CN203645530U - 一种绝缘栅双极型晶体管的有源钳位电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种绝缘栅双极型晶体管的有源钳位电路，包括检测电路、比较电路、控制开关、第一电压引入端及第二电压引入端；所述绝缘栅双极型晶体管包括集电极、发射极和栅极；所述检测电路包括与所述集电极相连的第一输入端、与所述发射极相连的第二输入端及输出集电极和发射极之间的检测电压的第一输出端；所述比较电路包括与所述第一输出端相连的第三输入端、与所述第一电压引入端相连的第四输入端及输出所述检测电压和第一电压之间的比较电压的第二输出端；所述控制开关包括与所述栅极相连的第一连接端、与所述第二电压引入端相连的第二连接端及与所述第二输出端相连的控制端。本实用新型能够降低有源钳位电路的能耗。
Description
技术领域
本实用新型涉及绝缘栅双极型晶体管的驱动设计领域，特别涉及一种绝缘栅双极型晶体管的有源钳位电路。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是由场效应晶体管(MOSFET)和双极型晶体管(PNP晶体)复合而成的一种器件，其输入极为场效应晶体管，输出极为双极型晶体管，其中，场效应晶体管用于控制双极型晶体管。绝缘栅双极型晶体管融和了场效应晶体管和双极型晶体管这两种器件的优点，因而既具有场效应晶体管器件驱动简单和快速的优点，又具有双极型晶体管器件容量大的优点，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用。
在中高功率电源装置中，绝缘栅双极型晶体管由于其控制驱动电路简单、工作频率较高、容量较大的特点，已逐步取代晶闸管或GTO，成为中高功率电源装置中最常用的功率半导体器件。但是在电源装置中，由于它工作在高频与高电压、大电流的条件下，容易损坏；另外，电源作为系统的前级，由于受电网波动、雷击等原因的影响使得它所承受的应力更大，故绝缘栅双极型晶体管的可靠性直接关系到电源的可靠性。一般地，在选择绝缘栅双极型晶体管时除了要作降额考虑外，对绝缘栅双极型晶体管的保护设计也是电源设计时需要重点考虑的一个环节。
图1为一种绝缘栅双极型晶体管10的结构示意图，绝缘栅双极型晶体管10的输入部分为场效应晶体管、输出部分为电力晶体管，包括集电极c、发射极e和栅极g，其中，集电极c连接至母线电压Vbus，发射极e浮地或接地，集电极c的连线上还等效有寄生电感Lo。绝缘栅双极型晶体管10有以下优点：高输入阻抗，电压控制，驱动功率小，开关速度快、一般工作频率可达10～40kHz。饱和压降低，电压电流容量较大，安全工作区较宽。
当绝缘栅双极型晶体管10栅极关断时，集电极c至发射极e的电流Ice急剧减少，这时，由于寄生电感Lo的电流方向不能突变，关断期间电流Ice急剧减少导致寄生电感Lo的两端产生尖峰电压ΔV，满足ΔV=L*(dIce/dt)，其中，L为寄生电感Lo的等效电感。图2示意了电流Ice在t1时刻至t2时刻的电流曲线示意图，图3示意了寄生电感Lo两端的电压VL在在t1时刻至t2时刻的电压曲线示意图。可见图2中，在绝缘栅双极型晶体管10栅极关断的Tm时刻，电流Ice急剧减少，而图3中，因Tm时刻电流Ice急剧减少，导致寄生电感Lo在Tm时刻后两端产生尖峰电压ΔV。
在上述情况发生时，寄生电感Lo两端所产生的尖峰电压ΔV会和母线电压Vbus叠加后加载到绝缘栅双极型晶体管10的集电极c和发射极e之间，当集电极c和发射极e之间的电压值超过绝缘栅双极型晶体管10的额定电压(一般晶体管的额定电压小于晶体管的击穿电压)，那么绝缘栅双极型晶体管10被击穿的可能就会大大增加。
从上述分析可知，有效地减少尖峰电压对提高绝缘栅双极型晶体管的可靠性很有帮助，是对绝缘栅双极型晶体管驱动设计的必须考虑因素。
为了在绝缘栅双极型晶体管的栅极关断时，有效降低绝缘栅双极型晶体管集电极和发射极之间的电压，避免上述尖峰电压的产生，现有技术提供了一种绝缘栅双极型晶体管的有源钳位电路。
绝缘栅双极型晶体管的有源箝位电路是一种过压保护电路：在绝缘栅双极型晶体管在关断时，过高的dIce/dt在线路寄生电感上产生电压尖峰，所述电压尖峰叠加到绝缘栅双极型晶体管集电极和发射极，会导致绝缘栅双极型晶体管过压击穿，利用有源箝位电路则能在上述过程中对绝缘栅双极型晶体管实现过压保护。绝缘栅双极型晶体管的有源钳位电路是高级IGBT驱动设计中经常使用的一种电路。
如图4所示的一种绝缘栅双极型晶体管的有源箝位电路，包括：
如图1所示的绝缘栅双极型晶体管10，以及绝缘栅双极型晶体管10集电极c和栅极g之间连接的TVS(Transient Voltage Suppressor，即瞬态电压抑制器)管20。
当绝缘栅双极型晶体管10关断时，集电极c和发射极e之间的电压若超过TVS管20的动作电压时，TVS管20被击穿，且TVS管20输出电流至绝缘栅双极型晶体管10的栅极，使栅极上的驱动电压缓慢下降(也即使绝缘栅双极型晶体管10缓慢关断)，集电极c至发射极e的电流Ice从而能够缓慢减少，避免形成等效电感Lo两端的尖峰电压。
上述有源钳位电路的原理为：以绝缘栅双极型晶体管集电极和发射极间电压为检测量，当集电极和发射极间电压超过设定值后，往绝缘栅双极型晶体管的栅极注入电流，以减缓驱动电压的下降速度，也就是减少dIce/dt的值，这样晶体管集电极和发射极间的电压也会随dIce/dt值下降而下降。
但现有技术的上述有源钳位电路至少具有如下缺陷：
TVS管的动作电压在一定范围内波动，导致有源箝位电压不是一个确定值。在对上述电路产品批量生产时，这种不确定性导致电路所选PVS管参数的离散性大，不容易控制电路产品的一致性。为安全工作，在前期对电路产品的设计会对所述PVS管的动作电压留有裕量，使所选TVS管标称的动作电压相对需扼制的尖峰电压偏低，导致TVS管的漏电流偏大，在TVS管未动作时会有较大损耗。而在TVS管动作时，流过TVS管的电流又会进一步在TVS管上产生较大损耗。现有技术的有源钳位电路在能耗上的性能较差。另外，为了提高现有技术有源钳位电路的可靠性，往往需要选取尺寸较大的TVS管，导致电路面积过大。
实用新型内容
本实用新型解决的问题是如何降低有源钳位电路的能耗。
为解决上述问题，本实用新型提供了一种绝缘栅双极型晶体管的有源钳位电路，所述绝缘栅双极型晶体管包括集电极、发射极和栅极，所述有源钳位电路包括检测电路、比较电路、控制开关、第一电压引入端及第二电压引入端；
所述检测电路包括与所述集电极相连的第一输入端、与所述发射极相连的第二输入端及输出集电极和发射极之间的检测电压的第一输出端；所述比较电路包括与所述第一输出端相连的第三输入端、与所述第一电压引入端相连的第四输入端及输出所述检测电压和第一电压之间的比较电压的第二输出端；所述控制开关包括与所述栅极相连的第一连接端、与所述第二电压引入端相连的第二连接端及与所述第二输出端相连的控制端。
可选的，所述检测电路还包括：
连接在所述第一输入端和第一输出端之间的第一电阻；
连接在所述第二输入端和第一输出端之间串联的第二电阻。
可选的，所述比较电路包括电压比较器；
所述第三输入端为所述电压比较器的负端；
所述第四输入端为所述电压比较器的正端；
所述第二输出端为所述电压比较器的输出端。
可选的，所述电压比较器为滞回比较器。
可选的，所述电压比较器包括连接在所述第四输入端和第二输出端之间的第三电阻。
可选的，所述控制开关为PMOS管；
所述第一连接端为所述PMOS管的漏极；
所述第二连接端为所述PMOS管的源极；
所述控制端为所述PMOS管的栅极。
可选的，所述绝缘栅双极型晶体管的有源钳位电路还包括第四电阻，所述第二输出端通过所述第四电阻与所述控制端相连。
可选的，所述绝缘栅双极型晶体管的有源钳位电路还包括第五电阻，所述第一连接端通过所述第五电阻与所述栅极相连。
可选的，所述绝缘栅双极型晶体管的有源钳位电路还包括第六电阻，所述第四输入端通过所述第六电阻与所述第一电压引入端相连。
可选的，所述绝缘栅双极型晶体管的有源钳位电路还包括第一电压源和第二电压源，所述第一电压源的输出端连接至所述第一电压引入端，所述第二电压源的输出端连接至所述第二电压引入端。
与现有技术相比，本实用新型的技术方案至少具有以下技术效果：
本实用新型的绝缘栅双极型晶体管的有源钳位电路通过第一电压引入端和检测电路获得确定的动作电压(第一电压)和检测电压，利用比较电路比较所述第一电压和检测电压，从而能够有效实现有源钳位，建立起稳定且确定的动作电压，提高了有源箝位动作电压一致性；不同于现有技术有源钳位电路需要通过击穿TVS管以实现有源钳位，本实用新型避免使用TVS管，因而有效地降低了有源箝位损耗。
在可选方案中，检测电路是通过电阻分压获得检测电压的，因而检测电压、第一电压、第二电压都可以是小信号，所述控制开关可以使用小尺寸的晶体管实现，本实用新型能够进一步节省电路能耗。
在可选方案中，比较电路可以使用滞回比较器实现，以防止比较电路在设定的第一电压附近频繁翻转，能够进一步提高有源箝位动作电压一致性，从而提高本实用新型有源钳位电路的电路性能。
附图说明
图1为一种绝缘栅双极型晶体管的结构示意图；
图2为绝缘栅双极型晶体管10中，电流Ice在t1时刻至t2时刻的电流曲线示意图；
图3为绝缘栅双极型晶体管10中，寄生电感Lo两端的电压VL在在t1时刻至t2时刻的电压曲线示意图；
图4为现有技术的一种绝缘栅双极型晶体管的有源箝位电路的结构示意图；
图5为本实用新型提供的一种绝缘栅双极型晶体管的有源箝位电路的结构示意图；
图6为绝缘栅双极型晶体管30中，电压Vce在t1时刻至t2时刻的电压曲线示意图；
图7为绝缘栅双极型晶体管30中，检测电压Vt在t1时刻至t2时刻的电压曲线示意图；
图8为绝缘栅双极型晶体管30中，比较电压Vc在t1时刻至t2时刻的电压曲线示意图；
图9为绝缘栅双极型晶体管30中，电压Vge在t1时刻至t2时刻的电压曲线示意图；
图10为比较电路50的反相滞回曲线示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施例做详细的说明。
本实施例提供了一种如图5所示的绝缘栅双极型晶体管的有源钳位电路。
图5中，绝缘栅双极型晶体管30的具体结构可以参考图1所示的绝缘栅双极型晶体管10，包括集电极C、发射极E和栅极G(图5中未示出集电极C连线上等效的寄生电感)。
本实施例的有源钳位电路包括检测电路40、比较电路50、控制开关60、第一电压引入端70及第二电压引入端80，其中，第一电压引入端70连接至第一电压V1，第二电压引入端80连接至第二电压V2。
检测电路40包括与集电极C相连的第一输入端400、与发射极E相连的第二输入端401及输出集电极C和发射极E之间的检测电压Vt的第一输出端402。
比较电路50包括与第一输出端402相连的第三输入端500、与第一电压引入端70相连的第四输入端501及输出检测电压Vt和第一电压V1之间的比较电压Vc的第二输出端502。
控制开关60包括与栅极G相连的第一连接端600、与第二电压引入端80相连的第二连接端601及与第二输出端502相连的控制端602。
在本实施例中，检测电路40是通过电阻分压获得检测电压Vt的，检测电路40还包括：
连接在第一输入端400和第一输出端402之间的第一电阻R1；
连接在第二输入端401和第一输出端402之间串联的第二电阻R2。
具体的，比较电路50包括电压比较器cmp，其中，第三输入端500为电压比较器cmp的负端，第四输入端501为电压比较器cmp的正端，第二输出端502为电压比较器cmp的输出端。
电压比较器cmp可以是滞回比较器。当然，也可以参考图5，在电压比较器cmp的正端和输出端之间连接第三电阻R3，以构成电压比较器cmp的滞回电路，即比较电路50包括电压比较器cmp及其滞回电路。
滞回比较器或滞回电路可以避免由于比较电路输入端的寄生反馈所造成的比较电路的输出振荡，且可以提高电路的抗干扰性能，进一步提高有源箝位动作电压一致性，从而提高本实用新型有源钳位电路的电路性能。
在本实施例中，控制开关60具体为一PMOS管，其中，第一连接端600为PMOS管的漏极，第二连接端601为PMOS管的源极，控制端602为PMOS管的栅极。
继续参考图5，考虑到比较电压Vc是连接到PMOS管的栅极的，是PMOS管工作的驱动电压，为了更好地控制电路的驱动能力，本实施例的绝缘栅双极型晶体管的有源钳位电路还包括：第四电阻R4，第二输出端502通过第四电阻R4与控制端602相连。
第四电阻R4可以用于配置比较电压Vc的驱动能力，提高本实施例的电路性能。
类似的，为了控制电路的驱动能力，本实施例的绝缘栅双极型晶体管的有源钳位电路还包括：第五电阻R5，第一连接端600通过第五电阻R5与栅极G相连。
类似的，为了控制电路的驱动能力，本实施例的绝缘栅双极型晶体管的有源钳位电路还包括：第六电阻R6，第四输入端501通过第六电阻R6与第一电压引入端70相连。
此外，本实施例的绝缘栅双极型晶体管的有源钳位电路还包括：第一电压源U1和第二电压源U2，第一电压源U1产生并输出第一电压V1至第一电压引入端70，第二电压源U2产生并输出第二电压V2至第二电压引入端80。当然，在其他实施例中，第一电压V1和第二电压V2也可以由外部设备提供。
在本实用新型技术方案中，需要说明的是：
上述第一电压V1实际为一基准电压，第二电压V2为比较电路500的供电电压，即第一电压源U1为一基准电压源，第二电压源U2为一供电电压源。
检测电路40中，由于第一电阻R1的一端连接到绝缘栅双极型晶体管30的集电极C后、另一端连接第二电阻R2连接形成分压电路，在第二电阻R2上形成一个和绝缘栅双极型晶体管30集电极C和发射极E之间电压差Vce成比例的检测电压Vt。检测电压Vt和Vce的关系是：
Vt=Vce*R2/(R2+R1)；
在本实施例中，有源钳位电路的动作电压的电压值可认为与第一电压V1的电压值相等。当检测电压Vt的值达到第一电压V1的电压值时，电压比较器cmp翻转，输出从接近正电源的电平值变成接近负电源的电平值，这时控制开关60导通，并向绝缘栅双极型晶体管30的栅极G注入电流，减缓驱动的下降速度，也就是减少dIce/dt的值，绝缘栅双极型晶体管30的集电极C和发射极E间的电压也会随dIce/dt下降而下降，实现有源箝位的目的。
基于图2对绝缘栅双极型晶体管30进行驱动，图6至图9分别示意了电压Vce、检测电压Vt、比较电压Vc、电压Vge在t1时刻至t2时刻的电压曲线示意图。其中，电压Vge为加载在绝缘栅双极型晶体管30栅极G上的驱动电压。
基于图6至图9可知，在绝缘栅双极型晶体管30栅极关断的Tm时刻，电压Vce升高而产生尖峰电压。此时，检测电压Vt随电压Vce的升高而上升，在检测电压Vt的电压值达到第一电压V1的电压值的Tn时刻，电压比较器cmp翻转，比较电压Vc从高电平“1”翻转为低电平“0”。因比较电压为低电平，控制开关60导通，并向绝缘栅双极型晶体管30的栅极G注入电流，使绝缘栅双极型晶体管30栅极G上的驱动电压Vge缓慢下降，减少dIce/dt的数值(减小Tm时刻后电压Vce的上升速度)，以消除尖峰电压，实现有源箝位。
本实用新型的使用范围不限于解决所述尖峰电压导致的绝缘栅双极型晶体管具备击穿风险的问题。由于本实用新型的动作电压在数值上被第一电压的电压值所控制，因而本实用新型技术方案的应用范围更为广泛，能够自由设定所述动作电压。
除了上述内容以外，本实用新型技术方案的比较电路具备滞回电路的结构。滞回电路可以防止比较电路的比较信号Vc在设定的第一电压V1的电压值附近频繁地翻转，从而提高电路动作电压的一致性。图10所示的为本实施例采用滞回电路结构的比较电路50的反相滞回曲线示意图。
图10中，横坐标轴为检测电压Vt的数轴，纵坐标轴为比较信号Vc的数轴。其中，横坐标轴上x1点的数值为：V1*R3/(R2+R3)，x2点的数值为：(V1*R3+V2*R2)/(R2+R3)。
虽然本实用新型披露如上，但本实用新型并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (10)
1.一种绝缘栅双极型晶体管的有源钳位电路，所述绝缘栅双极型晶体管包括集电极、发射极和栅极，其特征在于，所述有源钳位电路包括检测电路、比较电路、控制开关、第一电压引入端及第二电压引入端；
所述检测电路包括与所述集电极相连的第一输入端、与所述发射极相连的第二输入端及输出集电极和发射极之间的检测电压的第一输出端；所述比较电路包括与所述第一输出端相连的第三输入端、与所述第一电压引入端相连的第四输入端及输出所述检测电压和第一电压之间的比较电压的第二输出端；所述控制开关包括与所述栅极相连的第一连接端、与所述第二电压引入端相连的第二连接端及与所述第二输出端相连的控制端。
2.如权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管的有源钳位电路，其特征在于，所述检测电路还包括：
连接在所述第一输入端和第一输出端之间的第一电阻；
连接在所述第二输入端和第一输出端之间串联的第二电阻。
3.如权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管的有源钳位电路，其特征在于，所述比较电路包括电压比较器；
所述第三输入端为所述电压比较器的负端；
所述第四输入端为所述电压比较器的正端；
所述第二输出端为所述电压比较器的输出端。
4.如权利要求3所述的绝缘栅双极型晶体管的有源钳位电路，其特征在于，所述电压比较器为滞回比较器。
5.如权利要求4所述的绝缘栅双极型晶体管的有源钳位电路，其特征在于，所述电压比较器包括连接在所述第四输入端和第二输出端之间的第三电阻。
6.如权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管的有源钳位电路，其特征在于，所述控制开关为PMOS管；
所述第一连接端为所述PMOS管的漏极；
所述第二连接端为所述PMOS管的源极；
所述控制端为所述PMOS管的栅极。
7.如权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管的有源钳位电路，其特征在于，还包括第四电阻，所述第二输出端通过所述第四电阻与所述控制端相连。
8.如权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管的有源钳位电路，其特征在于，还包括第五电阻，所述第一连接端通过所述第五电阻与所述栅极相连。
9.如权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管的有源钳位电路，其特征在于，还包括第六电阻，所述第四输入端通过所述第六电阻与所述第一电压引入端相连。
10.如权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管的有源钳位电路，其特征在于，还包括第一电压源和第二电压源，所述第一电压源的输出端连接至所述第一电压引入端，所述第二电压源的输出端连接至所述第二电压引入端。
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
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