钳位电路，包括：控制电路检测出过压击穿电路被击穿时，控制电路执行驱动电路切换命令以及控制过压击穿电路的阈值电压减小，从而保证了IGBT故障态情况下尖峰的最小化，避免了普通的纯硬件式的有源钳位保护电路中门极限制效果差，关断尖峰抑制不明显的问题。

Description

一种IGBT的动态有源钳位电路

技术领域

本发明涉及高压大容量电力电子变换领域，具体涉及一种IGBT的动态有源钳位电路。

背景技术

在大功率电力电子变换装置中，目前普遍的采用IGBT作为开关器件进行电能变换。IGBT作为变换单元的核心器件，相当于变换器的“心脏”，而控制和保护IGBT，执行上层控制单元触发命令，以及反馈IGBT自身故障给上层控制单元，则必不可少的要用到IGBT驱动器。IGBT驱动器好比是IGBT的“大脑”，它具备多种保护功能，如驱动供电欠压，IGBT短路以及有源钳位保护。有源钳位保护的提出，是为了确保IGBT器件在关断过程中，能够有效的钳位IGBT集电极的电位(C极)，将关断电压尖峰钳位在一个合理的水平，不至于超出IGBT安全工作区，使IGBT不受关断电压尖峰的应力威胁。

IGBT在正常关断时，由于换流回路不可避免的存在寄生电感，这个电感会带来IGBT关断电压尖峰，但通常情况下该值不会太高。但是当IGBT发生过流甚至短路时，IGBT的关断尖峰将会非常高甚至超出IGBT的安全工作区域，IGBT有可能出现因过压而损坏。

所以有源钳位电路的提出，意在保护IGBT在故障关断情况下免受过压应力的损坏，正常条件下的关断，有源钳位不会动作。

常规的有源钳位电路只需要基本的串联TVS和二极管组成即可实现。原理是当集电极的电位高于串联TVS的击穿动作电压时，TVS击穿，随之将击穿漏电流灌入门极，门极由关断负压得以抬升，从而降低IGBT关断速度，最终达到抑制电压尖峰的效果。

该技术存在以下问题：TVS击穿动作时，击穿漏电流基本都灌入IGBT的负压驱动回路中，而仅有小部分电流分流进入IGBT门极，因而该方案在IGBT故障关断期间，对门极的抬升作用十分有限，电路的有效性不高。这就导致了该方法的实际作用十分有限。另一方面，有源钳位动作值即为TVS串联值，当系统母线电压升高时，正常的IGBT关断动作也有可能引起该串联TVS频繁动作，导致TVS发热严重，最终引起TVS过热损毁。普通的有源钳位电路动作之后，驱动器控制单元无法识别有源钳位动作信号并将此故障上报。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的有源钳位电路动作后IGBT门极抬升不明显的缺陷，从而提供一种IGBT的动态有源钳位电路。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明实施例提供一种IGBT的动态有源钳位电路，包括：过压击穿电路、控制电路及驱动模块；过压击穿电路的第一端与IGBT的集电极连接，过压击穿电路的第二端与IGBT的门极连接，过压击穿电路的第三端与控制电路的第一端连接；控制电路的第二端与过压击穿电路的控制端连接，控制电路的第三端与驱动模块的控制端连接；驱动模块的输出端与IGBT的门极连接；控制电路检测出过压击穿电路被击穿时，控制电路控制过压击穿电路的阈值电压减小，并且控制电路控制驱动模块输出0V驱动电压，驱动电压用于驱动IGBT的开关状态。

在一实施例中，过压击穿电路包括：多个串联连接的瞬态二极管及多个旁路电路；瞬态二极管串联连接后的第一端与IGBT的集电极连接，瞬态二极管串联连接后的第二端分别与IGBT的门极及控制电路的第一端连接；每个旁路电路与第一预设数量的依次串联连接的瞬态二极管并联连接，每个旁路电路的控制端与控制电路的第二端连接；控制电路通过控制第二预设数量的旁路电路闭合，以控制过压击穿电路的阈值电压减小。

在一实施例中，过压击穿电路还包括：第一电阻及第一二极管；瞬态二极管串联连接后的第一端通过第一电阻与控制电路的第一端连接；瞬态二极管串联连接后的第一端还与第一二极管的阳极连接；

第一二极管的阴极与IGBT的门极连接。

在一实施例中，控制电路包括：过压识别电路及可编程逻辑器件；过压识别电路的第一端与过压击穿电路的第三端连接，过压识别电路的第二端与可编程逻辑器件的第一端连接；可编辑逻辑器件的第二端与过压击穿电路的控制端连接，可编辑逻辑器件的第三端与驱动模块的控制端连接；过压识别电路将过压击穿电路输出的分流小电流信号，转换为TTL电平信号；可编辑逻辑器件基于TTL电平信号，判断过压击穿电路是否被击穿。

在一实施例中，驱动模块包括：正压导通驱动电路、0V关断驱动电路及负压关断驱动电路；每个驱动电路的控制端均与控制电路的第三端连接，每个驱动电路的输出端均与IGBT的门极连接；控制电路检测出过压击穿电路被击穿时，控制电路控制0V关断驱动电路输出0V驱动电压。

在一实施例中，正压导通驱动电路、0V关断驱动电路及负压关断驱动电路均包括：第二电阻、第三电阻及可控开关管；每个可控开关管的控制端均通过第二电阻与控制电路的第三端连接；正压导通驱动电路的可控开关管的第一端通过第三电阻输入正向电压，正压导通驱动电路的可控开关管的第二端与IGBT的门极连接；0V关断驱动电路的可控开关管的第一端通过第三电阻与IGBT的门极连接，0V关断驱动电路的可控开关管的第二端输入0V电压；负压关断驱动电路的可控开关管的第一端通过第三电阻与IGBT的门极连接，负压关断驱动电路的可控开关管的第二端输入负向电压。

在一实施例中，IGBT的动态有源钳位电路还包括：母线电压检测电路；母线电压检测电路用于采集IGBT所在母线电压；控制电路基于母线电压，控制过压击穿电路的静态阈值电压。

在一实施例中，母线电压检测电路包括：多个串联连接的分压电阻、电容、运算放大器及模数转换器；分压电阻串联连接后的第一端与IGBT的集电极连接，分压电阻串联连接后的第二端与IGBT的发射极连接，分压电阻串联连接后的第一端与电容的第一端、运算放大器的同相输入端连接；电容的第二端与IGBT的发射极连接；运算放大器的反相输入端与其输出端连接，运算放大器的输出端通过模数转换器与控制电路连接。

在一实施例中，IGBT的动态有源钳位电路还包括：状态回馈单元；状态回馈单元连接于控制电路与上位机之间；状态回馈单元用于将控制电路输出的过压击穿电路的击穿状态，回传至上位机。

在一实施例中，IGBT的动态有源钳位电路还包括：显示单元；显示单元用于显示控制电路输出的过压击穿电路的击穿状态。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的IGBT的动态有源钳位电路，控制电路检测出过压击穿电路被击穿时，控制电路执行驱动电路切换命令以及控制过压击穿电路的阈值电压减小，从而保证了IGBT故障态情况下尖峰的最小化，避免了普通的纯硬件式的有源钳位保护电路中门极限制效果差，关断尖峰抑制不明显的问题。

2.本发明提供的IGBT的动态有源钳位电路，母线电压检测电路采集IGBT所在母线电压，控制电路基于母线电压，控制过压击穿电路的静态阈值电压，从而避免了由于母线电压抬升，导致IGBT在正常关断时有源钳位动作值偏低而出现的误触发的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中IGBT的动态有源钳位电路的一个具体示例的组成图；

图2为本发明实施例中过压击穿电路的一个具体示例的组成图；

图3为本发明实施例中过压击穿电路的另一个具体示例的组成图；

图4为本发明实施例中控制电路的一个具体示例的组成图；

图5为本发明实施例中驱动模块的一个具体示例的组成图；

图6a～图6c分别为本发明实施例中正压导通驱动电路、0V关断驱动电路及负压关断驱动电路的一个具体示例的组成图；

图7为本发明实施例中过压击穿电路的另一个具体示例的组成图；

图8为本发明实施例中母线电压检测电路的一个具体示例的组成图；

图9为本发明实施例中过压击穿电路的另一个具体示例的组成图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例

本发明实施例提供一种IGBT的动态有源钳位电路，如图1所示，包括：过压击穿电路1、控制电路2及驱动模块3。

如图1所示，过压击穿电路1的第一端与IGBT的集电极连接，过压击穿电路1的第二端与IGBT的门极连接，过压击穿电路1的第三端与控制电路2的第一端连接；控制电路2的第二端与过压击穿电路1的控制端连接，控制电路2的第三端与驱动模块3的控制端连接；驱动模块3的输出端与IGBT的门极连接。

具体地，当IGBT正常开通时，IGBT端间(CE两端之间)为正常导通情况下的饱和压降；IGBT在正常关断时，由于换流回路不可避免的存在寄生电感，寄生电感会带来IGBT关断电压尖峰，但通常情况下该值不会太高，处于过压击穿电路1动作值的下限，不会引起过压击穿电路1击穿动作；当IGBT出现过流甚至短路工况时，或者IGBT由开通转为关断时，产生的过压尖峰会引发过压击穿电路1击穿动作。

若过压击穿电路1击穿动作的下限值(阈值电压)固定，则过压击穿电路1击穿动作时，击穿漏电流基本都灌入IGBT的驱动回路中，而仅有小部分电流分流进入IGBT门极，此时IGBT门极抬升不明显，因此本发明实施例控制电路2检测出过压击穿电路1被击穿时，控制电路2控制过压击穿电路1的阈值电压减小，并且控制电路2控制驱动模块3输出0V驱动电压而不是负压，以明显抬升IGBT门极电压，降低IGBT关断速度，最终达到抑制电压尖峰的效果。

在一具体实施例中，如图2所示，过压击穿电路1包括：多个串联连接的瞬态二极管TVS及多个旁路电路11。

如图2所示，瞬态二极管TVS串联连接后的第一端与IGBT的集电极连接，瞬态二极管TVS串联连接后的第二端分别与IGBT的门极及控制电路2的第一端连接；每个旁路电路11与第一预设数量的依次串联连接的瞬态二极管TVS并联连接，每个旁路电路11的控制端与控制电路2的第二端连接。

可选地，图2中每个旁路电路11所能旁路的瞬态二极管TVS的数量可以相同或者不同，具体由实际工况设置，在此不作限制。

具体地，当IGBT正常开通时，IGBT端间为正常导通情况下的饱和压降。当IGBT由开通转为关断时，会出现由于线路寄生电感引起的过压尖峰。该尖峰在正常工况下，处于TVS动作值的下限，不会引起TVS击穿动作。当IGBT出现过流甚至短路工况时，或者IGBT由开通转为关断时，产生的过压尖峰会引发TVS的动作。此时，为了确保TVS反馈回路的动作之后引发的尖峰进一步增大，在此工况下的TVS串联数量，在关断瞬间，控制电路2会通过旁路电路11再次旁路其中的一个或者某几个TVS，以控制过压击穿电路1的阈值电压减小，从而确保故障工况下的过压尖峰不超过IGBT的安全工作区。

在一具体实施例中，如图3所示，过压击穿电路1还包括：第一电阻R1及第一二极管D1；瞬态二极管TVS串联连接后的第一端通过第一电阻R1与控制电路2的第一端连接；瞬态二极管TVS串联连接后的第一端还与第一二极管D1的阳极连接；第一二极管D1的阴极与IGBT的门极连接。

需要说明的是，图3中过压击穿电路1还包括第一电阻、第一二极管，实际可以根据需要添加其它电路，在此不作限制。

在一具体实施例中，如图4所示，控制电路2包括：过压识别电路21及可编程逻辑器件22。

如图4所示，过压识别电路21的第一端与过压击穿电路1的第三端连接，过压识别电路21的第二端与可编程逻辑器件22的第一端连接；可编辑逻辑器件的第二端与过压击穿电路1的控制端连接，可编辑逻辑器件的第三端与驱动模块3的控制端连接。

具体地，过压识别电路21将IGBT关断过压检测回路中的信号送入可编程逻辑器件22，可编程逻辑器件22结合数字滤波算法识别过压击穿电路1是否已动作。

进一步地，过压识别电路21将过压击穿电路1输出的分流小电流信号，转换为TTL电平信号，最大可能的减小了TVS电流的损失，降低了对门极电荷充电的影响。可编辑逻辑器件基于TTL电平信号，判断过压击穿电路1是否被击穿。当过压击穿电路1被击穿时，可编辑逻辑器件计算需要旁路TVS的数量，并控制驱动电路输出0V的驱动电压。经过IGBT关断暂态延时之后，可编辑逻辑器件再次释放被旁路的TVS，避免了系统暂态母线电压升高时，TVS频繁动作造成的发热问题出现。

在一具体实施例中，如图5所示，驱动模块3包括：正压导通驱动电路31、0V关断驱动电路32及负压关断驱动电路33。

如图5所示，每个驱动电路的控制端均与控制电路2的第三端连接，每个驱动电路的输出端均与IGBT的门极连接。

具体地，控制电路2控制正压导通驱动电路31输出正向驱动电压，该正向驱动电压用于驱动IGBT导通；控制电路2控制负压关断驱动电路33输出负向驱动电压，该负向驱动电压用于驱动IGBT导通。

但是，由于当TVS发生击穿动作时，击穿电流的流向分为三个方向：一是IGBT的驱动电路；二是IGBT的门极；三是过压识别电路21。为了确保对关断电压尖峰的抑制作用最强，必须确保该击穿电流绝大部分直接流入IGBT门极，而不被其他通流路径消耗。因此，本发明实施例的控制电路2控制驱动模块3由关断时输出的-10V驱动电压切换为输出0V关断电压，并且门极电阻也相应的增大。

在一具体实施例中，如图6a～图6c所示，正压导通驱动电路31、0V关断驱动电路32及负压关断驱动电路33均包括：第二电阻R2、第三电阻R3及可控开关管S1。

如图6a～图6c所示，每个可控开关管S1的控制端均通过第二电阻R2与控制电路2的第三端连接。

如图6a所示，正压导通驱动电路31的可控开关管S1的第一端通过第三电阻R3输入正向电压，正压导通驱动电路31的可控开关管S1的第二端与IGBT的门极连接。控制电路2控制可控开关管S1闭合，正压导通驱动电路31输出正向驱动电压。

如图6b所示，0V关断驱动电路32的可控开关管S1的第一端通过第三电阻R3与IGBT的门极连接，0V关断驱动电路32的可控开关管S1的第二端输入0V电压。控制电路2控制可控开关管S1闭合，0V关断驱动电路32输出0V驱动电压。

如图6c所示，负压关断驱动电路33的可控开关管S1的第一端通过第三电阻R3与IGBT的门极连接，负压关断驱动电路33的可控开关管S1的第二端输入负向电压。控制电路2控制可控开关管S1闭合，负压关断驱动电路33输出负向驱动电压。

在一具体实施例中，如图7所示，IGBT的动态有源钳位电路还包括：母线电压检测电路4。

具体地，当系统母线电压升高时，正常的IGBT关断动作也有可能引起该串联TVS频繁动作，导致TVS发热严重，最终引起TVS过热损毁。因此，本发明实施例设置母线电压检测电路，该母线电压检测电路用于采集IGBT所在母线电压，通过串行数据送入控制电路2，控制电路2通过逻辑器件算法判定TVS的投入数量、控制过压击穿电路1的静态阈值电压。

可选地，如图8所示，母线电压检测电路包括：多个串联连接的分压电阻(R2～R5)、电容C1、运算放大器AP1及模数转换器Uo。

如图8所示，分压电阻串联连接后的第一端与IGBT的集电极连接，分压电阻串联连接后的第二端与IGBT的发射极连接，分压电阻串联连接后的第一端与电容的第一端、运算放大器的同相输入端连接；电容的第二端与IGBT的发射极连接；运算放大器的反相输入端与其输出端连接，运算放大器的输出端通过模数转换器与控制电路2连接。

具体地，图8中，通过R5、R2、R3及C1组成的阻容分压将母线电压采集为原有千分之一送入隔离运放(AP1)中，通过运算放大器的隔离，可以满足IGBT驱动器与母线电位差的问题，同时，运算放大器能够很好抑制线路干扰和采集线损的问题。采集后的电压送入模数转换器，将模拟采集信号转换为串行数据信号，送入控制电路2，用于识别母线电压大小。根据识别的母线电压大小，控制电路2决定TVS的投入数量，通过旁路电路11将多余的TVS旁路，剩余的串联TVS用于承受正常的母线电压。

在一具体实施例中，如图9所示，IGBT的动态有源钳位电路还包括：状态回馈单元5；状态回馈单元5连接于控制电路2与上位机之间；状态回馈单元5用于将控制电路2输出的过压击穿电路1的击穿状态，回传至上位机。

在一具体实施例中，如图9所示，IGBT的动态有源钳位电路还包括：显示单元6；显示单元6用于显示控制电路2输出的过压击穿电路1的击穿状态。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种IGBT的动态有源钳位电路，其特征在于，包括：

过压击穿电路、控制电路及驱动模块；

所述过压击穿电路的第一端与所述IGBT的集电极连接，所述过压击穿电路的第二端与所述IGBT的门极连接，所述过压击穿电路的第三端与所述控制电路的第一端连接；

所述控制电路的第二端与所述过压击穿电路的控制端连接，所述控制电路的第三端与所述驱动模块的控制端连接；

所述驱动模块的输出端与所述IGBT的门极连接；

所述控制电路检测出所述过压击穿电路被击穿时，所述控制电路控制所述过压击穿电路的阈值电压减小，并且所述控制电路控制所述驱动模块输出0V驱动电压，所述驱动电压用于驱动所述IGBT的开关状态。

2.根据权利要求1所述的IGBT的动态有源钳位电路，其特征在于，所述过压击穿电路包括：

多个串联连接的瞬态二极管及多个旁路电路；

瞬态二极管串联连接后的第一端与所述IGBT的集电极连接，瞬态二极管串联连接后的第二端分别与所述IGBT的门极及所述控制电路的第一端连接；

每个所述旁路电路与第一预设数量的依次串联连接的瞬态二极管并联连接，每个所述旁路电路的控制端与所述控制电路的第二端连接；

所述控制电路通过控制第二预设数量的所述旁路电路闭合，以控制所述过压击穿电路的阈值电压减小。

3.根据权利要求2所述的IGBT的动态有源钳位电路，其特征在于，所述过压击穿电路还包括：

第一电阻及第一二极管；

瞬态二极管串联连接后的第一端通过所述第一电阻与所述控制电路的第一端连接；

瞬态二极管串联连接后的第一端还与所述第一二极管的阳极连接；

所述第一二极管的阴极与所述IGBT的门极连接。

4.根据权利要求1所述的动态有源钳位电路，其特征在于，所述控制电路包括：

过压识别电路及可编程逻辑器件；

所述过压识别电路的第一端与所述过压击穿电路的第三端连接，所述过压识别电路的第二端与所述可编程逻辑器件的第一端连接；

所述可编辑逻辑器件的第二端与所述过压击穿电路的控制端连接，所述可编辑逻辑器件的第三端与所述驱动模块的控制端连接；

所述过压识别电路将所述过压击穿电路输出的分流小电流信号，转换为TTL电平信号；

所述可编辑逻辑器件基于所述TTL电平信号，判断所述过压击穿电路是否被击穿。

5.根据权利要求1所述的IGBT的动态有源钳位电路，其特征在于，所述驱动模块包括：

正压导通驱动电路、0V关断驱动电路及负压关断驱动电路；

每个驱动电路的控制端均与所述控制电路的第三端连接，每个驱动电路的输出端均与所述IGBT的门极连接；

所述控制电路检测出所述过压击穿电路被击穿时，所述控制电路控制所述0V关断驱动电路输出0V驱动电压。

6.根据权利要求5所述的IGBT的动态有源钳位电路，其特征在于，正压导通驱动电路、0V关断驱动电路及负压关断驱动电路均包括：

第二电阻、第三电阻及可控开关管；

每个可控开关管的控制端均通过第二电阻与所述控制电路的第三端连接；

正压导通驱动电路的可控开关管的第一端通过所述第三电阻输入正向电压，正压导通驱动电路的可控开关管的第二端与所述IGBT的门极连接；

0V关断驱动电路的可控开关管的第一端通过所述第三电阻与所述IGBT的门极连接，0V关断驱动电路的可控开关管的第二端输入0V电压；

负压关断驱动电路的可控开关管的第一端通过所述第三电阻与所述IGBT的门极连接，负压关断驱动电路的可控开关管的第二端输入负向电压。

7.根据权利要求1所述的IGBT的动态有源钳位电路，其特征在于，还包括：

母线电压检测电路；

所述母线电压检测电路用于采集所述IGBT所在母线电压；

所述控制电路基于所述母线电压，控制所述过压击穿电路的静态阈值电压。

8.根据权利要求7所述的IGBT的动态有源钳位电路，其特征在于，所述母线电压检测电路包括：

多个串联连接的分压电阻、电容、运算放大器及模数转换器；

分压电阻串联连接后的第一端与所述IGBT的集电极连接，分压电阻串联连接后的第二端与所述IGBT的发射极连接，分压电阻串联连接后的第一端与所述电容的第一端、所述运算放大器的同相输入端连接；

所述电容的第二端与所述IGBT的发射极连接；

所述运算放大器的反相输入端与其输出端连接，所述运算放大器的输出端通过所述模数转换器与所述控制电路连接。

9.根据权利要求1所述的IGBT的动态有源钳位电路，其特征在于，还包括：

状态回馈单元；

所述状态回馈单元连接于所述控制电路与上位机之间；

所述状态回馈单元用于将所述控制电路输出的所述过压击穿电路的击穿状态，回传至所述上位机。

10.根据权利要求1所述的IGBT的动态有源钳位电路，其特征在于，还包括：

显示单元；

所述显示单元用于显示所述控制电路输出的所述过压击穿电路的击穿状态。

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