本發(fā)明屬于電力電子領(lǐng)域，具體涉及一種用IGBT作為輸出級(jí)的大功率運(yùn)放。

背景技術(shù)：

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件,兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大；MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。廣泛應(yīng)用于變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等大功率電力電子領(lǐng)域。

一般IGBT作為高電壓大電流的快速電子開關(guān)使用。但對(duì)于大規(guī)模IGBT的集群應(yīng)用，通過(guò)大量的IGBT串并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)超大的電力容量。為了協(xié)調(diào)集群中各IGBT的動(dòng)作，需要精確控制IGBT的開通和關(guān)閉曲線。也就是說(shuō)IGBT在開通和關(guān)斷期間處于線性工作狀態(tài)。

圖1是一種實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT開關(guān)曲線進(jìn)行精確控制的原理示意圖。U1A是運(yùn)算放大器，運(yùn)算放大器的輸出控制IGBT的門極，IGBT的集電極的輸出電壓通過(guò)反饋電阻R_f和R₁分壓反饋到運(yùn)算放大器的正輸入端，由于IGBT的反相特性，實(shí)際形成負(fù)反饋。運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端接參考信號(hào)源V_ref。如果運(yùn)算放大器和IGBT都是理想的放大元件，增益分別為A₁和A₂，那么IGBT的集電極的輸出電壓V_ce可以表達(dá)為：

V_ce＝V_ref×(1+R_f/R₁)×(A₁A₂/(1+A₁A₂)) (1)

如果A₁A₂遠(yuǎn)大于1，V_ce就可以以(1+R_f/R₁)比例精確追隨參考曲線V_ref。

但是運(yùn)算放大器并不是理想放大元件。當(dāng)頻率升高時(shí)，增益開始下降，同時(shí)發(fā)生相移。這是由于運(yùn)放中的結(jié)點(diǎn)有寄生電容，當(dāng)頻率低時(shí)寄生電容不明顯。當(dāng)頻率升高時(shí)寄生電容和結(jié)點(diǎn)輸出電阻就構(gòu)成RC濾波器，造成輸出幅度下降，相位移動(dòng)，這就稱為運(yùn)放的極點(diǎn)。運(yùn)放一般具有2個(gè)以上極點(diǎn)，而每個(gè)極點(diǎn)最大能產(chǎn)生90°的相移。每個(gè)極點(diǎn)貢獻(xiàn)－20dB/dec的幅度變化。圖2是一種集成運(yùn)放的開環(huán)增益特性的舉例，為了閉環(huán)穩(wěn)定，集成運(yùn)放內(nèi)部做了一些補(bǔ)償，此運(yùn)放在輸入信號(hào)頻率5MHz時(shí)的開環(huán)增益降為1，相位余量60°，也即是產(chǎn)生了120°的相移。

圖1的原理圖中，IGBT本身又是一級(jí)放大器，也會(huì)貢獻(xiàn)一個(gè)極點(diǎn)，又產(chǎn)生90°的相移。這樣圖1原理圖的開環(huán)增益為1時(shí)，相移會(huì)超過(guò)180°，引起閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。圖1的原理圖實(shí)際不能正常工作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種使用IGBT作為輸出級(jí)的運(yùn)算放大器，能夠精確控制IGBT的開通和關(guān)閉曲線。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

IGBT輸出級(jí)的大功率運(yùn)放，該運(yùn)放包括差分放大器和IGBT放大器；所述差分放大器包括晶體管T1、T2及恒流源I；所述IGBT放大器包括IGBT；所述晶體管T1、T2發(fā)射極相連接后，再通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)連接恒流源I，恒流源I連接至-V；所述晶體管T1集電極連接有輸出負(fù)載R3，該輸出負(fù)載再與T2集電極一起接入+V；所述晶體管T1基極通過(guò)電阻R2連接至參考脈沖V正極；所述晶體管T2基極通過(guò)電阻R1連接至參考脈沖V負(fù)極；所述IGBT門極連接至晶體管T1集電極與輸出負(fù)載R3之間節(jié)點(diǎn)，發(fā)射極連接至地線GND，集電極連接至負(fù)載端Load；所述IGBT集電極與晶體管T2基極之間連接有反饋電阻Rf，用于反饋。

所述晶體管T1、T2為雙極型NPN晶體管，或PNP型晶體管，或場(chǎng)效應(yīng)管FET和MOS。

所述輸出負(fù)載R3可以為電阻或恒流源或鏡像恒流源。

所述晶體管T1為運(yùn)放的正輸入端，所述晶體管T2為運(yùn)放的負(fù)輸入端。

所述差分放大器和IGBT放大器分別提供一個(gè)極點(diǎn)，每個(gè)極點(diǎn)最大產(chǎn)生90°的相移。

所述晶體管T1的輸入電壓增加時(shí)，晶體管T1的電流增加，電阻R3的壓降增加，作用在IGBT的門極電壓下降，IGBT趨向截止，IGBT集電極電壓上升，集電極電壓經(jīng)過(guò)反饋電阻Rf和R1分壓后從晶體管T2輸入，集電極電壓成比例跟隨T1基極電壓。

所述晶體管T1的輸入電壓降低時(shí)，晶體管T1的電流減少，電阻R3的壓降減少，作用在IGBT的門極電壓上升，IGBT趨向?qū)ǎ琁GBT的集電極電壓下降，集電極電壓經(jīng)過(guò)反饋電阻Rf和R1分壓后從晶體管T2輸入，集電極電壓成比例跟隨T1基極電壓。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明整體包含了輸出級(jí)IGBT的運(yùn)放，只有兩級(jí)放大，一級(jí)放大器提供一個(gè)極點(diǎn)，每個(gè)極點(diǎn)產(chǎn)生最大90°的相移，總共只有180°相移，有利于快速性和相位補(bǔ)償；

本發(fā)明在輸入電壓增加或降低時(shí)，利用晶體管T1、負(fù)載R3、IGBT、負(fù)載端Load等一系列作用，使晶體管T2的輸入電壓會(huì)近似等于晶體管T1的輸入電壓，實(shí)現(xiàn)了IGBT的輸出對(duì)輸入的上升或下降參考曲線的成比例精確跟蹤。

附圖說(shuō)明

為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

圖1是一種實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT開關(guān)曲線進(jìn)行精確控制的原理示意圖；

圖2是一種集成運(yùn)放的開環(huán)增益特性示意圖；

圖3是一種IGBT輸出級(jí)的大功率運(yùn)放簡(jiǎn)化原理示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(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，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明提供一種使用IGBT作為輸出級(jí)的運(yùn)算放大器，能夠精確控制IGBT的開通和關(guān)閉曲線，參見圖3；

晶體管T1、T2及其恒流源I組成運(yùn)算放大器的輸入差分放大器。圖3中使用的是雙極型NPN晶體管，不失一般性，也可以使用PNP型晶體管，也可以使用場(chǎng)效應(yīng)管FET和MOS，都屬于本專利保護(hù)范圍。

R3代表差分放大器的輸出負(fù)載，可以是電阻，也可以是恒流源或者鏡像恒流源，都屬于本專利保護(hù)范圍。

IGBT作為運(yùn)放的輸出級(jí)。由于IGBT的輸入電容很大，需要大電流的驅(qū)動(dòng)裝置加快IGBT的動(dòng)作。圖3中省略了大電流驅(qū)動(dòng)電路，使用各種類型的驅(qū)動(dòng)也都屬于專利保護(hù)范圍。

為了給IGBT提供合理的正負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓，差分放大器的輸出需要有電平移動(dòng)裝置，在圖中被省略了。

為了使差分放大器正常工作，需要給晶體管T1和晶體管T2提供合適的直流偏置，直流偏置電路在圖中被省略了。

運(yùn)放的相位補(bǔ)償電路也被省略了。

晶體管T1是運(yùn)放的正輸入端，晶體管T2是運(yùn)放的負(fù)輸入端。

電阻R1，R2，Rf是運(yùn)放外圍元件，可以像一般運(yùn)放一樣根據(jù)需要靈活配置。比如Rf/R1決定了運(yùn)放的閉環(huán)增益，參考公式(1)。外圍電路的變化都屬于本專利的保護(hù)范圍。

本電路的優(yōu)勢(shì)在于，整個(gè)包含輸出級(jí)IGBT的運(yùn)放，只有兩級(jí)放大(差分放大和IGBT本身的放大)，一級(jí)放大器提供一個(gè)極點(diǎn)，每個(gè)極點(diǎn)產(chǎn)生最大90°的相移，總共只有180°相移。放大器的級(jí)數(shù)少有利于快速性和相位補(bǔ)償。凡是這種兩級(jí)放大結(jié)構(gòu)，都屬于本專利保護(hù)范圍。

工作過(guò)程：

V代表具有特定上升和下降曲線的參考脈沖。當(dāng)T1的輸入電壓增加時(shí)，T1的電流增加，R3的壓降增加，作用在IGBT的門極電壓下降，IGBT趨向截止，IGBT的集電極電壓上升。集電極電壓經(jīng)過(guò)反饋電阻Rf和R1分壓后從T2輸入。

由于運(yùn)放的開環(huán)增益很大，為差分放大器的放大倍數(shù)與IGBT本身的放大倍數(shù)的乘積，T2的輸入電壓會(huì)近似等于T1的輸入電壓，于是實(shí)現(xiàn)了IGBT的輸出對(duì)輸入的上升參考曲線的成比例精確跟蹤。

當(dāng)T1的輸入電壓降低時(shí)，T1的電流減少，R3的壓降減少，作用在IGBT的門極電壓上升，IGBT趨向?qū)?，IGBT的集電極電壓下降，集電極電壓經(jīng)過(guò)反饋電阻Rf和R1分壓后從T2輸入。

由于運(yùn)放的開環(huán)增益很大，T2的輸入電壓會(huì)近似等于T1的輸入電壓，于是實(shí)現(xiàn)了IGBT的輸出對(duì)輸入的下降參考曲線的成比例精確跟蹤。

以上公開的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例只是用于幫助闡述本發(fā)明。優(yōu)選實(shí)施例并沒(méi)有詳盡敘述所有的細(xì)節(jié)，也不限制該發(fā)明僅為所述的具體實(shí)施方式。顯然，根據(jù)本說(shuō)明書的內(nèi)容，可作很多的修改和變化。本說(shuō)明書選取并具體描述這些實(shí)施例，是為了更好地解釋本發(fā)明的原理和實(shí)際應(yīng)用，從而使所屬技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員能很好地理解和利用本發(fā)明。本發(fā)明僅受權(quán)利要求書及其全部范圍和等效物的限制。