CN201533296U - 一种单个或多个串联连接的绝缘栅器件的驱动电路 - Google Patents
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Abstract
一种单个或多个串联连接的绝缘栅器件的驱动电路，每个绝缘栅器件设有一个与其栅极连接的驱动单元，所述驱动单元包括至少一个比较放大电路；每个绝缘栅器件设有集电极-发射极电压或漏极-源极电压反馈电路，其输入端与绝缘栅器件的集电极或漏极连接，输出端与第一个比较放大电路的比较信号输入端连接。既可以控制开通和关断过程中绝缘栅器件的电压过冲，防止绝缘栅器件由于过电压而损坏，并减少由高集电极-发射极电压变化率或漏极-源极电压变化率和过电压对绝缘系统产生的影响，大幅度提高设备的可靠性和稳定性，还可以有效解决绝缘栅器件在中、高压应用场合直接串联时的集电极-发射极电压或漏极-源极电压暂态均压问题，达到理想的均压效果。
Description
技术领域
本实用新型涉及驱动电路，特别是涉及一种单个或多个串联连接的绝缘栅器件的驱动电路。
背景技术
具有绝缘栅结构的绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，缩略为IGBT)和金属氧化物半导体场效应管(Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor，缩略为MOSFET)通常在电力电子电路中用作开关器件，这些绝缘栅器件在开通和关断两种稳态下，其电压、电流值由外电路确定；而在开通和关断转换过程中出现的开通暂态和关断暂态下，其电压、电流的轨迹具有不确定性。现有采用电阻、电容、电感等模拟器件构成的开环驱动电路，只能对绝缘栅器件进行简单的开关控制，不能对暂态过程进行控制。即只是在收到外来控制信号后直接施加高电压或者低电压于某个绝缘栅器件的栅极，以实现开通或关断的基本功能，尚不能对绝缘栅器件开通暂态和关断暂态下的集电极-发射极电压或漏极-源极电压、集电极-发射极电压变化率或漏极-源极电压变化率，以及集电极电流变化率或漏极电流变化率等进行控制，绝缘栅器件常常由于开通暂态和关断暂态中出现的过电压或者过电流而损害，制约了功率半导体器件在高可靠性、高智能化设备中广泛应用。另一方面，由于集电极-发射极电压或漏极-源极电压不可控，在需要多个绝缘栅器件串联的中、高压应用场合，串联的各个绝缘栅器件无法有效进行集电极-发射极电压或漏极-源极电压的均压，运行过程中部分绝缘栅器件由于集电极-发射极电压或漏极-源极电压超出额定值而击穿，会造成整套设备损坏。多个绝缘栅器件直接串联应用的安全性至今仍是业界的难题。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的不足，提出一种采用闭环反馈的单个或多个串联连接的绝缘栅器件的驱动电路。
本实用新型的技术问题采用以下技术方案予以解决：
这种单个或多个串联连接的绝缘栅器件的驱动电路的特点是：
每个绝缘栅器件设有一个与其栅极连接的驱动单元，所述驱动单元包括至少一个比较放大电路，其中第一个比较放大电路的参考电压输入端连接有预设定的集电极-发射极或漏极-源极参考电压。
每个绝缘栅器件设有集电极-发射极电压或漏极-源极电压反馈电路，所述集电极-发射极电压或漏极-源极电压反馈电路的输入端与绝缘栅器件的集电极或漏极连接，输出端与第一个比较放大电路的比较信号输入端连接，将集电极-发射极电压或漏极-源极电压衰减后的反馈电压引入第一个比较放大电路，与预设定的集电极-发射极或漏极-源极参考电压进行比较，并按照设定的比例放大后，通过栅极电阻连接到绝缘栅器件的栅极，以此构成一闭环负反馈控制回路，控制绝缘栅器件的栅极-发射极电压或栅极-源极电压。
所述集电极-发射极电压或漏极-源极电压反馈电路输出的反馈电压为弱电，在第一比较放大电路输入电压允许范围内，如±15V之间。
优选的是，所述集电极-发射极电压或漏极-源极电压反馈电路是两对高耐压电阻和电容并联之后再串联的三端网络。
所述第一个比较放大电路的输出幅值限定于绝缘栅器件的栅极电压允许范围内。根据控制理论适当选择集电极-发射极电压或漏极-源极电压反馈电路和第一个比较放大电路的参数，闭环负反馈回路的控制可以达到良好的效果，在绝缘栅器件开通和关断过程中集电极-发射极电压或漏极-源极电压可以跟随预设定的集电极-发射极或漏极-源极参考电压而变化，实现对绝缘栅器件开通和关断的精确闭环控制。
所述第一个比较放大电路是运算放大器。
优选的是，所述集电极-发射极或漏极-源极参考电压由现场可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array，缩略为FPGA)生成。
所述驱动单元还包括缓冲放大电路，所述缓冲放大电路连接在最后一个比较放大电路与绝缘栅器件的栅极电阻之间。对最后一个比较放大电路的输出进行电流放大，以加快绝缘栅器件的响应速度。
优选的是，所述缓冲放大电路是由一对三极管或金属氧化物半导体场效应管构成的推挽放大电路。
本实用新型的技术问题采用以下进一步的技术方案予以解决：
每个绝缘栅器件设有栅极-发射极电压或栅极-源极电压反馈电路，所述栅极-发射极电压或栅极-源极电压反馈电路的输入端与绝缘栅器件的栅极连接，输出端与第二个比较放大电路的比较信号输入端连接，所述第二个比较放大电路的参考电压输入端与第一个比较放大电路输出端连接。以此引入栅极-发射极电压或栅极-源极电压的反馈电压，将栅极-发射极电压或栅极-源极电压反馈电路输出的反馈电压与第一个比较放大电路的输出进行比较，并按照设定的比例放大后，通过栅极电阻连接到绝缘栅器件栅极，以此构成又一闭环负反馈控制回路，控制绝缘栅器件的栅极-发射极电压或栅极-源极电压。
所述第二个比较放大电路的输出幅值限定于绝缘栅器件的栅极电压允许范围内。根据控制理论适当选择栅极-发射极电压或栅极-源极电压反馈电路和第二个比较放大电路的参数，这个又一闭环负反馈回路的控制可以达到良好的效果，在绝缘栅器件开通和关断过程中集电极-发射极电压或漏极-源极电压可以更好地跟随预设定的集电极-发射极或漏极-源极参考电压而变化，实现对绝缘栅器件开通和关断的更精确闭环控制。
优选的是，所述栅极-发射极电压或栅极-源极电压反馈电路是一条连接导线，将绝缘栅器件栅极和第二个比较放大电路的比较信号输入端连接。
所述第二个比较放大电路是运算放大器。
每个绝缘栅器件设有集电极-发射极电压变化率或漏极-源极电压变化率反馈电路，所述集电极-发射极电压变化率或漏极-源极电压变化率反馈电路包括微分电路，所述微分电路的输入端与绝缘栅器件的集电极或漏极连接，输出端与最后一个比较放大电路的输出端通过一个电阻连接，所述微分电路输出的反馈电流在所述电阻上产生电压降，使得输入到缓冲放大电路的电压为最后一个比较放大电路的输出电压和此电压的叠加，其电流通过缓冲放大电路放大后，再通过栅极电阻至绝缘栅器件的栅极，以此构成再一闭环负反馈控制回路，对绝缘栅器件进行控制。增加集电极-发射极电压变化率或漏极-源极电压变化率反馈电路，可以进一步提高整体电路的稳定性和绝缘栅器件的响应特性。
优选的是，所述微分电路是一对高耐压电阻和电容串联的二端网络。
本实用新型与现有技术对比的有益效果是：
本实用新型引入了闭环负反馈控制和用户自行预设定的集电极-发射极或漏极-源极参考电压，对绝缘栅器件开关过程中的动态特性进行控制，包括开通暂态和关断暂态下的集电极-发射极电压或漏极-源极电压轨迹和箝位电压等多种参数的控制。通过合理设定集电极-发射极或漏极-源极参考电压，既可以控制开通和关断过程中绝缘栅器件的电压过冲，防止绝缘栅器件由于过电压而损坏，并减少由高集电极-发射极电压变化率或漏极-源极电压变化率和过电压对绝缘系统产生的影响，大幅度提高设备的可靠性和稳定性，又可以使同样电压等级的绝缘栅器件工作在更高的电压下，并在保障可靠性的前提下提高器件的利用率，省去常用的缓冲吸收电路，降低制造成本。还可以有效解决绝缘栅器件在中、高压应用场合直接串联时的集电极-发射极电压或漏极-源极电压暂态均压问题。由于串联的每个绝缘栅器件的集电极-发射极电压或漏极-源极电压在暂态过程中都跟随合理设定的相同的集电极-发射极或漏极-源极参考电压，每个绝缘栅器件的集电极-发射极电压或漏极-源极电压能够有效保持一致，达到理想的均压效果。
附图说明
图1是本实用新型具体实施方式一的组成方框图；
图2是图1的闭环负反馈控制回路图；
图3是本实用新型具体实施方式二的组成方框图；
图4是本实用新型具体实施方式三的组成方框图。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式并对照附图对本实用新型作进一步说明。
具体实施方式一
一种如图1、2所示的闭环负反馈IGBT驱动电路，包括VCE反馈电路、比较放大电路、缓冲放大电路、栅极电阻RG和参考信号发生器。VCE反馈电路输出与IGBT集电极-发射极电压VCE成一定比例关系的反馈电压VFB1。
用户输入驱动信号一般为方波，触发发生集电极-发射极参考电压VREF，与反馈电压VFB1在比较放大电路进行比较，所得的差值再经过电压放大以及由缓冲放大电路电流放大后，通过栅极电阻RG加在IGBT的栅极上驱动IGBT。
具体实施方式二
一种如图3所示的多重闭环负反馈IGBT驱动电路，与具体实施方式一基本相同，只是增加了VGE反馈电路、dVCE/dt反馈电路和比较放大电路2。VGE反馈电路输出与IGBT栅极-发射极电压VGE成一定比例关系的反馈电压VFB2，dVCE/dt反馈电路输出与IGBT集电极-发射极电压变化率dVCE/dt成一定比例关系的反馈电流IFB1。
用户输入驱动信号触发发生集电极-发射极参考电压VREF，与反馈电压VFB1在比较放大电路1进行比较，所得的差值再经过电压放大，再与反馈电压VFB2在比较放大电路2进行比较，所得的差值再经过电压放大后，与dVCE/dt反馈电路输出的反馈电流IFB1在电阻R上产生的电压降叠加，由缓冲放大电路电流放大后，通过栅极电阻RG加在IGBT的栅极上驱动IGBT。
具体实施方式三
一种如图4所示的闭环负反馈控制三个串联的IGBT驱动电路，每个IGBT与驱动电路的连接方式与具体实施方式一相同，且每个IGBT驱动单元都采用完全相同的集电极-发射极参考电压VREF。由于每个IGBT的集电极-发射极电压VCE都跟随完全相同的集电极-发射极参考电压VREF而保持一致，可以有效实现三个IGBT开关暂态过程中集电极-发射极电压VCE的均压。
本具体实施方式通用于至少两个IGBT串联，驱动电路也可以采用具体实施方式二的多重闭环负反馈控制。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种单个或多个串联连接的绝缘栅器件的驱动电路，其特征在于：
每个绝缘栅器件设有一个与其栅极连接的驱动单元，所述驱动单元包括至少一个比较放大电路，其中第一个比较放大电路的参考电压输入端连接有预设定的集电极-发射极或漏极-源极参考电压；
每个绝缘栅器件设有集电极-发射极电压或漏极-源极电压反馈电路，所述集电极-发射极电压或漏极-源极电压反馈电路的输入端与绝缘栅器件的集电极或漏极连接，输出端与第一个比较放大电路的比较信号输入端连接。
2.如权利要求1所述的单个或多个串联连接的绝缘栅器件的驱动电路，其特征在于：
所述集电极-发射极电压或漏极-源极电压反馈电路是两对高耐压电阻和电容并联之后再串联的三端网络。
3.如权利要求1或2所述的单个或多个串联连接的绝缘栅器件的驱动电路，其特征在于：
所述第一个比较放大电路是运算放大器。
4.如权利要求3所述的单个或多个串联连接的绝缘栅器件的驱动电路，其特征在于：
所述驱动单元还包括缓冲放大电路，所述缓冲放大电路连接在最后一个比较放大电路与绝缘栅器件的栅极电阻之间。
5.如权利要求4所述的单个或多个串联连接的绝缘栅器件的驱动电路，其特征在于：
所述缓冲放大电路是由一对三极管或金属氧化物半导体场效应管构成的推挽放大电路。
6.如权利要求5所述的单个或多个串联连接的绝缘栅器件的驱动电路，其特征在于：
每个绝缘栅器件设有栅极-发射极电压或栅极-源极电压反馈电路，所述栅极-发射极电压或栅极-源极电压反馈电路的输入端与绝缘栅器件的栅极连接，输出端与第二个比较放大电路的比较信号输入端连接，所述第二个比较放大电路的参考电压输入端与第一个比较放大电路输出端连接。
7.如权利要求6所述的单个或多个串联连接的绝缘栅器件的驱动电路，其特征在于：
所述栅极-发射极电压或栅极-源极电压反馈电路是一条连接导线。
8.如权利要求7所述的单个或多个串联连接的绝缘栅器件的驱动电路，其特征在于：
所述第二个比较放大电路是运算放大器。
9.如权利要求8所述的单个或多个串联连接的绝缘栅器件的驱动电路，其特征在于：
每个绝缘栅器件设有集电极-发射极电压变化率或漏极-源极电压变化率反馈电路，所述集电极-发射极电压变化率或漏极-源极电压变化率反馈电路包括微分电路，所述微分电路的输入端与绝缘栅器件的集电极或漏极连接，输出端与最后一个比较放大电路的输出端通过一个电阻连接。
10.如权利要求9所述的单个或多个串联连接的绝缘栅器件的驱动电路，其特征在于：
所述微分电路是一对高耐压电阻和电容串联的二端网络。
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