專利名稱：適用于大功率igbt商用驅(qū)動芯片的軟關(guān)斷電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于大J力率IGBT驅(qū)動電路技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種適用于大功率IGBT商用驅(qū) 動芯片的軟關(guān)斷電路。
背景技術(shù)：
由于大功率IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)具有較高的功率等級、較寬的開關(guān)頻率范圍以 及開關(guān)完全可控的絕緣柵門極特性，使其在大功率電力電子領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。此外，通過 串并聯(lián)IGBT可進(jìn)一步提升其功率等級，使其應(yīng)用擴(kuò)展到電力系統(tǒng)電力電子領(lǐng)域。但是在大功 率場合，短路或過流故障時，流過IGBT的電流很大，此時如果采用傳統(tǒng)的硬關(guān)斷，電流下降 率在主電路分布參數(shù)上產(chǎn)生極高的感應(yīng)電壓，極易造成IGBT的擊穿，集電極電壓的快速上升 也會產(chǎn)生轉(zhuǎn)移電流使IGBT誤導(dǎo)通。此外，串聯(lián)使用的IGBT由于集電極電壓上升率很高，使 電壓的不均衡現(xiàn)象更加明顯。所以在這些情況下，采用硬關(guān)斷是不合適的。
對于大功率IGBT短路及過流故障，通常使用軟關(guān)斷，即通過對門極關(guān)斷信號的控制以 調(diào)節(jié)IGBT的關(guān)斷速率，進(jìn)而控制di/dt、 dv/dt，避免出現(xiàn)上述事故。目前，只有部分大功率 IGBT商用驅(qū)動芯片具有軟關(guān)斷功能，且用戶往往不能調(diào)節(jié)其軟關(guān)斷參數(shù)，因而不能適應(yīng)于多 種工況。
目前沒有看到這種與商用驅(qū)動芯片結(jié)合的軟關(guān)斷電路思想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種軟關(guān)斷電路，它可與商用驅(qū)動芯片配合使用，實現(xiàn)軟關(guān)斷功能或替代原 有的不合適的軟關(guān)斷功能。這個電路應(yīng)具有簡單的電路接口，便于與商用驅(qū)動芯片配合，其 軟關(guān)斷功能中各種參數(shù)可調(diào)以適應(yīng)不同工況下的軟關(guān)斷需要，能夠提供足夠的驅(qū)動功率，并 且滿足大功率場合的電磁兼容要求。
為減小大功率絕緣柵雙極型晶體管IGBT關(guān)斷過程中產(chǎn)生的di/dt、 dv/dt及過電壓，門 極關(guān)斷信號不能采用階躍變化的方波。軟關(guān)斷過程中，IGBT的門極信號應(yīng)呈現(xiàn)一種逐漸下降 的趨勢，以控制IGBT關(guān)斷速率進(jìn)而抑制di/dt、 dv/dt及過電壓?？刹捎玫能涥P(guān)斷信號有三 種階梯波下降波形、斜坡下降波形和指數(shù)下降波形，如附圖1所示。為提高軟關(guān)斷電路的 性能以適用于不同關(guān)斷要求的電路，門極信號波形的參數(shù)要求可調(diào)。以階梯波下降波形為例， 其中可調(diào)的參數(shù)有電平臺階數(shù)、各個電平臺階的電壓值、每兩個電平間的變化率及各個電平臺階的持續(xù)時間。對于斜坡下降波形和指數(shù)下降波形，只要求對應(yīng)的斜率和時間常數(shù)可調(diào)。 軟關(guān)斷電路可選擇產(chǎn)生上述的任一種可調(diào)波形。
由于軟關(guān)斷電路需要與商用驅(qū)動芯片配合使用，所以兩者與IGBT的連接要簡單，供電應(yīng) 采用驅(qū)動芯片輸出側(cè)電源，避免額外的供電要求。整個系統(tǒng)應(yīng)保證正常運行時，軟關(guān)斷電路 不會影響商用驅(qū)動芯片輸出，只在短路過流時發(fā)揮作用。系統(tǒng)可以采用的連接方法有串聯(lián)模 式A、串聯(lián)模式B和并聯(lián)模式，如附圖2所示，在權(quán)利要求書中2有說明。其中串聯(lián)模式，
由于門極控制信號與軟關(guān)斷電路有聯(lián)系，設(shè)計不當(dāng)會影響門極信號輸出波形、包括上升沿、 下降沿等。
由于軟關(guān)斷電路應(yīng)用于功率側(cè)，所以要求其可以輸出足夠的驅(qū)動功率；由于主電路側(cè)電 壓電流變換劇烈，所以電磁環(huán)境比較惡劣。鑒于以上兩點要求，軟關(guān)斷電路主要使用模擬器 件，也可以使用部分抗干擾性能好、功率較大的數(shù)字芯片實現(xiàn)。
本發(fā)明的有益效果是
1、 本發(fā)明補(bǔ)充了部分大功率IGBT商用驅(qū)動芯片缺少的軟關(guān)斷功能，在短路過流故障時， 有效減小關(guān)斷時所產(chǎn)生的di/dt，同時避免了由此造成的誤導(dǎo)通和過電壓擊穿可能，提高了 關(guān)斷的可靠性。
2、 對于IGBT的串聯(lián)應(yīng)用，本發(fā)明可以控制其兩端的電壓變化率，過流關(guān)斷時的均壓狀 況將得以改善。
3、 軟關(guān)斷波形參數(shù)可調(diào)，以滿足不同的需要。
4、 本發(fā)明與商用驅(qū)動芯片配合使用，外部接線簡單,且沒有額外的供電電源要求。
5、 本發(fā)明不影響商用驅(qū)動芯片的正常運行，只在過流短路故障時發(fā)揮作用。
6、 本發(fā)明滿足大功率IGBT驅(qū)動的要求，具有滿足驅(qū)動的功率容量，且可以避免功率側(cè) 電磁干擾可能的影響。


圖1是依據(jù)本發(fā)明的可采用的軟關(guān)斷信號示意圖； 圖2是依據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)可采用的連接方法示意圖； 圖3示出了依據(jù)本發(fā)明的軟關(guān)斷電路的示意圖； 圖4示出了依據(jù)本發(fā)明的電平臺階的生成電路示意圖； 圖5是依據(jù)本發(fā)明的延時電路示意圖6是依據(jù)本發(fā)明的階梯波下降波形中的三個電平臺階仿真波形圖； 圖7是依據(jù)本發(fā)明的階梯波下降波形的軟關(guān)斷門極信號仿真波形圖；圖8是依據(jù)本發(fā)明的階梯波下降波形的軟關(guān)斷門極信號實驗波形圖。
具體實施例方式
階梯波輸出軟關(guān)斷電路的示意圖如附圖3所示，采用并聯(lián)模式連接。軟關(guān)斷電路包括以
下幾個功能塊電平轉(zhuǎn)換電路、延時電路、電平臺階發(fā)生電路、信號結(jié)合電路及功率放大電路。軟關(guān)斷控制信號經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路輸入延時電路，由延時后的信號控制電平臺階發(fā)生電路的動作，產(chǎn)生的電平臺階信號經(jīng)過信號結(jié)合電路得到預(yù)期的軟關(guān)斷控制階梯波信號。
在正常運行時，軟關(guān)斷信號為低，軟關(guān)斷電路不動作，不影響商用驅(qū)動芯片的正常工作。在發(fā)生過流故障時，置軟關(guān)斷信號為高，軟關(guān)斷開始動作，延時電路在軟關(guān)斷信號的上跳沿動作，在經(jīng)過不同時間段后分別啟動其所對應(yīng)的電平臺階電路，延時電路的時間均可調(diào)節(jié)，以改變不同電平臺階的持續(xù)時間。在附圖5中，例舉了兩種延時電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在延時電路
A中，軟關(guān)斷信號輸入后，經(jīng)過電阻R1、 R2的分壓，電容C并聯(lián)在電阻R2兩側(cè)，電容正極與穩(wěn)壓管Z負(fù)極相連，穩(wěn)壓管Z正極為延時門控信號。電容C兩端電壓減去穩(wěn)壓管額定電壓達(dá)到開關(guān)管導(dǎo)通閾值電壓的充電時間為延時時間，所以改變電阻R1和R2的分壓比，或阻容時間常數(shù)Rl C，或穩(wěn)壓管Z任一值都可以改變延時時間。在延時電路B中，軟關(guān)斷信號作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)端，電阻R和電容C決定其延時時間，觸發(fā)器的輸出為延時門控信號，通過改變阻容時間常數(shù)RC即可改變延時時間。
經(jīng)過延時電路的控制信號觸發(fā)各電平臺階電路中開關(guān)管。在附圖4中給出了電平臺階的生成電路，通過改變其中的穩(wěn)壓管Z,可以改變電平臺階的電壓值，其中RC常數(shù)決定了電平變換速率。第n電平臺階是商用驅(qū)動芯片輸出的最低電平(其中n為正整數(shù))，也是IGBT完全關(guān)斷后的維持電平。當(dāng)IGBT的門極電平為零時，其內(nèi)部己經(jīng)完全關(guān)斷，負(fù)電平只為保障IGBT維持安全可靠的關(guān)斷狀態(tài)，所以在零電平以下，不設(shè)電平臺階。
通過添加延時電路和電平臺階電路，可以產(chǎn)生不同臺階數(shù)的階梯波，滿足不同調(diào)節(jié)精度的軟關(guān)斷需求。在附圖6給出三電平階梯波中不同電平臺階的輸出波形。
上述的n個電平臺階信號輸入處的信號結(jié)合電路，該部分類似于"與"邏輯，使得n個電平臺階電路的輸出依次出現(xiàn)，組合成階梯波型下降的關(guān)斷電路。在附圖7和附圖8分別給出了三電平階梯波仿真波形和實驗波形。軟關(guān)斷的控制信號通過功率放大電路的放大，經(jīng)二極管將門極電壓拉低，完成整個軟關(guān)斷過程。
由于軟關(guān)斷電路與商用驅(qū)動芯片為并聯(lián)模式，所以在軟關(guān)斷電路不工作時，驅(qū)動芯片輸
出的上升下降沿均不受影響。對于并聯(lián)模式，在軟關(guān)斷動作后，商用驅(qū)動芯片應(yīng)盡快關(guān)斷閉
鎖，待故障解除后再恢復(fù)工作，否則，如果商用驅(qū)動芯片的輸出持續(xù)為高，在軟關(guān)斷信號的控制下，IGBT門極可以保持為低，但是功耗將有所增加，且在軟關(guān)斷信號消失后，門極電平的上升將比較緩慢，會引起IGBT開通損耗過大。
此處已經(jīng)根據(jù)特定的示例性實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說在不脫離本發(fā)明的范圍下進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶鎿Q或修改將是顯而易見的。示例性的實施例僅僅是例證性的，而不是對本發(fā)明的范圍的限制，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求定義。
權(quán)利要求
1、一種適用于大功率IGBT商用驅(qū)動芯片的軟關(guān)斷電路，包括以下功能模塊電平轉(zhuǎn)換電路、延時電路、電平臺階發(fā)生電路、信號結(jié)合電路及功率放大電路等，其連接方式為軟關(guān)斷控制信號經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路，由控制電平轉(zhuǎn)換為驅(qū)動側(cè)高電平，電平轉(zhuǎn)換電路的輸出并聯(lián)接入n個不同時間常數(shù)的延時電路，其中n為正整數(shù)，各延時電路連接其對應(yīng)的電平臺階發(fā)生電路，電平臺階電路輸出不同時間下降至不同電位的臺階電平，這n路電平臺階信號并行進(jìn)入信號結(jié)合電路，形成階梯狀下降的信號，信號結(jié)合電路的輸出再由功率放大電路放大后形成IGBT門極軟關(guān)斷信號，所述軟關(guān)斷電路作為獨立的功能模塊，與商用驅(qū)動芯片配合進(jìn)行使用，用于單管、串聯(lián)和并聯(lián)IGBT的驅(qū)動，從而降低IGBT在過流時承受的電壓電流應(yīng)力，及提高在串聯(lián)應(yīng)用時電壓的均一性。
2、 如權(quán)利要求1所述的軟關(guān)斷電路，其特征在于該軟關(guān)斷電路與所述商用驅(qū)動芯片包括以下3種連接方式串聯(lián)模式A、串聯(lián)模式B和并聯(lián)模式，串聯(lián)模式A將軟關(guān)斷電路連接在商用驅(qū)動器的輸出端和IGBT的門極之間；串聯(lián)模式B是將軟關(guān)斷電路連接在商用驅(qū)動器的控制信號輸入端；并聯(lián)模式是將軟關(guān)斷電路和商用驅(qū)動器并行連接，其輸出端共同接入IGBT的門極，以上的任一種方式都要保證對驅(qū)動器正常開關(guān)動作無影響。
3、 如權(quán)利要求1-2所述的軟關(guān)斷電路，其特征在于該電路采用的三種軟關(guān)斷信號波形是階梯波下降波形、斜坡下降波形和指數(shù)下降波形；所述階梯波下降波形是在軟關(guān)斷時，門極信號由正常開通的電平值下降到第一電平臺階，并維持一段時間后繼續(xù)下降至第二電平臺階，其中所述第二電平臺階的電壓值低于第一電平臺階，再持續(xù)一段時間，不斷重復(fù)這一過程直至達(dá)到最低負(fù)電位，這種門極控制波形可以使IGBT由飽和狀態(tài)逐步過渡到非飽和狀態(tài)，直至最終關(guān)斷，在每個不同的電平臺階，IGBT的集射極間電壓變化可控。這個階梯波使得IGBT在關(guān)斷的整個過程中，每個階段的集電極電壓變化率的變化都是可控的；所述斜坡下降波形是在軟關(guān)斷時，門極信號沿正比關(guān)系下降，比例系數(shù)可調(diào)，直到電壓下降為最低值，這種緩慢的門極電壓下降率可以減緩關(guān)斷過程中Vce的上升速率；所述指數(shù)下降波形為沿指數(shù)曲線下降的波形，由阻容放電的方式產(chǎn)生，放電終止對應(yīng)于最低電壓，其指數(shù)下降的門極電壓也可以起到控制Vce緩慢上升的作用。
4、 如權(quán)利要求l-3所述的軟關(guān)斷電路，其特征在于通過調(diào)節(jié)部分阻容及穩(wěn)壓管值，方便的實現(xiàn)軟關(guān)斷波形的調(diào)節(jié)，以滿足不同的應(yīng)用需要，階梯波下降波形中可調(diào)參數(shù)包括電平臺階數(shù)、各個電平臺階的電壓值、每兩個電平間的變化率及各個電平臺階的持續(xù)時間，斜坡下降波形的可調(diào)參數(shù)為斜率，指數(shù)下降波形中可調(diào)參數(shù)為時間常數(shù)。
5、如權(quán)利要求l-4所述的軟關(guān)斷電路，其特征在于在所述階梯波生成電路中，軟關(guān)斷控制信號輸入電平轉(zhuǎn)換電路，由轉(zhuǎn)換后的高電平信號驅(qū)動延時電路，進(jìn)而由延時電路輸出信號控制各電平臺階電路中的開關(guān)管動作，當(dāng)延時時間達(dá)到后，各電平臺階電路輸出不同電平臺階信號，這些信號統(tǒng)一送入信號結(jié)合電路，生成軟關(guān)斷電路的階梯波控制信號。
全文摘要
一種軟關(guān)斷電路，它與商用驅(qū)動芯片配合使用，實現(xiàn)軟關(guān)斷功能或替代原有的不合適的軟關(guān)斷功能。這個電路應(yīng)具有簡單的電路接口，便于與商用驅(qū)動芯片配合，且使用商用驅(qū)動芯片的內(nèi)部電源作為供電電源。其軟關(guān)斷功能中各種參數(shù)可調(diào)，以適應(yīng)不同工況下的軟關(guān)斷需要，并且滿足大功率場合的電磁兼容要求。
文檔編號H03K17/56GK101483424SQ200810247060
公開日2009年7月15日 申請日期2008年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月31日
發(fā)明者婷 盧, 吳元熙, 榮 易, 楊岳峰, 溫家良, 賀之淵, 韓亞楠 申請人:中國電力科學(xué)研究院;上海市電力公司