一種igbt驅(qū)動(dòng)的有源鉗位電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種IGBT驅(qū)動(dòng)的有源鉗位電路，包括依次連接在所述IGBT的集電極和柵極之間的第一瞬態(tài)電壓抑制二極管、第二瞬態(tài)電壓抑制二極管、二極管、限流電阻，所述第二瞬態(tài)電壓抑制二極管并聯(lián)有電容和放電電阻。實(shí)現(xiàn)了IGBT動(dòng)態(tài)有源鉗位和靜態(tài)有源鉗位的保護(hù)。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，可以根據(jù)各種應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行有源鉗位電壓的參數(shù)設(shè)置，可以應(yīng)用在各種工況下的IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中。
【專利說(shuō)明】—種IGBT驅(qū)動(dòng)的有源鉗位電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力機(jī)車用變流器，尤其涉及一種電力機(jī)車用變流器的IGBT驅(qū)動(dòng)的有源鉗位電路。

【背景技術(shù)】
[0002]IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型晶體管)集功率場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)和雙極性功率晶體管(BJT)的優(yōu)點(diǎn)于一身，既具有輸入阻抗高、開(kāi)關(guān)速度快，熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，又具有通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點(diǎn)，因此在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
[0003]IGBT應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一是過(guò)電壓抑制。過(guò)電壓抑制不僅直接關(guān)系到IGBT本身的工作特性和運(yùn)行安全，還影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能和安全。IGBT在正常情況關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的電壓尖峰，但是數(shù)值不會(huì)太高，但在變流器過(guò)載或者橋臂短路時(shí)，如果要關(guān)斷管子，產(chǎn)生的電壓尖峰則非常高，此時(shí)IGBT非常容易被打壞。
[0004]有源鉗位電路的目標(biāo)是鉗住IGBT的集電極電位，使其不要到達(dá)太高的水平，如果關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰太高，或者太陡，都會(huì)使IGBT受到威脅。所以有源鉗位電路通常在故障狀態(tài)下才會(huì)動(dòng)作，正常時(shí)不工作。
[0005]在現(xiàn)有技術(shù)方案中一種典型有源鉗位電路，如圖1所示。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)性能好，響應(yīng)速度快。該電路屬于靜態(tài)有源鉗位，在電力機(jī)車用的變流器應(yīng)用中，由于母線電壓較高且波動(dòng)較大往往會(huì)高于有源鉗位動(dòng)作的電壓點(diǎn)，若不處理，有源鉗位會(huì)進(jìn)入連續(xù)動(dòng)作的狀態(tài)，容易損壞驅(qū)動(dòng)電路。針對(duì)此情況專業(yè)的IGBT驅(qū)動(dòng)電路生產(chǎn)商CONCEPT公司開(kāi)發(fā)的驅(qū)動(dòng)核采用高級(jí)動(dòng)態(tài)有源鉗位DA2C技術(shù)，通過(guò)專用ASIC去控制部分TVS管短接來(lái)改變有源鉗位電壓閥值，如圖2所示。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)中，廣泛使用的IGBT驅(qū)動(dòng)電路是可以通過(guò)商業(yè)手段獲得的獨(dú)立集成驅(qū)動(dòng)芯片，如CONCEPT公司；這種集成驅(qū)動(dòng)芯片不僅驅(qū)動(dòng)能力有限，而且很難實(shí)現(xiàn)對(duì)線路中的參數(shù)進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，因此這種獨(dú)立集成驅(qū)動(dòng)芯片無(wú)法滿足電力機(jī)車在不同應(yīng)用場(chǎng)景下對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)能力和線路保護(hù)能力進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)的需求；另一方面，由于電力機(jī)車上的電磁環(huán)境十分惡劣，而獨(dú)立集成驅(qū)動(dòng)芯片很容易會(huì)受到電磁干擾發(fā)生故障，因此現(xiàn)有技術(shù)中，獨(dú)立集成驅(qū)動(dòng)芯片往往無(wú)法在電力機(jī)車的復(fù)雜環(huán)境下保證IGBT變流器能夠安全可靠運(yùn)行，基本采用專門設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的主要目的是提供一種電力機(jī)車用變流器的IGBT驅(qū)動(dòng)的有源鉗位電路，該電路在典型有源鉗位電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了 IGBT動(dòng)態(tài)有源鉗位和靜態(tài)有源鉗位的保護(hù)。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，可以根據(jù)各種應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行有源鉗位電壓的參數(shù)設(shè)置，可以應(yīng)用在各種工況下的IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中。
[0008]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0009]本發(fā)明的IGBT驅(qū)動(dòng)的有源鉗位電路，該部分電路為IGBT驅(qū)動(dòng)電路的一部分，連接在變流器的IGBT的集電極和柵極之間，包括依次連接在所述IGBT的集電極和柵極之間的第一瞬態(tài)電壓抑制二極管、第二瞬態(tài)電壓抑制二極管、二極管、限流電阻，所述第二瞬態(tài)電壓抑制二極管并聯(lián)有電容和放電電阻。
[0010]由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例所提供的IGBT驅(qū)動(dòng)的有源鉗位電路，由于包括依次連接在所述IGBT的集電極和柵極之間的第一瞬態(tài)電壓抑制二極管、第二瞬態(tài)電壓抑制二極管、二極管、限流電阻，所述第二瞬態(tài)電壓抑制二極管并聯(lián)有電容和放電電阻，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)有源鉗位和靜態(tài)有源鉗位的結(jié)合:當(dāng)IGBT導(dǎo)通瞬態(tài)時(shí)，IGBT的集-射電壓被鉗位在穩(wěn)壓值Utvs = UTVS1+UTVS2，此時(shí)有源鉗位電路相當(dāng)于一個(gè)保護(hù)電路，避免過(guò)電壓發(fā)生；當(dāng)IGBT關(guān)斷瞬態(tài)時(shí)分三種情況，當(dāng)IGBT的集-射電壓小于Utvsi時(shí)，此時(shí)有源鉗位電路不需要工作，IGBT的功率損耗也較低；當(dāng)IGBT的集-射電壓大于Utvsi時(shí)，瞬態(tài)電壓抑制二極管TVSl被擊穿，電容c流過(guò)反饋電流Ic = CdVCE/dt，該電流對(duì)門級(jí)充電，使得VGE電壓下降變緩，保持在IGBT柵級(jí)閥值電壓以上，此時(shí)集電極電流處于可控狀態(tài)，也可理解為電容c并聯(lián)在IGBT的柵-集極之間，增大了 IGBT的柵-集極電容Cgc ;當(dāng)IGBT的集-射電壓大于Utvs時(shí)，即出現(xiàn)過(guò)電壓，瞬態(tài)電壓抑制二極管TVSl和TVS2都導(dǎo)通，IGBT和TVS相互作用抑制過(guò)電壓等同于典型有源鉗位電路。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1為現(xiàn)有技術(shù)方案典型IGBT驅(qū)動(dòng)有源鉗位電路的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖2為現(xiàn)有技術(shù)方案CONCEPT驅(qū)動(dòng)提供的動(dòng)態(tài)有源鉗位電路的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的IGBT驅(qū)動(dòng)的有源甜位電路的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0014]圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的IGBT驅(qū)動(dòng)的有源鉗位電路的電路原理圖。

【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。
[0016]本發(fā)明的IGBT驅(qū)動(dòng)的有源鉗位電路，該部分電路為IGBT驅(qū)動(dòng)電路的一部分，連接在變流器的IGBT的集電極和柵極之間，包括依次連接在所述IGBT的集電極C和柵極G之間的第一瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS1、第二瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS2、二極管D、限流電阻R，所述第二瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS2并聯(lián)有電容c和放電電阻Re。
[0017]所述IGBT的集電極C與所述第一瞬態(tài)電壓抑制二極管TVSl的陰極電連接，所述第一瞬態(tài)電壓抑制二極管TVSl的陽(yáng)極與所述第二瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS2的陰極電連接，所述第二瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS2的陽(yáng)極與二極管D的陽(yáng)極電連接，所述二極管D的陰極與所述限流電阻R的一端連接，所述限流電阻R的另一端連接到所述IGBT的柵極G。
[0018]需要說(shuō)明的是，本發(fā)明實(shí)施例所提供的IGBT驅(qū)動(dòng)有源鉗位電路主要適用于電壓為3300V甚至更高的電力機(jī)車變流器。下面開(kāi)始對(duì)該IGBT有源鉗位電路驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0019]如圖3所示，一種IGBT驅(qū)動(dòng)有源鉗位電路為IGBT驅(qū)動(dòng)電路的一部分，連接在變流器的IGBT的集電極和柵極之間，其具體結(jié)構(gòu)可以包括:瞬態(tài)電壓抑制二極管TVSl和TVS2、二極管D、電容c、放電電阻Re、限流電阻R。
[0020]TVSl構(gòu)成動(dòng)態(tài)有源鉗位電壓閥值，當(dāng)IGBT的集-射電壓大于Utvsi時(shí)，瞬態(tài)電壓抑制二極管TVSl被擊穿，電容C流過(guò)反饋電流Ic = CXdVo/dt,該電流對(duì)門級(jí)充電,使得
電壓下降變緩，保持在IGBT柵級(jí)閥值電壓以上，此時(shí)集電極電流處于可控狀態(tài)。TVSl和TVS2構(gòu)成靜態(tài)有源鉗位電壓閥值，當(dāng)判定Vra過(guò)電壓時(shí)，即當(dāng)IGBT的集-射電壓大于Utvs =UTVS1+UTVS2時(shí)，瞬態(tài)電壓抑制二極管TVSl和TVS2都導(dǎo)通，IGBT和TVS相互作用抑制Vce電壓在額定電壓之下，此時(shí)電容c不起作用，寄生電感能量消耗在IGBT和TVS中。
[0021]二極管D的作用是防止IGBT柵級(jí)電壓流向集電極。電容c為動(dòng)態(tài)有源鉗位時(shí)并聯(lián)在IGBT的柵-集極之間，增大了 IGBT的柵-集極電容Cgc。放電電阻Re為當(dāng)IGBT處于關(guān)斷穩(wěn)態(tài)是電容c對(duì)其放電，同時(shí)當(dāng)IGBT串聯(lián)使用時(shí)，其也可作為靜態(tài)均壓電阻。限流電阻R起保護(hù)瞬態(tài)電壓抑制二級(jí)管的限流作用。
[0022]具體地,該IGBT驅(qū)動(dòng)有源鉗位電路具體實(shí)施方案可以包括:
[0023](I)TVS管的閥值選取和選型:TVS1管的閥值根據(jù)實(shí)際工作電壓進(jìn)行選取，一般選取要大于額定工作電壓的最大值，同時(shí)也要考慮網(wǎng)測(cè)過(guò)電壓。如果母線電壓大于有源鉗位電壓導(dǎo)致IGBT打開(kāi)時(shí)是非常危險(xiǎn)的情況，如橋臂電路中IGBT上管打開(kāi)時(shí)，有源鉗位電路導(dǎo)致IGBT下管誤打開(kāi)會(huì)導(dǎo)致變流器損壞；TVS2和TVSl的閥值根據(jù)IGBT的電壓等級(jí)進(jìn)行選取，一般選取IGBT的擊穿電壓等級(jí)的80% -90%，注意TVS管的擊穿電壓有最大值和最小值，IGBT的擊穿電壓要大于TVS管的擊穿電壓最大值。對(duì)TVS管來(lái)說(shuō)，相同功率等級(jí)的TVS電壓越低，能承受的峰值電流越大，使用較低電壓的TVS管串聯(lián)不僅能承受更高峰值脈沖電流，還能減少串聯(lián)TVS的總結(jié)電容，一般根據(jù)鉗位電流和PCB的設(shè)計(jì)選取TVS管的型號(hào)和數(shù)量。
[0024](2)限流電阻R的選取:限流電阻R的選值可以計(jì)算出相應(yīng)TVS管擊穿的電流值(擊穿電壓和鉗位電壓的差值除以電阻R)和功率值(電流值乘以TVS電壓)，這樣可以根據(jù)所選的TVS管的型號(hào)確定限流電阻R的選擇，注意在電力機(jī)車變流器應(yīng)用場(chǎng)合，要考慮到環(huán)境溫度會(huì)導(dǎo)致TVS管的功率下降到額定的80% ；
[0025](3)電容c和放電電阻Re的選取:電容c 一般可以通過(guò)定性的仿真確定，目的是當(dāng)dVCE/dt超過(guò)一定值后，IGBT的柵極電壓開(kāi)始上升，根據(jù)電容c的選值，確定放電電阻Re的選值，但一般Re電阻的阻值要大，達(dá)到M Ω級(jí)別。
[0026]需要說(shuō)明的是，本發(fā)明是在圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)方案典型IGBT驅(qū)動(dòng)有源鉗位電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改變，針對(duì)該基礎(chǔ)電路在現(xiàn)在的設(shè)計(jì)上有很多改進(jìn)，雖然改進(jìn)目的和方法并不相同，但是大多采取復(fù)雜的控制手段和成本較高的ASIC技術(shù)，如圖2所示的高級(jí)動(dòng)態(tài)有源鉗位技術(shù)，這使得要么采用商業(yè)的驅(qū)動(dòng)芯片，要么采用復(fù)雜的控制手段去實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以被引用在任何IGBT驅(qū)動(dòng)電路中，并根據(jù)所驅(qū)動(dòng)IGBT模塊的型號(hào)和實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)。
[0027]此外，在本發(fā)明實(shí)施例所提供的IGBT驅(qū)動(dòng)電路中，通過(guò)對(duì)第一瞬態(tài)電壓抑制二極管TVSl和第二瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS2進(jìn)行靈活選型，實(shí)現(xiàn)不同的串聯(lián)組合，可以使該有源鉗位電路具有不同的保護(hù)閥值和承受功率，從而能夠適應(yīng)電力機(jī)車的不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)IGBT過(guò)電壓保護(hù)能力的需求；通過(guò)對(duì)電容C、放電電阻Re的參數(shù)設(shè)計(jì)，當(dāng)IGBT的集-射電壓大于Utvsi時(shí)，可以使IGBT柵極關(guān)斷電壓呈現(xiàn)不同的下降趨勢(shì)，從而控制IGBT的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速度，適應(yīng)電力機(jī)車的對(duì)IGBT關(guān)斷速度的需求。
[0028]綜上可見(jiàn)，本發(fā)明實(shí)施例的實(shí)施不僅能夠良好的實(shí)現(xiàn)IGBT驅(qū)動(dòng)中有源鉗位電路的保護(hù)功能，保障IGBT變流器安全可靠地運(yùn)行，同時(shí)還能夠在電力機(jī)車的不同應(yīng)用場(chǎng)景靈活調(diào)節(jié)保護(hù)閥值和保護(hù)能力，因而有力地保證了電力機(jī)車的安全性和可靠性。
[0029]為使本發(fā)明所提供技術(shù)方案的內(nèi)容、目的和有益效果更加清楚，下面通過(guò)具體實(shí)例進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0030]實(shí)施例一
[0031 ] 如圖4所示，一種IGBT驅(qū)動(dòng)有源鉗位電路為IGBT驅(qū)動(dòng)電路的一部分，連接在變流器的IGBT的集電極和柵極之間，其具體結(jié)構(gòu)可以采用上述技術(shù)方案。該有源鉗位電路成功的應(yīng)用于電路機(jī)車牽引變流器的IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，在1800VDC-1300VAC的兩電平三相逆變器中，用于對(duì)3300V，1200A的IGBT進(jìn)行有源鉗位保護(hù)。
[0032]其中，上述技術(shù)方案中所使用的元器件可以采用如下的具體實(shí)施方案:
[0033](I)在圖4所示的電路中，Dl至D30為VISHAY的SMCJ系列瞬態(tài)電壓抑制二極管，其中Dl至D22為SMCJ100A，D23至D25為SMCJ5A，他們構(gòu)成TVSl的串聯(lián)組合，Utvsi電壓閥值為2215V ;D26至D29為SMCJ150A，他們構(gòu)成TVS2的串聯(lián)組合，Utvs2電壓值為600V，UTVS電壓閥值為2815V ；D30為SMCJ33A，其作用為二極管D，防止IGBT柵級(jí)電壓流向集電極。
[0034](2)在圖4所示的電路中，Cl的選型為22nF，1000V的金屬化聚丙烯薄膜電容。電阻Rl至R4為221k歐姆的金屬化薄膜電阻，他們串聯(lián)組合成放電電阻Re。電阻R5至R7為22歐姆的金屬化薄膜電阻，他們并聯(lián)組合成限流電阻R。
[0035]可見(jiàn)，本發(fā)明實(shí)施例的可以根據(jù)所驅(qū)動(dòng)的IGBT型號(hào)，工作電壓等級(jí)，功率損耗需求，甚至PCB的設(shè)計(jì)體積進(jìn)行器件選型和參數(shù)設(shè)計(jì)，具有極大的靈活性和應(yīng)用性。
[0036]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種IGBT驅(qū)動(dòng)的有源鉗位電路，該部分電路為IGBT驅(qū)動(dòng)電路的一部分，連接在變流器的IGBT的集電極和柵極之間，其特征在于，包括依次連接在所述IGBT的集電極(C)和柵極(G)之間的第一瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVSl)、第二瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS2)、二極管(D)、限流電阻(R)，所述第二瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS2)并聯(lián)有電容(c)和放電電阻(Re)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的IGBT驅(qū)動(dòng)的有源鉗位電路，其特征在于，所述IGBT的集電極(C)與所述第一瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVSl)的陰極電連接，所述第一瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVSl)的陽(yáng)極與所述第二瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS2)的陰極電連接，所述第二瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS2)的陽(yáng)極與所述二極管(D)的陽(yáng)極電連接，所述二極管(D)的陰極與限流電阻(R)的一端連接，所述限流電阻(R)的另一端連接到所述IGBT的柵極(G)。
【文檔編號(hào)】H02H9/04GK104052048SQ201410328220
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月10日
【發(fā)明者】劉志華, 賀覓知, 趙利忠, 仝超 申請(qǐng)人:北京賽德高科鐵道電氣科技有限責(zé)任公司