一種新型igbt有源鉗位保護電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種新型絕緣柵雙極晶體管IGBT集電極有源鉗位保護電路，主要包括提供工作的電源、一個絕緣柵雙極晶體管IGBT、過壓信號反饋電路、電流信號放大電路、過壓信號調(diào)節(jié)電路以及輸出電路等；所述電流信號放大電路包括一個高電壓搖擺率運算放大器，可以將絕緣柵雙極晶體管IGBT集電極反饋回來的小電流信號轉(zhuǎn)換為足以使雙極型晶體管開通的電壓信號。在絕緣柵雙極晶體管IGBT關(guān)斷過程中產(chǎn)生的電壓尖峰信號通過瞬態(tài)抑制二極管反饋到主回路中，這樣使瞬態(tài)抑制二極管的工作點得到有效優(yōu)化，增強有源鉗位的效果。
【專利說明】一種新型IGBT有源鉗位保護電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電力電子領(lǐng)域，具體涉及一種新型的絕緣柵雙極晶體管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)有源甜位保護電路。
【背景技術(shù)】
[0002]絕緣柵雙極晶體管IGBT是MOSFET與雙極晶體管的復(fù)合器件。它既具有功率MOSFET輸入阻抗高、工作速度快、易驅(qū)動的優(yōu)點，又具有雙極達林頓功率管GTO飽和電壓低、電流容量大、耐壓高等優(yōu)點，能正常工作于幾十千赫茲頻率范圍內(nèi)，故在較高頻率的大、中功率設(shè)備(如變頻器、UPS電源、高頻焊機等)應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。IGBT的開通關(guān)斷保護是其應(yīng)用設(shè)計很重要的一點。由于電路間雜散電感的存在，IGBT在正常關(guān)斷時會在集電極產(chǎn)生一定的電壓尖峰，通常該電壓尖峰數(shù)值不會太高，但在變流器過載或者橋臂發(fā)生短路的情況下，關(guān)斷IGBT時集電極會產(chǎn)生非常高的尖峰電壓，過高的尖峰電壓很容易使IGBT受到損壞。有源鉗位電路的目標就是要鉗住IGBT的集電極電位，使其不要達到太高的水平。現(xiàn)有技術(shù)方案中一種典型有源鉗位電路的拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1所示，該電路的特點是結(jié)構(gòu)簡單，電路的動態(tài)性能較好，響應(yīng)速度較快，但是反饋回路中瞬態(tài)抑制二極管的擊穿電流存在電流旁路，瞬態(tài)抑制二極管的工作點不夠優(yōu)化，這就造成有源鉗位電路在反饋電流
I2較小的情況下有源鉗位效果不夠理想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種在絕緣柵雙極晶體管集電極C反饋電流Iz較大或較小的情況下都能可靠進行有源鉗位保護的電路。
[0004]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種新型IGBT有源鉗位保護電路，主要包括:
兩個用于提供工作電壓的電源VC+和VC-；
一個用于控制負載通斷的絕緣柵雙極晶體管IGBT ；
過壓信號反饋電路，用于將絕緣柵雙極晶體管IGBT (Q4)集電極C端關(guān)斷時產(chǎn)生的過壓信號反饋到主電路中來。所述過壓信號反饋電路主要包括瞬態(tài)電壓抑制二極管D2、D3、D4、D5、D8、D9，肖特基二極管Dl、D7，電阻Rl、R3、R6、R9 ;其輸入端接絕緣柵雙極型晶體管IGBT的集電極C端，其輸出端通過電阻R3、R6、R9接到主電路中；
輸出電路，主要由雙極型晶體管VT1、VT2，齊納二極管D12、D16構(gòu)成。其中，雙極型晶體管VTl的基極與雙極型晶體管VT2的基極相連，并接到過壓信號反饋電路的電阻R9 ;雙極型晶體管VTl的集電極接電源VC+，晶雙極型體管VT2的集電極接電源VC-，雙極型晶體管VTl和雙極型晶體管VT2的發(fā)射極接到一起，齊納二極管D16的陽極接到雙極型晶體管VTl的發(fā)射極，陰極接電源VC+，齊納二極管D12的陽極接電源VC-，陰極接雙極型晶體管VT2的發(fā)射極。雙極型晶體管VTl的發(fā)射極接到絕緣柵雙極晶體管IGBT的門極G。[0005]本發(fā)明中還包括一個電流信號放大電路，作用是將過壓信號反饋電路輸入的小電流信號進行放大，并將放大后的信號反饋到主電路。它包括一個高電壓搖擺率運算放大器U2，運算放大器U2的同相輸入端通過電阻R7接到電阻R9，反相輸入端通過電阻R12接到電阻R9 ;同時，開關(guān)二極管Q3、Q6的陰極接電源VC+，陽極接電源VC-，其中開關(guān)二極管Q3的中性端與電阻R9、齊納二極管D13的陽極相連，開關(guān)二極管Q6的中性端接電阻R9、R12和齊納二極管D15的陽極，齊納二極管D13、D15的陰極接到一起；電阻R7通過電阻R9接地；電阻R12 —端接齊納二極管D15的陽極，另一端通過電阻R13接運算放大器U2的輸出端6腳；運算放大器U2輸出端6腳接電阻R11，齊納二極管D14的陰極和反向器UlB的輸入端，其中齊納二極管D14的陽極與電阻Rll —端相連后接地；反相器UlB的輸出端接到電阻R5和快恢復(fù)二極管DlO的陰極，電阻R5和快恢復(fù)二極管DlO并聯(lián)，另一端接電容C2和功率MOSFET器件Ql的柵極G2，功率MOSFET器件Ql的源極S2接電源VC+，漏極D2與Dl接在一起，功率MOSFET器件Ql中柵極Gl與過壓信號反饋電路中電阻R3和R6相連，功率MOSFET器件Ql源極SI接電阻R9與開關(guān)二極管Q6的公共端。
[0006]本發(fā)明中還包括一個過壓信號調(diào)節(jié)電路，主要作用是當過壓信號反饋電路中有比較大的反饋電壓和反饋電流時，能幫助電流信號放大電路及時調(diào)整反饋電壓值，將比較高的反饋電壓降低。電路主要包括齊納二極管Dll，快恢復(fù)二極管D6和MUR1，電阻R2、R4，電容Cl，功率MOSFET器件Ql，以及反相器U1A。電路輸入端接在電阻R6和電阻R9兩端，電路輸出端直接接到主電路中。其中快恢復(fù)二極管MURl接電阻R4和反相器UlA的輸入端，電阻R4接地，反相器UlA的輸出端接電阻R2和快恢復(fù)二極管D6的陰極，電阻R2和快恢復(fù)二極管D6并聯(lián)，另一端接到電容Cl和功率MOSFET器件Q2中P溝道MOS管的柵極，P溝道MOS管的源極接電源VC+，P溝道MOS管的漏極接到功率MOSFET器件Q2中N溝道MOS管的漏極，N溝道MOS管的源極接齊納二極管Dll的陽極，電阻Cl接地。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]下面結(jié)合【專利附圖】

【附圖說明】詳細說明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)組成和工作原理。
[0008]圖1是一種現(xiàn)有技術(shù)方案的電路原理圖；
圖2是本發(fā)明的電路功能結(jié)構(gòu)框圖；
圖3是圖2中電流信號放大電路和過壓信號調(diào)節(jié)電路原理圖。
【具體實施方式】
[0009]如圖2、圖3所示，本發(fā)明主要包括:
兩個用于提供工作電壓的電源VC+和VC-，本實施例中VC+選取+15V，VC-選取-15V ； 一個用于控制負載通斷的絕緣柵雙極晶體管IGBT ；
一個過壓信號反饋電路，用于將絕緣柵雙極晶體管IGBT集電極C端關(guān)斷時產(chǎn)生的過壓信號反饋到控制電路中來。從圖2中可以看到，本發(fā)明的過壓信號反饋電路主要包括瞬態(tài)電壓抑制二極管D2、D3、D4、D5、D8、D9，肖特基二極管D1、D7，電阻Rl、R3、R6、R9 ;其中瞬態(tài)電壓抑制二極管D2、D3、D4、D5、D8、D9按照陰極接陽極的順序依次串聯(lián)，瞬態(tài)電壓抑制二極管D9的陰極接在絕緣柵雙極型晶體管IGBT的集電極C端；瞬態(tài)電壓抑制二極管D2的陽極接到肖特基二極管Dl和D7的陽極；肖特基二極管D7的陰極通過電阻Rl接到絕緣柵雙極型晶體管IGBT的門極G ;肖特基二極管Dl的陰極通過電阻R3接到串聯(lián)的電阻R6和R9上。
[0010]輸出電路，主要由雙極型晶體管VT1、VT2，齊納二極管D12、D16構(gòu)成。其中，雙極型晶體管VTl的基極與雙極型晶體管VT2的基極相連，并接到過壓信號反饋電路的電阻R9 ；雙極型晶體管VTl的集電極接電源VC+，晶雙極型體管VT2的集電極接電源VC-，雙極型晶體管VTl和雙極型晶體管VT2的發(fā)射極接到一起，齊納二極管D16的陽極接到雙極型晶體管VTl的發(fā)射極，陰極接電源VC+，齊納二極管D12的陽極接電源VC-，陰極接雙極型晶體管VT2的發(fā)射極。雙極型晶體管VTl的發(fā)射極接到絕緣柵雙極晶體管IGBT的門極G。
[0011]本發(fā)明的主要特點還包括電流信號放大電路，作用是將過壓反饋的小電流信號進行放大并反饋到過壓信號反饋電路中。主要包括開關(guān)二極管Q3、Q6，齊納二極管D13、D14、D15，電阻R6、R7、R9、Rll、R12、R13，電容C2，快恢復(fù)二極管D10,功率MOSFET器件Q1，反相器UlB以及差模運算放大器U2 ;其中，開關(guān)二極管Q3、Q6的陰極接到電源VC+，陽極接到電源VC-，開關(guān)二極管Q3的中性端接到電阻R7和串聯(lián)電阻R6、R9的中間，以及齊納二極管D13的陽極，開關(guān)二極管Q6的中性端接電阻R9、R12和齊納二極管D15的陽極，齊納二極管D13、D15的陰極接到一起；電阻R7與電阻R9相連，同時接到差模運算放大器U2的同相輸入端，電阻R9另一端接地；電阻R12 —端接齊納二極管D15的陽極，另一端接電阻R13和運算放大器U2的反相輸入端，電阻R13另一端接運算放大器U2的輸出端6腳；運算放大器U2輸出端6腳接電阻R11，齊納二極管D14的陰極和反向器UlB的輸入端，其中齊納二極管D14的陽極與電阻Rll —端相連后接地；反相器UlB的輸出端接到電阻R5和快恢復(fù)二極管DlO的陰極，電阻R5和快恢復(fù)二極管DlO并聯(lián)，另一端接電容C2和功率MOSFET器件Ql的柵極G2，功率MOSFET器件Ql的源極S2接電源VC+，功率MOSFET器件Ql的漏極D2與Dl接在一起，功率MOSFET器件Ql的柵極Gl接過壓信號反饋電路中電阻R3與電阻R6的公共端，功率MOSFET器件Ql的源極SI接到電阻R9與開關(guān)二極管Q6的公共端。
[0012]過壓信號調(diào)節(jié)電路，主要作用是當過壓信號反饋電路中有比較大的反饋電壓和反饋電流時，能幫助電流信號放大電路及時調(diào)整反饋電壓值，將比較高的反饋電壓降低。電路主要包括齊納二極管DlI，快恢復(fù)二極管D6和MUR1，電阻R2、R4，電容Cl，功率MOSFET器件Ql，以及反相器U1A。電路輸入端接在電阻R6和電阻R9兩端，電路輸出端直接接到主電路中。其中快恢復(fù)二極管MURl接電阻R4和反相器UlA的輸入端，電阻R4接地，反相器UlA的輸出端接電阻R2和快恢復(fù)二極管D6的陰極，電阻R2和快恢復(fù)二極管D6并聯(lián)，另一端接到電容Cl和功率MOSFET器件Q2的柵極G2，功率MOSFET器件Q2的源極S2接電源VC+，功率MOSFET器件Q2的漏極D2與漏極Dl相連，功率MOSFET器件Q2的源極SI接齊納二極管Dll的陽極，電阻Cl接地。
[0013]本發(fā)明的基本工作原理是:首先絕緣柵雙極晶體管IGBT的驅(qū)動電路通過主電路給IGBT輸出正常驅(qū)動信號(本例中為±15V)，IGBT開通關(guān)斷過程正常；但當變流器過載或者橋臂發(fā)生短路時，-15V驅(qū)動信號通過主電路傳輸給IGBT時，IGBT關(guān)斷過程中集電極會產(chǎn)生非常高的尖峰電壓，這個尖峰電壓會擊穿瞬態(tài)電壓抑制二極管D2、D3、D4、D5、D8、D9，從而形成一個電流信號Iz。這個電流信號在較小的情況下，電流信號放大電路會把它放大，使其足以開通雙極型晶體管VT1，VC+通過VTl加到絕緣柵雙極晶體管IGBT的門極G，使IGBT開通，降低集電極電壓，起到有源鉗位的作用；當反饋電流較大時，電流信號放大電路和過壓信號調(diào)節(jié)電路同時工作，將反饋電流灌輸?shù)诫p極型晶體管上，使雙極型晶體管VTl開通，同時絕緣柵雙極晶體管IGBT開通，集電極C端電壓下降，達到電壓鉗位的目的。
[0014]下面結(jié)合圖3描述本發(fā)明電流信號放大電路的具體工作過程及原理:
當絕緣柵雙極型晶體管IGBT集電極電位C在關(guān)斷過程出現(xiàn)尖峰電壓時(超過1400V)，這個電壓信號會擊穿瞬態(tài)電壓抑制二極管D2、D3、D4、D5、D8、D9 (瞬態(tài)抑制二極管的閾值電
壓共1400V),形成一個擊穿電流Iz,電流12有三條反饋通路:
一個是通過快恢復(fù)二極管D7直接流回絕緣柵雙極晶體管IGBT的門極G，抬升門極電壓，從而使絕緣雙極型晶體管IGBT重新開通，降低集電極C端電壓；
另一個是當電流I2較大時，過壓信號調(diào)節(jié)電路可以迅速反應(yīng)；當電流由B點通過電阻
R6和R9流到A點時，電阻R6和R9兩端電壓升高，且A點電壓升高；當A點電壓達到8V門限電壓時，反相器UlA輸出低電平，低電平信號通過快恢復(fù)二極管D6和電阻R2使功率MOSFET器件Q2的P溝道MOS管導(dǎo)通；其中快恢復(fù)二極管D6和電阻R2的作用是使功率MOSFET器件Q2的P溝道MOS管快開通、慢關(guān)斷；功率MOSFET器件Q2的P溝道MOS管導(dǎo)通后，電源VC+直接連通到功率MOSFET器件Q2的N溝道MOS管的漏極D2 ;這樣的結(jié)果是，當N溝道MOS管的柵源電壓達到門限值使其導(dǎo)通時，N溝道MOS管漏極電壓VC+會直接接到A點上，及IGBT驅(qū)動器的主電路上，使主電路電壓迅速抬升到VC+ ；A點電壓抬升，則C點電壓也抬升，從而使雙極型晶體管VTl導(dǎo)通，使后級的絕緣柵雙極晶體管IGBT門極電壓抬升，IGBT管導(dǎo)通，從而使集電極C電壓下降，整個過程不超過100ns，起到電壓鉗位的作用。
[0015]當反饋電流Iz較小(不超過IOOmA)時，由于驅(qū)動器前級電路的旁路作用，會將這個小電流分流，從而使過壓信號 調(diào)節(jié)電路不工作，這個時候瞬態(tài)抑制二極管的工作點就不夠優(yōu)化，此時起作用的是電流信號放大電路。電流Iz由D點流向A點，當兩端電壓達到40mA時(瞬態(tài)抑制二極管的理想工作點)，電阻R9兩端的電壓升高，這個電壓差值通過運算放大器U2被放大(U2電壓搖擺率達到7000V/US，工作電壓在± 15V之間)，增益放大倍數(shù)▲為
【權(quán)利要求】
1.一種新型IGBT有源鉗位保護電路，其特征在于，所述IGBT有源鉗位保護電路主要包括:兩個用于提供工作電壓的電源VC+、VC-，一個絕緣柵雙極晶體管IGBT，一個過壓信號反饋電路，電流信號放大電路，過壓信號調(diào)節(jié)電路以及輸出電路， 所述絕緣柵雙極晶體管IGBT，用于控制負載通斷； 所述過壓信號反饋電路，用于將絕緣柵雙極晶體管IGBT集電極C端關(guān)斷時產(chǎn)生的過壓信號反饋到主電路中來； 所述電流信號放大電路，用于將過壓信號反饋電路輸入的小電流信號進行放大，并將放大后的信號反饋到主電路； 所述過壓信號調(diào)節(jié)電路，主要作用是當過壓信號反饋電路中有比較大的反饋電壓和反饋電流時，能幫助電流信號放大電路及時調(diào)整反饋電壓值，將比較高的反饋電壓降低；所述輸出電路，用于直接驅(qū)動絕緣柵雙極晶體管IGBT，主要由功率晶體管VTl、VT2，齊納二極管D12、D16，以及電阻R14構(gòu)成； 所述過壓信號反饋電路包括:瞬態(tài)電壓抑制二極管D2、D3、D4、D5、D8、D9，肖特基二極管01、07，電阻1?1、1?3、1?6、1?9 ;其輸入端接絕緣柵雙極型晶體管IGBT的集電極C端，其輸出端通過電阻R3、R6、R9接到主電路中； 所述電流信號放大電路包括:開關(guān)二極管Q3、Q6,齊納二極管D13、D14、D15，電阻R5、R12、R13，電容C2，快恢復(fù)二極管D10，功率MOSFET器件Ql，反相器UlB以及運算放大器U2 ；電流信號放大電路輸入端是電阻R9兩端的差分電壓信號，其輸出端直接接到主電路中；所述過壓信號調(diào)節(jié)電路包括:齊納二極管D11，快恢復(fù)二極管D6和MUR1，電阻R2、R4，電容Cl，功率MOSFET器件Ql，以及反相器U1A，電路輸入端接在電阻R6和電阻R9兩端，電路輸出端直接接到主電路中； 所述輸出電路包括:雙極型晶體管VT1、VT2，齊納二極管D12、D16，其中，雙極型晶體管VTl的基極與雙極型晶體管VT2的基極相連，并接到過壓信號反饋電路的電阻R9 ;雙極型晶體管VTl的集電極接電源VC+，晶雙極型體管VT2的集電極接電源VC-，雙極型晶體管VTl和雙極型晶體管VT2的發(fā)射極接到一起，齊納二極管D16的陽極接到雙極型晶體管VTl的發(fā)射極，陰極接電源VC+，齊納二極管D12的陽極接電源VC-，陰極接雙極型晶體管VT2的發(fā)射極，雙極型晶體管VTl的發(fā)射極接到絕緣柵雙極晶體管IGBT的門極G。
2.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的有源鉗位保護電路，其特征在于，所述電流信號放大電路中的運算放大器U2是一個高電壓搖擺率運算放大器，運算放大器U2的同相輸入端通過電阻R7接到電阻R9，反相輸入端通過電阻R12接到電阻R9 ;同時，開關(guān)二極管Q3、Q6的陰極接電源VC+，陽極接電源VC-，其中開關(guān)二極管Q3的中性端與電阻R9、齊納二極管D13的陽極相連，開關(guān)二極管Q6的中性端接電阻R9、R12和齊納二極管D15的陽極，齊納二極管D13、D15的陰極接到一起；電阻R7通過電阻R9接地；電阻R12—端接齊納二極管D15的陽極，另一端通過電阻R13接運算放大器U2的輸出端6腳；運算放大器U2輸出端6腳接電阻R11，齊納二極管D14的陰極和反向器UlB的輸入端，其中齊納二極管D14的陽極與電阻Rll —端相連后接地；反相器UlB的輸出端與電阻R5和快恢復(fù)二極管DlO的陰極相連，電阻R5和快恢復(fù)二極管DlO并聯(lián)，另一端接電容C2和功率MOSFET器件Ql的柵極G2，功率MOSFET器件Ql的源極S2接電源VC+，漏極D2與Dl接在一起，功率MOSFET器件Ql中柵極Gl與過壓信號反饋電路中電阻R3和R6相連，功率MOSFET器件Ql源極SI接電阻R9與開關(guān)二極管Q6的公共端。
3.根據(jù)權(quán)利要求書I和2所述的有源鉗位保護電路，其特征在于，所述過壓信號調(diào)節(jié)電路中快恢復(fù)二極管MURl接電阻R4和反相器UlA的輸入端，電阻R4接地，反相器UlA的輸出端接電阻R2和快恢復(fù)二極管D6的陰極，電阻R2和快恢復(fù)二極管D6并聯(lián)，另一端接到電容Cl和功率MOSFET器件Q2中P溝道MOS管的柵極，P溝道MOS管的源極接電源VC+，P溝道MOS管的漏極接到功率MOSFET器件Q2中N溝道MOS管的漏極，N溝道MOS管的源極接齊納二極管Dll的陽 極，電阻Cl接地。
【文檔編號】H02M1/32GK103545802SQ201310530777
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年11月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月1日
【發(fā)明者】王松, 厲杰, 劉璐燕, 李曉坤 申請人:山東大學（威海）