CN1402431A - 大容量绝缘栅双极型晶体管驱动电路 - Google Patents

大容量绝缘栅双极型晶体管驱动电路 Download PDF

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Abstract

大容量绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动电路，属于绝缘栅双极型晶体管驱动电路领域，其特征在于：功率放大级(20)由低压MOS管(T4，T5)组成，所述驱动电路还包括：整形电路(1)、电阻(R3)、整形电路(2)和电平转换电路(30)；所述光电隔离级(10)的输出端依次与所述整形电路(1)、所述电阻(R3)和所述MOS管(T4)的栅极相连，所述光电隔离级(10)的另一输出端依次与所述整形电路(2)、所述电平转换电路(30)和所述MOS管(T5)的栅极相连。该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、RG加到IGBT的门极，使IGBT饱和导通；T7导通时，负电源-V3经T7、RG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。
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：光电隔离级10，功率放大级20，电源(V2，-V3)，其特征在于：所述功率放大级20由低压MOS管T4、T5组成，所述驱动电路还包括：整形电路1、电阻R3、整形电路2和电平转换电路30；所述光电隔离级10的输出端依次与所述整形电路1、所述电阻R3和所述MOS管T4的栅极相连，所述光电隔离级10的另一输出端依次与所述整形电路2、所述电平转换电路30和所述MOS管T5的栅极相连。
低电平的驱动信号经光电隔离级10后输出信号，该输出信号分为两路，分别经整形电路后，上路信号经所述电阻R3后驱动所述MOS管T4，下路信号经所述电平转换电路后驱动所述MOS管T5，所述MOS管T4、T5工作于互补状态，所述MOS管T4导通时，驱动电压V2经所述MOS管T4加到IGBT的门极，使IGBT饱和导通；所述MOS管T5导通时，负电源-V3经所述MOS管T5，加到IGBT的门极，使IGBT关断。
电平转换电路包括：晶体管T2、T3，稳压二极管D1、D2，电阻R4、R5、R6、R7，电源V2、-V3，输入端①，输出端②。晶体管T2的基极通过电阻R4与二极管D1的阳极相连，二极管D1的阴极与输入端①相连，晶体管T2的集电极通过电阻R5与电源V2相连，同时接在二极管D2的阴极上，晶体管T2的发射极与输出端②和晶体管T3的集电极相连，同时通过电阻R6接到晶体管T3的发射极上，晶体管T3的基极通过电阻R7与二极管D2的阳极相连，晶体管T3的发射极与电源-V3相连，当输入为低电平时，晶体管T2截止，输出电平为-V3；当输入为高电平时，晶体管T2导通，晶体管T2的射极输出电平作为MOS管T5的门极驱动电压，使MOS管T5导通。
MOS管T4为P沟MOS晶体管，MOS管T5为N沟MOS晶体管；电源V2通常为15V。
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为大容量IGBT原理框图。
图2为IGBT驱动电路原理图。
图3为现有IGBT驱动电路结构图。
图4为电平转换电路的输入输出电平关系图。
图5为电平转换电路。
图6为转换电路的输入与输出波形图。
图7为图5电平转换电路的输入与晶体管T2的集电极端的波形关系图。
图8为驱动电路的输入和输出波形图。
具体实施方式
如图1所示。本发明大容量IGBT驱动电路由光电隔离级10，整形电路1，整形电路2，电平转化电路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，分别经过施密特电路整形后，上路信号经电阻R3后驱动MOS晶体管T4，T4为P沟MOS晶体管。下路信号经电平转换后驱动N沟MOS晶体管T5。MOS晶体管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晶体管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。
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。
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。因为整形电路1和整形电路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UGS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整形电路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，晶体管T2截止，输出电平为-V3。当输入为高电平(15V)时，晶体管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和晶体管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，晶体管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。
输入端与晶体管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为晶体管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。该驱动电路还具有结构简单，价格便宜的特点。

Claims (5)

1.一种大容量绝缘栅双极型晶体管驱动电路，包括：光电隔离级(10)，功率放大级(20)，电源(V2，-V3)，其特征在于：所述功率放大级(2C)由低压MOS管(T4，T5)组成，所述驱动电路还包括：整形电路(1)、电阻(R3)、整形电路(2)和电平转换电路(30)；所述光电隔离级(10)的输出端依次与所述整形电路(1)、所述电阻(R3)和所述MOS管(T4)的栅极相连，所述光电隔离级(10)的另一输出端依次与所述整形电路(2)、所述电平转换电路(30)和所述MOS管(T5)的栅极相连。
2.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于：所述光电隔离级(10)由起隔离作用的高速光耦(T1)，电阻(R1，R2)组成，所述功率放大级(20)由低压MOS管(T4，T5)，电阻(R8，R9，R10，R11)组成，所述MOS管(T4)的漏极经所述电阻(R8)、(R9)后与所述MOS管(T5)的漏极相连，所述MOS管(T4)、(T5)的源极分别与电源(V2)、(-V3)相连，所述电阻(R10)的一端与所述电阻(R8)、(R9)相连，另一端与所述电阻(R11)和IGBT的门极相连，所述驱动电路还包括：连接在光电隔离级(10)与MOS管(T4)的栅极之间的整形电路(1)和电阻(R3)，连接在光电隔离级(10)与MOS管(T5)的栅极之间的整形电路(2)和电平转换电路(30)。
3.根据权利要求1或2所述的驱动电路，其特征在于：所述整形电路(1)和整形电路(2)均为施密特电路，所述电平转换电路(30)包括：晶体管(T2，T3)，稳压二极管(D1，D2)，电阻(R4，R5，R6，R7)，电源(V2，-V3)，输入端(①)，输出端(②)，
所述晶体管(T2)的基极通过所述电阻(R4)与所述稳压二极管(D1)的阳极相连，所述稳压二极管(D1)的阴极与所述输入端(①)相连，所述晶体管(T2)的集电极通过所述电阻(R5)与所述电源(V2)相连，同时接在所述稳压二极管(D2)的阴极上，所述晶体管(T2)的发射极与所述输出端(②)和所述晶体管(T3)的集电极相连，同时通过所述电阻(R6)接到所述晶体管(T3)的发射极上，所述晶体管(T3)的基极通过所述电阻(R7)与所述稳压二极管(D2)的阳极相连，所述晶体管(T3)的发射极与所述电源(-V3)相连。
4.根据权利要求1或2所述的驱动电路，其特征在于：所述MOS管(T4)为P沟MOS晶体管，所述MOS管(T5)为N沟MOS晶体管。
5.根据权利要求1或2所述的驱动电路，其特征在于：所述电源(V2)为15V。
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