CN208158120U

CN208158120U - 一种用于igbt过压保护的有源钳位电路

Info

Publication number: CN208158120U
Application number: CN201820777150.7U
Authority: CN
Inventors: 魏海山; 杨乐乐; 杨涛; 唐威; 谢舜蒙; 欧阳柳; 马龙昌; 李彦涌; 朱武; 张东辉
Original assignee: CRRC Zhuzhou Institute Co Ltd
Current assignee: CRRC Zhuzhou Institute Co Ltd
Priority date: 2018-05-23
Filing date: 2018-05-23
Publication date: 2018-11-27
Anticipated expiration: 2028-05-23

Abstract

本实用新型公开了一种用于IGBT过压保护的有源钳位电路，该电路分别与IGBT、IGBT控制器和IGBT驱动器连接。所述有源钳位电路包括：钳位控制模块，其吸收经过自身的IGBT过压信号的能量，将吸收后的IGBT过压信号转换成相应的钳位电压信号，并钳制钳位电压信号在正电源处，使得IGBT栅极电压的最大值控制在IGBT开通阈值之下，实现抑制IGBT过压信号的功能；第一/第二过压反馈模块，其与钳位控制模块连接，将接收到的所述钳位电压信号分别反馈至IGBT驱动器的控制极和IGBT的栅极。本实用新型能够吸收部分IGBT关断过压能量，电路简单，嵌位效果明显，灵活设置IGBT最大栅极嵌位电压，实现对IGBT运行状态的综合评估和主动防护。

Description

一种用于IGBT过压保护的有源钳位电路

技术领域

本实用新型涉及功率半导体器件驱动技术领域，尤其是涉及一种用于IGBT过压保护的有源钳位电路。

背景技术

IGBT运行中的关断过电压一直影响着IGBT的可靠性，设计IGBT的过压防护电路，成为了提高IGBT可靠性的重要研究方向。利用TVS管进行有源钳位，控制IGBT关断过程，可有效降低IGBT的关断过电压。但目前各种有源嵌位电路都主要存在IGBT异常过压时，对IGBT栅极的异常冲击及钳位电路器件本身的可靠性产生影响，从而损坏IGBT器件甚至钳位保护电路。

在现有技术中，为了防止IGBT关断过电压损坏IGBT，采取的手段都是通过TVS管将IGBT的集电极电压转换为电流信号注入IGBT的栅极或者IGBT驱动器的控制极，通过抬升IGBT的栅极电压来降低IGBT的关断过电压。但这种方法会引起IGBT的栅极电压过高，特别是在IGBT静态电压过高时，往往会误触发IGBT栅极电压动作，导致IGBT二次开通，引起IGBT损坏。另外，若为了优化IGBT过压钳位效果，增加根据反馈信号去动态调节IGBT驱动器的控制极，则需要配合复杂的电路，实现控制IGBT栅极电压的功能。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题之一是需要提供一种用于IGBT过压保护的有源钳位电路，能够实现IGBT过电压吸收、IGBT过电压钳位、IGBT钳位动作检测和IGBT栅极电压钳位功能。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种用于IGBT过压保护的有源钳位电路，该电路分别与IGBT、IGBT控制器和IGBT驱动器连接，所述有源钳位电路包括：钳位控制模块，其吸收经过自身的IGBT过压信号的能量，将吸收后的所述IGBT过压信号转换成相应的钳位电压信号，并钳制所述钳位电压信号在正电源处，使得IGBT栅极电压的最大值控制在IGBT开通阈值之下，实现抑制IGBT过压信号的功能；和第一/第二过压反馈模块，其与所述钳位控制模块连接，将接收到的所述钳位电压信号分别反馈至所述IGBT驱动器的控制极和IGBT的栅极。

优选地，所述钳位控制模块包括：过电压吸收单元，其接收IGBT生成的IGBT过压信号，将该信号进行能量吸收处理；钳位动作单元，其具备钳位TVS管和与所述钳位TVS管两端连接的充电电容，在所述钳位TVS管以及所述充电电容的控制下，将所述过电压吸收单元反馈的处理结果转换成所述钳位电压信号，其中，所述钳位TVS管的阴极与正电源连接，并且其阳极接入IGBT发射极。

优选地，所述过电压吸收单元包括：与所述钳位TVS管连接的第三限流电阻、与所述第三限流电阻连接的双向保护晶体管以及与所述双向保护晶体管连接的二极管串联装置。

优选地，所述有源钳位电路还包括：钳位动作检测模块，其与所述钳位控制模块连接，对接收到的所述钳位电压信号进行采样，根据采样结果生成表征所述有源钳位电路的钳制状态的钳位动作信号。

优选地，所述钳位动作检测模块包括：第一采样电阻，其与所述第三限流电阻连接；第二采样电阻，其与所述第一采样电阻连接，所述第一采样电阻与所述第二采样电阻的中点作为所述钳位电压信号的采样点；运算控制器，其通过所述采样点连接在所述第一采样电阻和所述第二采样电阻上，以根据采样点上的采样电压和预设的钳位阈值电压，判断当前所述有源钳位电路的钳位状态，生成相应的所述钳位动作信号并进行输出。

优选地，所述运算控制器，其输出端与所述IGBT控制器连接，以由所述IGBT控制器识别出所述钳位动作信号并记录该信号的动作频次和动作时长。

优选地，所述钳位TVS管的阴极通过钳位保护晶体管与正电源连接。

优选地，所述第一过压反馈模块包括第一限流电阻和与所述第一限流电阻连接的第一过压反馈二极管；所述第二过压反馈模块包括第二限流电阻和与所述第二限流电阻连接的第二过压反馈二极管。

优选地，所述有源钳位电路通过驱动器输出电阻与IGBT栅极连接，且通过控制器输出电阻与IGBT驱动器的控制极连接，进一步，所述有源钳位电路，其构成为根据所述钳位TVS管的两端电压以及所述第一限流电阻、所述第二限流电阻、所述驱动器输出电阻和所述控制器输出电阻的阻值，确定IGBT栅极电压的最大值。

优选地，所述运算控制器，其当检测到采样点处的电压低于所述钳位阈值电压时，所述钳位电路未处于钳位动作状态，生成无效的钳位动作信号；进一步，其当检测到采样点处的电压高于或等于所述钳位阈值电压时，所述钳位电路处于钳位动作状态，生成有效的钳位动作信号。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

本实用新型通过TVS管进行嵌位，可防止IGBT过压损坏，吸收部分IGBT关断过压能量，电路简单，嵌位效果明显，灵活设置IGBT最大栅极嵌位电压，记录过压嵌位的动作频次和动作时长，实现对IGBT运行状态的综合评估和主动防护。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例共同用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是本申请实施例的用于IGBT过压保护的有源钳位电路的模块示意图。

图2是本申请实施例的用于IGBT过压保护的有源钳位电路的应用环境示意图。

图3是本申请实施例的用于IGBT过压保护的有源钳位电路的具体电路结构图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本实用新型的实施方式，借此对本实用新型如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本实用新型中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本实用新型的保护范围之内。

为了克服上述现有技术中的不足，本实施例提出了一种用于IGBT过压保护的有源钳位电路，该电路利用多种TVS管串联在IGBT集电极和发射极之间，既实现了对IGBT栅极的钳位动作又吸收IGBT过压信号产生的能量。同时，能够生成可被IGBT控制器识别的钳位动作信号，引入了钳位电压信号检测的思想，可进一步有效评估IGBT的运行系统状况。

IGBT(绝缘栅双极晶体管)应用于直流电压为600V及以上的如交流电机、变频器、开关电源、照明电路和牵引传动等领域。绝缘栅双极晶体管与负载设备连接，用于控制负载设备的通断。通常，该器件在关断或开启时会出现相应的尖峰电压,由于这种尖峰电压具有在单位时间内电压变化值过大的特点，可能会使得IGBT所在电路的器件在尖峰电压的作用下损毁，从而对与该电路连接的负载系统的正常工作产生影响，而有源钳位电路可以有效抑制这种尖峰电压。因此，在对上述背景技术中涉及的现有技术进行分析后，提出了一种结构简单且钳位效果明显的有源钳位电路。

图2是本申请实施例的用于IGBT过压保护的有源钳位电路的应用环境示意图。如图2所示，有源钳位电路通常外接包括正/负电源(+VCC、-VCC)、与正/负电源连接的IGBT驱动器、IGBT和与IGBT驱动器连接IGBT控制器等其他外部设备。下面对有源钳位电路的外部连接设备进行相应的说明。

首先，IGBT驱动器作为IGBT的推动部件通过IGBT驱动器输出电阻R6(参考图3)与IGBT的栅极相连，能够接收钳位电路反馈的钳位电压信号(反馈信号)，同时为IGBT提供相应的驱动电压信号。具体地，在本例中，(参考图3)IGBT驱动器为2个晶体管V4和V3构成的乙类互补对称功率放大电路。晶体管V4的集电极与外接正电源+VCC连接，晶体管V3的集电极与外接负电源-VCC连接，功率放大电路的输出电阻R6接入IGBT的栅极，IGBT驱动器的控制极通过控制器输出电阻R7接入IGBT控制器输出端。其中，R7为晶体管V3、V4的限流电阻，并按照晶体管V3、V4的需求进行配置。本申请对IGBT驱动器不作具体限定，还可以采用MOSFET推挽电路结构等作为IGBT的推动部件。

其次，IGBT控制器通过控制器输出电阻R7(参考图3)与IGBT驱动器的栅极(控制极)连接，能够向IGBT驱动器发送PWM信号的输入电压。在有源钳位电路向IGBT控制器输出钳位动作信号时，IGBT控制器可有效识别IGBT运行中从有源钳位电路发送的表征过压嵌位动作的钳位动作信号，并记录动作频次和动作时长，以实现对IGBT运行状态的综合评估和主动防护。具体地，IGBT控制器能够根据针对钳位动作信号所记录的结果进行判断处理。若钳位动作信号时间过长时，IGBT控制器可以控制IGBT负载装置进行紧急处理，防止长时间过压，损坏TVS管。若钳位动作信号的频次过高，则应增加IGBT负载的检修频率。

接着，对IGBT进行简要说明。通常，IGBT的集电极和发射极两端接入负载装置，能够接收从IGBT驱动器端发送的驱动电压信号，以控制IGBT的通断状态，并进一步控制负载装置的通断状态。IGBT在关断或开启时会产生瞬态变化过高的尖峰电压，即生成相应的IGBT过压信号。因此，常在IGBT集电极和发射极之间并联且反接能够保护IGBT的续流二极管。该续流二极管的阳极与IGBT发射极连接，阴极与IGBT集电极连接。

下面针对本实用新型的用于保护IGBT过压现象的钳位电路进行详细说明。有源钳位电路与IGBT集电极和发射极两端通过多个不同种类和功能的TVS管进行连接，通过钳位TVS管TVS1进行钳位动作，并实时检测钳位TVS管TVS1的端电压，从而生成可表征有源钳位电路当前钳位状态的钳位动作信号。图1是本申请实施例的用于IGBT过压保护的有源钳位电路的模块示意图。如图1所示，有源钳位电路包括：钳位控制模块、第一过压反馈模块、第二过压反馈模块和钳位动作检测模块。图3是本申请实施例的用于IGBT过压保护的有源钳位电路的具体电路结构图。下面结合图1和图3，针对钳位电路各模块的结构及功能进行具体说明。

首先，对钳位控制模块进行说明。钳位控制模块与IGBT连接，将经过自身的IGBT过压信号的能量进行吸收，并在该模块内的钳位TVS管的作用下将吸收后的IGBT过压信号转换成相应的钳位电压信号，并钳制该钳位电压信号的电压值在外接正电源+VCC处，使得IGBT栅极电压的最大值控制在IGBT的开通阈值之下，从而抑制IGBT过压信号的功能。具体地，钳位控制模块将IGBT的集电极和发射极间通过若干个TVS管、第三限流电阻R1、钳位TVS管TVS1串接，实现IGBT过电压吸收和控制回路。(参考图3)钳位控制模块包括钳位动作单元(未图示)和过电压吸收单元(未图示)。其中，过电压吸收单元接收IGBT生成的IGBT过压信号，将该信号进行能量吸收处理。该单元包括：与钳位TVS管TVS1连接的第三限流电阻R1、与第三限流电阻R1连接的双向保护晶体管以及与双向保护晶体管连接的二极管串联装置。其中，二极管串联装置具备若干TVS管，每个TVS管按照相同方向(每个TVS管的阴极与相邻TVS管的阳极连接)依次串联起来。二极管串联装置的阴极与IGBT集电极连接，阳极与双向保护晶体管连接。这里需要说明是，二极管串联装置的耐压值的判断依据是串联后总耐压值小于IGBT器件安全工作的最大电压值。在本例中，该装置采用若干TVS管串联而成，其中的TVS管仅为一个具体示例，采用耐压值较高的二极管通过串联都可以完成吸收IGBT过压信号的作用，本申请对二极管串联装置的组成元素的形式不作具体限定。

另外，双向保护晶体管能够在二极管串联装置被击穿后，限制流过二极管串联装置的电流。需要说明的是，在本例中，双向二极管为双向保护晶体管的一个具体示例，本申请对双向保护晶体管的类型不作具体限定，还可以采用两个TVS管与二极管反向串联的结构，以利用二极管防止反向击穿。

钳位动作单元分别与钳位动作检测模块、第一过压反馈模块、第二过压反馈模块和IGBT发射极连接，用于对IGBT过压信号的钳位动作。该单元包含钳位TVS管TVS1以及与钳位TVS管TVS1两端连接的充电电容C1，并能够在钳位TVS管TVS1以及充电电容C1的控制下，将过电压吸收单元反馈的处理结果转换成钳位电压信号。钳位TVS管TVS1分别与IGBT发射极和外接正电源连接。进一步地说，钳位TVS管TVS1的阴极通过钳位保护晶体管V5与外接正电源连接，并且，在钳位TVS管TVS1的阳极接入IGBT发射极的同时，还与外接电源地连接。其中，钳位保护晶体管V5的阳极接入钳位TVS管的阴极，钳位保护晶体管V5的阴极与外接正电源连接，在钳位TVS管TVS1进行钳位动作时，如果钳位电路导入IGBT栅极的电压过高，V5导通，来适当降低IGBT栅极的电压，防止IGBT损坏。同时，在IGBT处于软关断或者正常状态下，也可对钳位控制单元进行一定的保护和隔离。

(再次参考图2)第一过压反馈模块一端与钳位控制模块连接，另一端与IGBT驱动器连接，能够将从钳位控制模块发送的钳位电压信号反馈至IGBT驱动器的控制极(栅极)。具体地，如图3所示，该模块包括第一限流电阻R5和与第一限流电阻R5连接的第一过压反馈二极管V2。其中，第一限流电阻R5的一端与IGBT驱动器的控制极连接，另一端与第一过压反馈二极管V2的阴极连接，第一过压反馈二极管V2的阳极与钳位TVS管的阴极连接。

接着，对第二过压反馈模块进行说明。第二过压反馈模块一端与钳位控制模块连接，另一端与IGBT的栅极连接，能够将接收到的钳位电压信号反馈至IGBT的栅极。具体地，该模块进一步包括第二限流电阻R4和与第二限流电阻R4连接的第二过压反馈二极管V1。其中，第二限流电阻R4的一端与IGBT驱动器输出电阻R6和IGBT栅极同时连接，另一端与第二过压反馈二极管V1的阴极连接，第二过压反馈二极管V1的阳极与钳位TVS管TVS1的阴极连接。

在一个实施例中，在本实用新型进行钳位动作时，第二限流电阻R4、第一限流电阻R5、IGBT驱动器输出电阻R6和控制器输出电阻R7的设置方法如下所示。由于第一过压反馈模块和第二过压反馈模块是两条并行的反馈路径，其作用程度与响应时间相位互补关系。一般设置R7＝R5，当钳位动作时，PWM信号为-VCC，钳位TVS管TVS1的最大为+VCC，此时，使得IGBT的栅极电压为零。进一步，由于IGBT的栅极电压为：V_GE＝VCC(R6/(R4+R6))，其中，V_GE表示IGBT的栅极电压值，VCC表示正电源电压值，R4表示第二限流电阻的阻值，R6表示IGBT驱动器输出电阻。因此，在钳位动作时，可根据IGBT器件的开通阈值电压来设置R4和R6的值。

例如：若IGBT器件的开通阈值电压7.5V，一般VCC＝15V，设置R4＝R6，IGBT栅极电压的最大值钳制在VCC的二分之一处，即为7.5V，此时IGBT栅极电压稳定在恒定值，IGBT集电极的变化率几乎为0，即IGBT的集电极电压达到最大值。随着IGBT的电流关断结束，IGBT集电极的电压缓慢下降，使得流过二极管串联装置的电流减小，钳位TVS管TVS1的电压逐渐减小，IGBT栅极电压开始减小，直到IGBT关断。

在实际应用过程中，本申请的有源钳位电路在钳位控制模块、第一过压反馈模块和第二过压反馈模块的控制下完成了对IGBT过压信号的钳位动作。具体地，当IGBT过压信号的电压值超过IGBT的集电极和发射极间串接的TVS管和双向保护晶体管的反向击穿电压时，通过二极管串联装置传递的电流信号在钳位TVS管TVS1控制下，转换为稳定的电压信号，将钳位TVS管TVS1的阴极通过钳位保护晶体管V5钳位在外接正电源+VCC上。进一步，利用IGBT驱动器的自身结构、IGBT驱动器输入电阻以及IGBT驱动器输出电阻(其中，IGBT驱动器输入电阻为控制器输出电阻R7)，通过上述合理设置第二限流电阻R4、第一限流电阻R5、IGBT驱动器输出电阻R6和控制器输出电阻R7的阻值的方法，根据钳位TVS管的两端电压，确定IGBT栅极电压的最大值，最终将IGBT栅极电压的最大值控制在IGBT开通阈值之下。最优选地，可保持IGBT的栅极电压稳定在钳位阈值电压附近。此时，IGBT处于放大区缓慢关断状态，从而抑制IGBT的过电压，同时实现了对IGBT栅极电压进行钳位，防止钳位电路误动作。

最后，对钳位动作检测模块进行说明。钳位动作检测模块分别与上述钳位控制模块、第一过压反馈模块以及第二过压反馈模块连接，能够对接收到的钳位电压信号进行采样，根据采样结果生成表征钳位电路钳位状态的钳位动作信号。其中，钳位动作检测模块包括：与第三限流电阻R1连接的第一采样电阻R2、与第一采样电阻R2连接的第二采样电阻R3(第二采样电阻R3的另一端接入外接电源地)以及运算控制器。

进一步地说，本实施例采用同相比较器进行钳位电压信号的采样及检测。具体地，首先，将第一采样电阻R2与第二采样电阻R3的中点作为钳位电压信号的采样点接入运算控制器的同相反馈接口中。其次，运算控制器的电源和GND接口分别接入外接正电源和外接电源地。接着，将由IGBT控制器提供的外接阈值电压接入运算控制器的异相反馈接口，并将外接阈值电压的电压值作为运算控制器内预设的钳位阈值电压。在实际应用过程中，运算控制器根据获取到的采样点处的采样电压与预设的钳位阈值电压进行比较，判断当前钳位电路的钳位状态，生成与比较结果对应的针对有源钳位电路的钳位动作信号，并将该信号从运算控制器的输出接口发送至IGBT控制器中。进一步地说，运算控制器的输出端与IGBT控制器连接，因此，能够由IGBT控制器识别出钳位动作信号，并记录下该信号的动作频次和动作时长。需要说明的是，本实施例中，采用同相比较器完成运算控制器的相关功能，本申请针对运算控制器的类型不作具体限定，还可采用异相比较器等。

(一个示例)在判断钳位电路的钳位状态过程中，当运算控制器检测到采样点处的输入电压低于钳位阈值电压时，则判定钳位电路未进行有效的钳位动作，生成的钳位动作信号(信号无效)为1，表示当前电路并未处在钳位动作状态。

(另一个示例)在判断钳位电路的钳位状态过程中，当运算控制器检测到采样点处的输入电压高于或等于钳位阈值电压时，钳位电路进行有效的钳位动作，生成的钳位动作信号(信号有效)为0，表示当前电路处于钳位动作状态。

在本例中，针对钳位动作检测模块的实施，需要先根据钳位电路精度、IGBT集电极与栅极间的开通阈值等影响因素确定钳位阈值电压。例如，当钳位电路保护精度要求较高时，可将钳位阈值电压设置在低于IGBT栅极的最大电压值处且低于IGBT的开通阈值，使得IGBT的栅极电压在尚未到达最大电压值时，钳位动作检测模块就已经将当前钳位电路的钳位状态判断成钳位动作有效，从而IGBT控制器可以在钳位电路还未到达临界钳位状态时，已经启动对IGBT负载设备采取相应的保护措施。因此，凭借这种简单的电路结构且无需进一步调节IGBT驱动器的控制极，便可完成钳位电路对IGBT的保护。另外，还需要对第一采样电阻R2与第二采样电阻R3的电阻比值进行合理的设置，采样点处的电压至少满足大于或等于IGBT栅极电压，以保证运算控制器对本电路钳位效果的准确判断，甚至在IGBT栅极处的实际电压尚未到达最大临界电压值时，就已判断当前钳位电路处于钳位动作状态。

在对本实施例涉及的有源钳位电路的结构及功能进行简要说明后，再次参考图3，对该电路所具备的工作模式进行相应的说明。

当IGBT处于导通或者IGBT过电压尚未达到IGBT的集电极和发射极间串接的TVS管(包括钳位TVS和二极管串联装置)和双向保护晶体管的反向击穿电压时，IGBT即使产生尖峰电压，不会对当前有源钳位电路的正常工作产生影响，此时，钳位TVS管TVS1两端的电压为0，钳位信号为1，当前电路并未处在钳位动作状态。

当IGBT过电压达到IGBT的集电极和发射极间串接的TVS管(包括钳位TVS和二极管串联装置)和双向保护晶体管的反向击穿电压时，钳位TVS管TVS1并联的电容C1开始充电，IGBT驱动器的栅极(控制极)和IGBT栅极也开始充电，IGBT进行钳位软关断。此时，钳位TVS管TVS1两端的电压近似为V_CE-V_TVS，其中，V_CE表示IGBT集电极电压，V_TVS表示二极管串联装置的反向击穿电压。更进一步地说，钳位TVS管TVS1两端电压又满足：REF*(R2+R3)/R3，其中，REF表示钳位阈值电压。因此，在钳位动作时，集电极电压满足如下关系：V_CE＝V_TVS+REF*(R2+R3)/R3。钳位动作检测模块在将预设的钳位阈值电压与当前钳位TVS管TVS1两端的电压值进行比较后，得到与比较结果相匹配的表征钳位电路的钳制状态的钳位动作信号。(第一个示例)在将钳位阈值电压设定为小于IGBT栅极最大电压值时，若钳位TVS管TVS1两端指示的钳位电压信号小于上述已设定好的钳位阈值电压，则钳位信号为1，表示当前电路未处在钳位动作状态。(第二个示例)在将钳位阈值电压设定为小于IGBT栅极最大电压值时，若钳位TVS管TVS1两端指示的钳位电压信号大于上述已设定好的钳位阈值电压，则钳位信号为0，表示当前电路处在钳位动作状态。

当IGBT过电压达到IGBT的集电极和发射极间串接的TVS管(包括钳位TVS和二极管串联装置)和双向保护晶体管的反向击穿电压并继续增大时，电容C1两端电压达到钳位TVS管TVS1的击穿电压，充电电容C1两端电压维持在钳位TVS管TVS1的击穿电压并且最大钳位到电源电压+VCC处，通过合理设置TVS1的端电压以及R2、R3、R4、R5、R6、R7的阻值，使得IGBT栅极电压的最大值控制在IGBT的开通阈值之下。其中，IGBT栅极电压的最大值由TVS1的端电压以及PWM信号电压经R4、R5、R6、R7分压得到。此时，钳位TVS管TVS1两端的电压为电源电压+VCC，钳位信号为0，当前钳位电路处在钳位动作状态。

(一个示例)通过合理设置TVS1的端电压以及R2、R3、R4、R5、R6、R7的阻值后，能够使得运算控制器采集到与IGBT栅极电压相符的采样电压，并且在钳位阈值电压设置在与IGBT栅极电压最大值附近时，IGBT栅极电压维持在稳定的钳位阈值电压处。具体地，当TVS1的电压大于+VCC，PWM信号的电压为-VCC时，VCC＝15V，R4＝R6时，IGBT栅极的最大电压为7.5V，按照上述方式，通过配置R4、R5、R6、R7合适的阻值，使得IGBT栅极电压控制在IGBT开通阈值之下。

本实用新型设计了一种用于IGBT过压保护的有源钳位电路，利用有源嵌位电路和驱动电路对IGBT的栅极进行电压嵌位，灵活设置IGBT最大栅极嵌位电压，控制IGBT在放大区缓慢关断，实现IGBT关断过压控制，同时防止IGBT栅极因过压嵌位电路引入过高的冲击而误开通。另外，除了在IGBT集电极与发射极间引入TVS管回路以吸收IGBT因过压产生的热损耗，还引入了检测钳位信号的思想，可及时将钳位动作反馈给IGBT控制器，使IGBT控制器能有效评估IGBT的运行系统状况，进一步实现对IGBT负载设备的主动防护。

虽然本实用新型所披露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用以限定本实用新型。任何本实用新型所属技术领域内的技术人员，在不脱离本实用新型所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims

1.一种用于IGBT过压保护的有源钳位电路，该电路分别与IGBT、IGBT控制器和IGBT驱动器连接，其特征在于，所述有源钳位电路包括：

钳位控制模块，其吸收经过自身的IGBT过压信号的能量，将吸收后的所述IGBT过压信号转换成相应的钳位电压信号，并钳制所述钳位电压信号在正电源处，使得IGBT栅极电压的最大值控制在IGBT开通阈值之下，实现抑制IGBT过压信号的功能；和

第一/第二过压反馈模块，其与所述钳位控制模块连接，将接收到的所述钳位电压信号分别反馈至所述IGBT驱动器的控制极和IGBT的栅极。

2.根据权利要求1所述的有源钳位电路，其特征在于，所述钳位控制模块包括：

过电压吸收单元，其接收IGBT生成的IGBT过压信号，将该信号进行能量吸收处理；

钳位动作单元，其具备钳位TVS管和与所述钳位TVS管两端连接的充电电容，在所述钳位TVS管以及所述充电电容的控制下，将所述过电压吸收单元反馈的处理结果转换成所述钳位电压信号，其中，所述钳位TVS管的阴极与正电源连接，并且其阳极接入IGBT发射极。

3.根据权利要求2所述的有源钳位电路，其特征在于，所述过电压吸收单元包括：与所述钳位TVS管连接的第三限流电阻、与所述第三限流电阻连接的双向保护晶体管以及与所述双向保护晶体管连接的二极管串联装置。

4.根据权利要求3所述的有源钳位电路，其特征在于，所述有源钳位电路还包括：

钳位动作检测模块，其与所述钳位控制模块连接，对接收到的所述钳位电压信号进行采样，根据采样结果生成表征所述有源钳位电路的钳制状态的钳位动作信号。

5.根据权利要求4所述的有源钳位电路，其特征在于，所述钳位动作检测模块包括：

第一采样电阻，其与所述第三限流电阻连接；

第二采样电阻，其与所述第一采样电阻连接，所述第一采样电阻与所述第二采样电阻的中点作为所述钳位电压信号的采样点；

运算控制器，其通过所述采样点连接在所述第一采样电阻和所述第二采样电阻上，以根据采样点上的采样电压和预设的钳位阈值电压，判断当前所述有源钳位电路的钳位状态，生成相应的所述钳位动作信号并进行输出。

6.根据权利要求5所述的有源钳位电路，其特征在于，所述运算控制器，其输出端与所述IGBT控制器连接，以由所述IGBT控制器识别出所述钳位动作信号并记录该信号的动作频次和动作时长。

7.根据权利要求3所述的有源钳位电路，其特征在于，所述钳位TVS管的阴极通过钳位保护晶体管与正电源连接。

8.根据权利要求6或7所述的有源钳位电路，其特征在于，

所述第一过压反馈模块包括第一限流电阻和与所述第一限流电阻连接的第一过压反馈二极管；

所述第二过压反馈模块包括第二限流电阻和与所述第二限流电阻连接的第二过压反馈二极管。

9.根据权利要求8所述的有源钳位电路，其特征在于，所述有源钳位电路通过驱动器输出电阻与IGBT栅极连接，且通过控制器输出电阻与IGBT驱动器的控制极连接，进一步，

所述有源钳位电路，其构成为根据所述钳位TVS管的两端电压以及所述第一限流电阻、所述第二限流电阻、所述驱动器输出电阻和所述控制器输出电阻的阻值，确定IGBT栅极电压的最大值。

10.根据权利要求6所述有源钳位电路，其特征在于，

所述运算控制器，其当检测到采样点处的电压低于所述钳位阈值电压时，所述钳位电路未处于钳位动作状态，生成无效的钳位动作信号；

进一步，其当检测到采样点处的电压高于或等于所述钳位阈值电压时，所述钳位电路处于钳位动作状态，生成有效的钳位动作信号。