CN1190010C - 大容量绝缘栅双极型晶体管驱动电路 - Google Patents

Abstract

一种大容量绝缘栅双极型晶体管驱动电路，属于绝缘栅双极型晶体管驱动电路领域，它包括正/负电源、光电隔离级、驱动级和功率放大级。其特征在于：第一、第二两个驱动级分别采用了两级反相的施密特电路；其中电平转换电路的第一个三极管(T2)的基极经过正相限流后与光电隔离级的输出端(1)相连，其集电极经限流电阻后与正电源相连，发射极经限流后与负电源相连；第二个三极管(T3)的基极经正相限流后与第一个三极管的集电极相连，其集电极和晶体管T2的发射极相连并与功率放大级输入端(2)相连，发射极和负电源相连。本驱动电路能够驱动大容量的IGBT，并可调节IGBT的导通与时间，实现IGBT的最佳导通与关断。

Description

大容量绝缘栅双极型晶体管驱动电路

技术领域

本发明涉及一种绝缘栅双极型晶体管驱动电路，特别涉及一种大容量绝缘栅双极型晶体管驱动电路。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管(Isolated Gate Bipolar Transistor)，简称IGBT，是目前在中、大容量范围应用最广泛的一种电力电子开关器件。IGBT是一种电压控制器件，具有驱动电路简单，驱动功率小，工作频率高的优点。驱动电路对IGBT的正常工作十分重要，直接影响着器件的开关速度，而开关速度对作用于器件的尖峰电压与器件的开关损耗有直接影响。

目前可以买到的具有代表性的IGBT驱动电路主要有：

1.日本富士公司的EXB841，最大驱动容量400A/1200V IGBT；

2.日本三菱公司的M57962L，最大驱动容量400A/1200V IGBT；

以上驱动电路只适合于驱动400A以内的IGBT器件。

EXB841、M57962L等驱动电路都采用晶体管作为功率放大级，如图3所示，驱动电路由光电隔离、放大器、功率放大级组成，低电平的驱动信号经光电隔离后输出信号加到放大器上，经放大器放大后，输出信号驱动晶体管T6、T7，T6、T7工作于互补状态，T6导通时，驱动电压V2经T6、R_G加到IGBT的门极，使IGBT饱和导通；T7导通时，负电源-V3经T7、R_G加到IGBT的门极，使IGBT关断。

上述驱动电路模块的驱动能力一般为一只300A/1200V或400A/600V的器件，当IGBT容量超过以上容量时就不能采用这种驱动模块。当用多个IGBT并联来实现大容量时，往往采用一个驱动块驱动一只管子的驱动方法，也就是说，需要用与IGBT同样多的驱动模块；同时，该驱动电路不能调节IGBT的导通与关断时间，实现IGBT的最佳导通与关断，而IGBT的导通与关断时间对IGBT的尖峰电压与损耗有直接影响。

现在还有一种改进了的大容量晶体管驱动电路，如图1所示，大容量IGBT驱动电路由光电隔离级10，整形电路1，整形电路2，电平转换电路30，功率放大级20等部分组成。光电隔离级10由起隔离作用的高速光耦T1，电阻R1、R2组成；整形电路1和电阻R3连接在光电隔离10与MOS管T4的栅极之间，整形电路2和电平转换电路30连接在光电隔离10与MOS管T5的栅极之间；功率放大级20由低压MOS管T4、T5，电阻R8、R9、R10、R11，电源V2、-V3组成，MOS管T4的漏极经电阻R8、R9后与MOS管T5的漏极相连，MOS管T4、T5的源极分别与电源V2、-V3相连，电阻R10的一端与电阻R8、R9相连，另一端与电阻R11和IGBT的门极相连。

低电平的驱动信号经光耦T1输入驱动电路，由光耦输出的信号分为两路，分别经过整形电路整形后，上路信号经电阻R3后驱动MOS三极管T4，T4为P沟MOS三极管。下路信号经电平转换后驱动N沟MOS三极管T5。MOS三极管T4和T5工作于互补状态，T4导通时，驱动电压V2经T4、电阻R8和R10加到IGBT的门极，使IGBT饱和导通。MOS三极管T5导通时，负电源-V3经T5、电阻R9和R10加到IGBT的门极，使IGBT关断。整形电路1和整形电路2采用单电源V2供电，通常V2为15V。整形电路1和整形电路2采用两级施密特反相器，这样可避免驱动MOS管T4和T5工作于放大状态。R3的作用是消除T4导通过程中可能出现振荡。它的缺点是没有公开电平转换电路，整形电路输出信号的宽度不可调，不能实现所述功能也不能保证一个低压MOS管导通时另一个低压MOS管深度截止。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大容量的IGBT驱动电路，该驱动电路能够调节IGBT的导通与关断时间，实现IGBT的最佳导通与关断。

大容量绝缘栅双极型晶体管驱动电路，包括正/负电源、光电隔离级、驱动级和功率放大级，其特征在于，它含有：

光电隔离级，包括：

光电隔离管：它的输入端经限流电阻收驱动控制信号，它的输出端经另一个限流电阻接正电源；

功率放大级，包括：

第一低压MOS管：源极接正电源；

第二低压MOS管：源极经两个相互串接的电阻后接第一低压MOS管的漏极，而第二低压MOS管的漏极接负电源；上述相互串接的两个电阻的连接点经两个分压电阻后接地，而两个分压电阻的中点即所述大容量绝缘栅双极型晶体管驱动电路的驱动信号输出端；

驱动级，包括：

第一驱动级，它依次由第一个两级反相的施密特电路与电阻串接而成，所述第一个两级反相的施密特电路的输入端和光电隔离级的输出端相连，所述的电阻的另一端与功率放大级中的第一低压MOS管栅极相连，该MOS管是P沟的；

第二驱动级，它依次由第二个两级反相的施密特电路和电平转换电路串接而成，所述第二个两级反相的施密特电路的输入端与所述光电隔离级的上述同一个输出端相连，所述电平转换电路的输出端和功率放大级中的第二低压MOS管栅极相连，该低压MOS管是N沟的；其中，

所述的电平转换电路含有：

第一个三极管，它的基极依次串接一个电阻和一个和该电阻正向串接的第一个二极管，该第一个二极管的负极和第二个两级反相的施密特电路的输出端相连，它的集电极经限流电阻后与正电源相连，它的发射极经另一个限流电阻后与负电源相连；

第二个三极管，它的基极经过另一个电阻、一个和所述另一个电阻正向串接的第二个二极管，该第二个二极管的负极和所述第一个三极管的集电极相连；它的集电极同时和所述第一个三极管的发射极以及所述功率放大级中的第二个低压MOS管的栅极相连；它的发射极和负电源相连。

由于MOS器件容易并联，大容量驱动时可用多只器件并联，因而可满足大容量IGBT驱动的要求。

附图说明

图1为现有大容量IGBT原理框图。

图2为本发明IGBT驱动电路原理图。

图3为现有IGBT驱动电路结构图。

图4为本发明电平转换电路的输入输出电平关系图。

图5为本发明电平转换电路。

图6为本发明所述电平转换电路的输入与输出波形图。

图7为本发明所述图5电平转换电路的输入与三极管T2的集电极端的波形关系图。

图8为本发明所述的驱动电路的输入和输出波形图。

具体实施方式

第一个两级反相施密特电路有三个反相器I1，I2，I3，反相器I2，I3输入端并联后和反相器I1的输出端相连，反相器I1的输入端接光电隔离级输出端；反相器I2，I3并联的输出端接电阻R3，电阻R3的另一端与功率放大级中三极管T4的栅极相连；第二个两级反相施密特电路有三个反相器I4，I5，I6，反相器I5，I6并联的输入端和反相器I4的输出端相连，反相器I4的输入端接光电隔离级的上述输出端；反相器I5，I6输出端并联后与电平驱动电路的第一个二极管的负极相连.如图2所示.其中，所述的第一个三极管是T2，所述的第二个三极管是T3，所述的第一个二极管是D1，所述的第二个二极管是D2.

第一个三极管T2，它的基极依次串接一个电阻R4和一个和该电阻R4正向串接的第一个二极管D1，该第一个二极管D1的负极和第二个两级反相的施密特电路的输出端相连，它的集电极经限流电阻R5后与正电源V2相连，它的发射极经另一个限流电阻R6后与负电源相连；

第二个三极管T3，它的基极经过另一个电阻R7、一个和所述另一个电阻R7正向串接的第二个二极管D2，该第二个二极管D2的负极和所述第一个三极管T2的集电极相连；它的集电极同时和所述第一个三极管T2的发射极以及所述功率放大级中的第二个低压MOS管T5的栅极相连；它的发射极和负电源-V3相连。

大容量IGBT器件在开通和关断过程中，需要驱动电路提供很大的门极开通和关断的脉冲电流，此驱动电流的峰值与器件的容量成正比，所以IGBT的容量越大，需要驱动电流的峰值越大。选用低压MOS管作为驱动电路的功率放大电路具有以下优点：MOS器件容易并联，大容量驱动时可用多只器件并联；低压MOS器件的通态电阻很小，通态压降很小，功率损耗很小；MOS器件的驱动容易，驱动功率很小，可用集成电路驱动。本驱动电路中，调整电阻R8和R9可满足正向和反向不同的驱动要求。

图3为现有IGBT驱动电路结构图。

电平转换电路的输出电平与输入电平的关系如图4所示。

采用MOS管作为功率驱动管后，要解决的主要问题是MOS管T5的驱动问题。因为施密特电路1和施密特电路2的输出电平为0V和+15V，此电平驱动MOS管T4管很合适，但直接驱动MOS管T5是不合适的，因为高电平时MOS管T5的U_GS已超过其最大电压定额，低电平时会使T5导通。电平转换电路的目的是将施密特电路2输出的电平转换成MOS管T5驱动所需要的电平。电平转化电路原理图如图5所示。①端为输入端，②端为输出端。当输入为低电平(0V)时，三极管T2截止，输出电平为-V3。当输入为高电平(15V)时，三极管T2导通，T2的射极输出电平作为MOS管T5的门极驱动电压，使T5导通。为了保证MOS管T5管正常的开通和关断，稳压管D1的稳压值选取十分关键，本发明中D1的稳压值为8V。二极管D2，电阻R7和三极管T3是为解决转换电路的动态响应而设置的。为了减小转换时间，三极管T2和T3都工作于放大状态。电平转换电路的输入、输出波形如图6所示，波形1为输入波形，波形2为输出波形。

输入端与三极管T2集电极③端的波形如图7所示。波形1为输入波形，波形2为三极管T2集电极③端波形。驱动电路的输入和输出波形如图8所示。波形1为输入，波形2为输出。

本发明采用低压MOS晶体管代替晶体管作为功率放大级，由于MOS器件容易并联，大容量驱动时可用多只器件并联，来满足大容量IGBT驱动的要求，因而一个驱动电路可对多只并联的IGBT进行驱动；又由于低压MOS晶体管导通电阻一般都很小，开关过程中导通压降很低，所以驱动电路的损耗小、效率高；同时，通过调节电阻R8、R9，可控制IGBT的开通和关断时间，实现IGBT的最佳导通与关断。

Claims (1)

1.大容量绝缘栅双极型晶体管驱动电路，包括正/负电源、光电隔离级、驱动级和功率放大级，其特征在于，它含有：

光电隔离级，包括：

光电隔离管：它的输入端经限流电阻收驱动控制信号，它的输出端经另一个限流电阻接正电源；

功率放大级，包括：

第一低压MOS管：源极接正电源；

第二低压MOS管：源极经两个相互串接的电阻后接第一低压MOS管的漏极，而第二低压MOS管的漏极接负电源；上述相互串接的两个电阻的连接点经两个分压电阻后接地，而两个分压电阻的中点即所述大容量绝缘栅双极型晶体管驱动电路的驱动信号输出端；驱动级，包括：

第一驱动级，它依次由第一个两级反相的施密特电路与电阻串接而成，所述第一个两级反相的施密特电路的输入端和光电隔离级的输出端相连，所述的电阻的另一端与功率放大级中的第一低压MOS管栅极相连，该MOS管是P沟的；

第二驱动级，它依次由第二个两级反相的施密特电路和电平转换电路串接而成，所述第二个两级反相的施密特电路的输入端与所述光电隔离级的上述同一个输出端相连，所述电平转换电路的输出端和功率放大级中的第二低压MOS管栅极相连，该低压MOS管是N沟的；其中，

所述的电平转换电路含有：

第一个三极管，它的基极依次串接一个电阻和一个和该电阻正向串接的第一个二极管，该第一个二极管的负极和第二个两级反相的施密特电路的输出端相连，它的集电极经限流电阻后与正电源相连，它的发射极经另一个限流电阻后与负电源相连；

第二个三极管，它的基极经过另一个电阻、一个和所述另一个电阻正向串接的第二个二极管，该第二个二极管的负极和所述第一个三极管的集电极相连；它的集电极同时和所述第一个三极管的发射极以及所述功率放大级中的第二个低压MOS管的栅极相连；它的发射极和负电源相连。

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