CN207251460U - 一种抑制igbt关断尖峰的有源钳位电路以及电机控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种抑制IGBT关断尖峰的有源钳位电路以及电机控制器，包括推挽电路、瞬态电压抑制二极管单元、第一电阻，瞬态电压抑制二极管单元连接于IGBT的集电极和门极之间，保证了钳位时刻快速的动态响应，能够在电机相间短路等恶劣工况下更加有效地保护IGBT。第一电阻串接在推挽电路的输入端和输出端之间，能够有效降低TVS管的击穿电流，减小TVS管的功耗，且其失效模式大多为开路，即使开路仍可保证驱动电路能够正常工作；第一电阻的压降远小于推挽电路中的三极管压降，可避免推挽电路中的三极管压降的影响，能够提高IGBT门极电压，减小IGBT的导通损耗。

Description

一种抑制IGBT关断尖峰的有源钳位电路以及电机控制器

技术领域

本实用新型涉及电机控制器领域，尤其涉及一种抑制IGBT关断尖峰的有源钳位电路以及电机控制器。

背景技术

有源钳位电路作为抑制IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极性三极管)关断尖峰最直接、有效的方式之一，已越来越广泛地被关注和应用。有源钳位电路的基本原理是利用IGBT关断尖峰超过TVS管(Transient Voltage Suppressor，瞬态抑制二极管)阻断电压时产生的击穿电流给门极充电，提高门极驱动电压，以减小IGBT关断速度来抑制关断尖峰，从而形成负反馈闭环调节。

由于驱动芯片的带载能力有限，通常需串入一级推挽放大电路，所以传统的有源钳位电路如图1-3所示，其中：第一种有源钳位电路是将TVS管直接反馈至IGBT门极，如图1所示；第二种有源钳位电路是将TVS管反馈至推挽基极，如图2所示；第三种有源钳位电路是将TVS管既反馈至IGBT门极，又反馈至推挽基极，如图3所示。

上述第一种有源钳位电路中的TVS管击穿电流较大，尤其在动力电池最大电压与IGBT电压应力相差不大的场合，过载工况会导致TVS管频繁进行钳位，致使TVS管存在失效的风险，并且其绝大数为短路失效模式，一旦失效，驱动电路、IGBT模块会直接损坏。上述第二种有源钳位电路中反馈通道经过推挽电路增大了延时时间，导致动态响应变慢，尤其在相间短路这类恶劣工况下，产生的电压超调有击穿IGBT的风险。上述第三种有源钳位电路中引入的二极管，同样为短路失效模式，将对驱动电路构成威胁。

另外，上述前两种方案通常需要适当地提高IGBT的关断电阻以保证较好地钳位效果，此举增加了IGBT的开关损耗，势必会降低IGBT的使用能力。由于推挽三极管的B、E压降，图1-3中IGBT的门极电压均会低于驱动正压，约0.7V。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种抑制IGBT关断尖峰的有源钳位电路以及电机控制器。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种抑制IGBT关断尖峰的有源钳位电路，包括推挽电路和瞬态电压抑制二极管单元，所述推挽电路连接于驱动器件的输出端和IGBT器件的门极之间，所述瞬态电压抑制二极管单元连接于所述IGBT器件的集电极和门极之间，还包括连接于所述推挽电路的输入端和输出端之间的第一电阻。

在本实用新型所述的抑制IGBT关断尖峰的有源钳位电路中，所述第一电阻为金膜电阻。

在本实用新型所述的抑制IGBT关断尖峰的有源钳位电路中，所述第一电阻的阻值为20-100欧姆。

在本实用新型所述的抑制IGBT关断尖峰的有源钳位电路中，所述瞬态电压抑制二极管单元包括一个单向瞬态电压抑制二极管以及一个双向瞬态电压抑制二极管，单向瞬态电压抑制二极管的阴极连接所述IGBT器件的集电极，单向瞬态电压抑制二极管的阳极经由所述双向瞬态电压抑制二极管连接所述IGBT器件的门极。

在本实用新型所述的抑制IGBT关断尖峰的有源钳位电路中，所述推挽电路包括一个NPN型的第一三极管以及一个PNP型的第二三极管，所述第一三极管的集电极接正电源，所述第二三极管的集电极接负电源，所述第一三极管的发射极与所述第二三极管的发射极连接，所述第一三极管的基极与所述第二三极管的基极连接，所述第一三极管、第二三极管的基极经由一个第二电阻连接驱动器件的输出端，所述第一三极管、第二三极管的发射极经由一个第三电阻连接所述IGBT器件的门极，所述第一电阻连接于所述第一三极管以及第二三极管的基极和所述第一三极管以及第二三极管的发射极之间。

在本实用新型所述的抑制IGBT关断尖峰的有源钳位电路中，所述IGBT器件的发射极接地，所述IGBT器件的门极与发射极之间连接有相互并联的电容和第四电阻。

在本实用新型所述的抑制IGBT关断尖峰的有源钳位电路中，所述驱动器件为具有源钳位功能的驱动芯片。

本实用新型还要求保护一种电机控制器，其包括所述的有源钳位电路。

实施本实用新型的抑制IGBT关断尖峰的有源钳位电路以及电机控制器，具有以下有益效果：TVS管反馈直接接至IGBT门极，保证了钳位时刻快速的动态响应，能够在电机相间短路等恶劣工况下更加有效地保护IGBT，在推挽电路的输入端和输出端之间串入第一电阻，有效降低TVS管的击穿电流，减小了TVS管的功耗，且失效模式大多为开路，该第一电阻开路后驱动电路可正常工作，未引入失效风险因数，第一电阻的压降远小于推挽电路中的三极管压降，可避免推挽电路中的三极管压降的影响，能够提高IGBT门极电压，减小IGBT的导通损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图：

图1是第一种传统有源钳位电路的结构示意图；

图2是第二种传统有源钳位电路的结构示意图；

图3是第三种传统有源钳位电路的结构示意图；

图4是本实用新型的有源钳位电路的结构示意图；

图5是本实用新型的有源钳位电路在关断时刻的等效模型图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的典型实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，所述“相连”或“连接”，不仅仅包括将两个实体直接相连，也包括通过具有有益改善效果的其他实体间接相连。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。

本说明书中使用的“第一”、“第二”等包含序数的术语可用于说明各种构成要素，但是这些构成要素不受这些术语的限定。使用这些术语的目的仅在于将一个构成要素区别于其他构成要素。例如，在不脱离本发明的权利范围的前提下，第一构成要素可被命名为第二构成要素，类似地，第二构成要素也可以被命名为第一构成要素。

在本实用新型总的思路是：设计了一种有源钳位电路以及包含该有源钳位电路的电机控制器，有源钳位电路包括：推挽电路、瞬态电压抑制二极管单元和第一电阻，推挽电路连接于驱动器件的输出端和IGBT器件的门极之间，所述瞬态电压抑制二极管单元连接于所述IGBT器件的集电极和门极之间，第一电阻连接于推挽电路的输入端和输出端之间。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明，应当理解本实用新型实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本实用新型实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

参考图4，一个具体实施例中有源钳位电路包括：推挽电路10、瞬态电压抑制二极管单元20、电阻R_be。

其中，电阻R_be连接于推挽电路10的输入端和输出端之间的，即图中B、E之间。其中，电阻R_be的大小建议选择为20-100欧姆。优选的，电阻R_be为金膜电阻，以提高耐热性。

其中，瞬态电压抑制二极管单元20直接反馈至IGBT器件Q3的门极，IGBT器件Q3的发射极接地，IGBT器件Q3的门极与发射极之间连接有相互并联的电容C_ge和电阻R_ge。

具体的，所述瞬态电压抑制二极管单元20包括一个单向瞬态电压抑制二极管TVS1以及一个双向瞬态电压抑制二极管TVS2，单向瞬态电压抑制二极管TVS1的阴极连接所述IGBT器件Q3的集电极，单向瞬态电压抑制二极管TVS1的阳极经由所述双向瞬态电压抑制二极管TVS2连接所述IGBT器件Q3的门极。

具体的，所述推挽电路10包括一个NPN型的三极管Q1以及一个PNP型的三极管Q2，三极管Q1的集电极接正电源Vcc，三极管Q2的集电极接负电源Vee，三极管Q1的发射极与三极管Q2的发射极连接，三极管Q1的基极与三极管Q2的基极连接，三极管Q1、三极管Q2的基极经由一个电阻R连接驱动器件的输出端，三极管Q1、三极管Q2的发射极经由一个电阻R_g连接所述IGBT器件的门极，电阻R_be连接于三极管Q1以及三极管Q2的基极和三极管Q1以及三极管Q2的发射极之间。

优选的，所述驱动器件为具有源钳位功能的驱动芯片U1，例如意法的STGAP1AS，有源钳位时i_B≈0。

本实用新型在Q3关断时刻的等效模型如图5所示，其中R'＝V_BE·R/(R_BE·i_B)，R_g'＝V_BE·R_g/[R_BE·i_B·(1+β)]，V_BE为B、E间压降，i_B为基极电流，β为电流增益。

分析等效模型即可知：首先类似图1中的方案，TVS管反馈接至IGBT门极能够保证钳位时刻的动态响应；其次在有源钳位时刻，等效电阻R’、R_g’增加了驱动支路阻抗，使TVS管的击穿电流更多地给门极充电来更快地抬升门极电压，以达到更好的钳位效果。由于等效电阻R’、R_g’与i_B成反比，所以本实施例中采用具有有源钳位功能的驱动IC，钳位效果会更好。虽然串入的R_BE会增大IGBT的驱动参数，但其等效的R’、R_g’在几十毫欧至几百毫欧数量级，对IGBT正常的开关特性影响很小，可不考虑对模块的使用能力的影响。另外，电阻R_be的压降非常小，可避免推挽三极管压降(0.7V)的影响，能够提高IGBT门极电压，减小模块的导通损耗。

基于同一发明构思，本实用新型还公开了一种电机控制器，电机控制器中的IGBT器件通过电机控制器内相应的有源钳位电路进行保护，本实用新型中的电机控制器采用以上的有源钳位电路，其效果参考上述关于有源钳位电路的阐述，此处不再赘述。

综上所述，实施本实用新型的抑制IGBT关断尖峰的有源钳位电路以及电机控制器，具有以下有益效果：TVS管反馈直接接至IGBT门极，保证了钳位时刻快速的动态响应，能够在电机相间短路等恶劣工况下更加有效地保护IGBT，在推挽电路的输入端和输出端之间串入第一电阻，有效降低TVS管的击穿电流，减小了TVS管的功耗，且未引入二极管这类短路失效模式的器件，失效模式大多为开路，该第一电阻开路后驱动电路可正常工作，降低了驱动电路的失效风险，第一电阻的压降远小于推挽电路中的三极管压降，可避免推挽电路中的三极管压降的影响，能够提高IGBT门极电压，减小IGBT的导通损耗。

上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims (8)

1.一种抑制IGBT关断尖峰的有源钳位电路，包括推挽电路和瞬态电压抑制二极管单元，所述推挽电路连接于驱动器件的输出端和IGBT器件的门极之间，所述瞬态电压抑制二极管单元连接于所述IGBT器件的集电极和门极之间，其特征在于，所述有源钳位电路还包括连接于所述推挽电路的输入端和输出端之间的第一电阻。

2.根据权利要求1所述的抑制IGBT关断尖峰的有源钳位电路，其特征在于，所述第一电阻为金膜电阻。

3.根据权利要求1所述的抑制IGBT关断尖峰的有源钳位电路，其特征在于，所述第一电阻的阻值为20-100欧姆。

4.根据权利要求1所述的抑制IGBT关断尖峰的有源钳位电路，其特征在于，所述瞬态电压抑制二极管单元包括一个单向瞬态电压抑制二极管以及一个双向瞬态电压抑制二极管，所述单向瞬态电压抑制二极管的阴极连接所述IGBT器件的集电极，所述单向瞬态电压抑制二极管的阳极经由所述双向瞬态电压抑制二极管连接所述IGBT器件的门极。

5.根据权利要求1所述的抑制IGBT关断尖峰的有源钳位电路，其特征在于，所述推挽电路包括一个NPN型的第一三极管以及一个PNP型的第二三极管，所述第一三极管的集电极接正电源，所述第二三极管的集电极接负电源，所述第一三极管的发射极与所述第二三极管的发射极连接，所述第一三极管的基极与所述第二三极管的基极连接，所述第一三极管、第二三极管的基极经由一个第二电阻连接驱动器件的输出端，所述第一三极管、第二三极管的发射极经由一个第三电阻连接所述IGBT器件的门极，所述第一电阻连接于所述第一三极管以及第二三极管的基极和所述第一三极管以及第二三极管的发射极之间。

6.根据权利要求1所述的抑制IGBT关断尖峰的有源钳位电路，其特征在于，所述IGBT器件的发射极接地，所述IGBT器件的门极与发射极之间连接有相互并联的电容和第四电阻。

7.根据权利要求1所述的抑制IGBT关断尖峰的有源钳位电路，其特征在于，所述驱动器件为具有源钳位功能的驱动芯片。

8.一种电机控制器，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的有源钳位电路。