采用雙n-mosfet推動級的大功率igbt驅(qū)動電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于電力半導(dǎo)體器件驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種采用雙N-MOSFET推動級的大功率IGBT驅(qū)動電路。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著市場對大功率變換器的需求日益旺盛，如新能源、電氣化軌道交通的興起，中高壓大功率IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)得到廣泛應(yīng)用。與低壓小功率IGBT不同，中高壓大功率IGBT運(yùn)行條件更為惡劣，對驅(qū)動電路抗干擾能力要求更高，如果IGBT由于復(fù)雜的電磁環(huán)境不能可靠地開通或關(guān)斷，易引起短路故障或工作在線性區(qū)造成損耗過大而損壞；在短路故障發(fā)生時(shí)，流過IGBT的電流可達(dá)額定電流的4倍，由于主電路寄生電感的存在，如果采取硬關(guān)斷的方式，會在IGBT集-射極產(chǎn)生極大的尖峰電壓，導(dǎo)致IGBT過壓損壞。
[0003]如圖1所示，現(xiàn)有的由NPN與PNP構(gòu)成的推挽式推動級驅(qū)動電路包括NPN三極管Ql和PNP三極管Q2，這兩個(gè)三極管基極并接，基極輸入驅(qū)動信號指令，發(fā)射極也并接，發(fā)射極的并接點(diǎn)經(jīng)門極電阻與IGBT門極相連，三極管Ql集電極連接VCC，三極管Q2集電極連接VEE,上述傳統(tǒng)推動級電路能可靠的開通或關(guān)斷IGBT。
[0004]但是，由于在IGBT的開通關(guān)斷過程中三極管工作在線性區(qū)，損耗較大；且在實(shí)際應(yīng)用中由于單個(gè)三極管芯片電流較小，對于驅(qū)動大功率IGBT需多個(gè)并聯(lián)，增加了驅(qū)動電路板面積。當(dāng)IGBT發(fā)生短路故障時(shí)，為了控制短路故障時(shí)IGBT的關(guān)斷速度，降低關(guān)斷尖峰電壓，當(dāng)前已公開了部分解決方案，該技術(shù)能降低IGBT短路故障時(shí)的關(guān)斷速度，但在進(jìn)行短路保護(hù)時(shí)同時(shí)有兩條支路導(dǎo)通，不利于準(zhǔn)確控制IGBT的關(guān)斷速度，參數(shù)設(shè)計(jì)難度較大。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]實(shí)用新型目的:提供一種采用雙N-MOSFET推動級的大功率IGBT驅(qū)動電路，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷。
[0006]技術(shù)方案:一種采用雙N-MOSFET推動級的大功率IGBT驅(qū)動電路，包括自舉電路、電荷泵電路、雙N-MOSFET半橋推動級電路和短路保護(hù)電路；
[0007]其中，所述自舉電路包括電平自舉電路、自舉電容(；。。,及自舉二極管DI ;電荷泵電路包括自激振蕩電路和二極管D2 ;雙N-MOSFET半橋推動級電路由上端N-MOSFET開關(guān)管SI與下端N-MOSFET開關(guān)管S2串聯(lián)構(gòu)成；短路保護(hù)支路由電阻艮。?與N-MOSFET開關(guān)管S3構(gòu)成；
[0008]電平自舉電路輸入為驅(qū)動控制信號，輸出分別連接所述上端N-MOSFET開關(guān)管SI和下端N-MOSFET開關(guān)管S2的門極；
[0009]電荷泵電路通過二極管D2連接所述自舉電容CbOTt，在上端N-MOSFET開關(guān)管SI導(dǎo)通時(shí)給自舉電容Cbtrat充電；
[0010]所述上端N-MOSFET開關(guān)管SI的門極與自舉電路輸出連接，漏極與電源VCC連接，所述下端N-MOSFET開關(guān)管S2的門極連接自舉電路輸出引腳，源極連接電源VEE，上端N-MOSFET開關(guān)管SI的源極與下端N-MOSFET開關(guān)管S2的漏極及自舉電容Cbwt連接，該連接點(diǎn)和門極電阻Rg的一端相連，門極電阻Rg的另一端連接IGBT門極，
[0011]電阻艮。?的一端與IGBT門極相連，電阻Rstjft的另一端和開關(guān)管S3的漏極相連，開關(guān)管S3的源極和地相連，門極與保護(hù)控制信號相連。
[0012]工作原理:上述自舉電路與電荷泵電路為雙N-MOSFET推動級電路的驅(qū)動電路，電平自舉電路完成信號調(diào)理、上端N-MOSFET開關(guān)管SI和下端N-MOSFET開關(guān)管S2的控制；上端N-MOSFET開關(guān)管SI與下端N-MOSFET開關(guān)管S2互補(bǔ)導(dǎo)通，在下端N-MOSFET開關(guān)管S2導(dǎo)通時(shí)通過Vl —自舉二極管Dl —自舉電容Cbtrat回路對自舉電容充電，上端N-MOSFET開關(guān)管SI導(dǎo)通時(shí)，其門極電壓為自舉電容(；。。,的電壓。在低頻應(yīng)用場合，自舉電容電壓不能維持上端N-MOSFET開關(guān)管SI導(dǎo)通，引入電荷泵電路，在上端N-MOSFET開關(guān)管SI導(dǎo)通階段給自舉電容充電，維持SI門極電壓，提高電路的可靠性、擴(kuò)大了電路應(yīng)用場合。
[0013]上述IGBT短路保護(hù)電路采用與門極連接的第三條支路方法，通過電阻Rstjft與開關(guān)管S3連接IGBT門極與地，同時(shí)配合雙N-MOSFET推動級電路，在短路故障發(fā)生時(shí)，S1、S2斷開，而短路保護(hù)支路開關(guān)管S3導(dǎo)通，門極電荷通過RS()ft— S3 — GND回路放電，由于R _大于門極電阻Rg且短路保護(hù)支路與地連接，可降低IGBT關(guān)斷速度，同時(shí)也就降低了 IGBT尖峰電壓。
[0014]有益效果:本實(shí)用新型降低了整個(gè)驅(qū)動器電路的損耗且降低了電路成本；短路保護(hù)電路可準(zhǔn)確控制IGBT短路故障時(shí)電流下降速率，降低IGBT關(guān)斷尖峰電壓。
【附圖說明】
[0015]圖1是現(xiàn)有的由NPN與PNP構(gòu)成的推挽式推動級驅(qū)動電路示意圖。
[0016]圖2是帶自舉電路與電荷泵電路的雙N-MOSFET驅(qū)動級的IGBT驅(qū)動電路示意圖。
[0017]圖3為各開關(guān)管工作邏輯示意圖。
[0018]圖4為該驅(qū)動器測試平臺電路示意圖。
[0019]圖5a為與驅(qū)動開關(guān)管工作邏輯相對應(yīng)的功率開關(guān)管工作波形圖。
[0020]圖5b為功率開關(guān)管正常運(yùn)行時(shí)波形圖。
[0021]圖5c為功率開關(guān)管短路故障時(shí)波形圖。
[0022]附圖標(biāo)記:Udc一一母線直流電壓；L一一負(fù)載電感；Cd。一一支撐電容；S1?S3—一驅(qū)動開關(guān)管及驅(qū)動信號；T1?T2—一功率開關(guān)管；SC—一短路故障信號；VeE—一功率開關(guān)管門極電壓——功率開關(guān)管集電極電流——功率開關(guān)管集-射極電壓。
【具體實(shí)施方式】
[0023]圖1描述了本實(shí)用新型驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)，它主要包括自舉電路、電荷泵電路、雙N-MOSFET半橋推動級電路和短路保護(hù)電路。
[0024]其中，所述自舉電路包括電平自舉電路、自舉電容CbootM自舉二極管Dl，輸入為驅(qū)動控制信號，輸出分別連接雙N-MOSFET推動級電路的上端N-MOSFET開關(guān)管SI和下端N-MOSFET開關(guān)管S2門極。
[0025]電荷泵電路通過二極管D2連接自舉電容CbOTt，在上端N-MOSFET開關(guān)管SI導(dǎo)通時(shí)給自舉電容充電?’雙N-MOSFET推動級電路包括上端N-MOSFET開關(guān)管SI和下端N-MOSFET開關(guān)管S2，上端N-MOSFET開關(guān)管SI的門極與自舉電路輸出連接，漏極與電源Vrc連接，下端N-MOSFET開關(guān)管S2的門極連接自舉電路輸出引腳，源極連接電源VEE，上端N-MOSFET開關(guān)管SI的源極與下端N-MOSFET開關(guān)管S2的漏極及自舉電容連接，該連接點(diǎn)和門極電阻Rg的一端相連。
[0026]門極電阻Rg的另一端連接IGBT門極，短路保護(hù)電路包括電阻R 一和N-MOSFET開關(guān)管S3，電阻艮。?的一端與IGBT門極相連，電阻R S()ft的另一端和N-MOSFET開關(guān)管S3的漏極相連，N-MOSFET開關(guān)管S3的源極和地相連，門極與保護(hù)控制信號相連。
[0027]圖3為本實(shí)用新型驅(qū)動電路各開關(guān)管工作邏輯，當(dāng)IGBT正常工作時(shí)，雙N-MOSFET驅(qū)動級電路的上端N-MOSFET開關(guān)管SI及下端N-MOSFET開關(guān)管S2根據(jù)驅(qū)動信號指令互補(bǔ)導(dǎo)通，短路保護(hù)電路的N-MOSFET開關(guān)管S3截止；當(dāng)驅(qū)動信號為低時(shí)，下端N-MOSFET開關(guān)管S2導(dǎo)通，上端N-MOSFET開關(guān)管SI關(guān)斷，自舉電容Cw通過Vl — D自舉二極管I — Cb()()t— S2回路進(jìn)行充電，Vge= V EE，IGBT關(guān)斷；當(dāng)驅(qū)動信號為高時(shí)，上端N-MOSFET開關(guān)管SI導(dǎo)通，下端N-MOSFET開關(guān)管S2關(guān)斷，自舉電容通過電荷泵電路一二極管D2 —自舉電容Cbtrat回路進(jìn)行充電，VeE= Vcc，IGBT導(dǎo)通。
[0028]當(dāng)IGBT出現(xiàn)短路過流故障時(shí)，雙N-MOSFET驅(qū)動級電路的開關(guān)管SI及S2根據(jù)指令進(jìn)行關(guān)斷，短路保護(hù)支路N-MOSFET開關(guān)管S3導(dǎo)通，IGBT門極電荷通過電阻Rstjft放電，門極電壓\E緩慢下降，降低IGBT關(guān)斷速度，從而實(shí)現(xiàn)IGBT短路保護(hù)。
[0029]圖4為測試該驅(qū)動器的實(shí)驗(yàn)平臺，Ud。為直流電源，Cd。為直流母線支撐電容，T1、T2為功率開關(guān)管，Tl 一直保持關(guān)斷狀態(tài)，Τ2接本實(shí)用新型驅(qū)動電路，負(fù)載電感L分別連接Tl的集電極與發(fā)射極。當(dāng)Τ2導(dǎo)通時(shí)，直流電壓加載電感兩端，Τ2集電極電流線性增加；當(dāng)Τ2關(guān)斷時(shí)，電感電流通過Tl的反向并聯(lián)二極管續(xù)流。
[0030]圖5a至圖5c為與驅(qū)動開關(guān)管工作邏輯相對應(yīng)的功率開關(guān)管工作波形圖，與前面所述理論分析一致。
[0031]以上結(jié)合附圖詳細(xì)描述了本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本實(shí)用新型并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本實(shí)用新型的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行多種等同變換，這些等同變換均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種采用雙N-MOSFET推動級的大功率IGBT驅(qū)動電路，其特征在于，包括自舉電路(I)、電荷泵電路⑵、雙N-MOSFET半橋推動級電路(3)和短路保護(hù)電路⑷； 其中，所述自舉電路⑴包括電平自舉電路、自舉電容Cbwt及自舉二極管Dl ;電荷泵電路⑵包括自激振蕩電路和二極管D2 ;雙N-MOSFET半橋推動級電路(3)由上端N-MOSFET開關(guān)管SI與下端N-MOSFET開關(guān)管S2串聯(lián)構(gòu)成；短路保護(hù)支路(4)由電阻艮心與N-MOSFET開關(guān)管S3構(gòu)成； 電平自舉電路輸入為驅(qū)動控制信號，輸出分別連接所述上端N-MOSFET開關(guān)管SI和下端N-MOSFET開關(guān)管S2的門極； 電荷泵電路通過二極管D2連接所述自舉電容CbMt，在上端N-MOSFET開關(guān)管SI導(dǎo)通時(shí)給自舉電容Cbtrat充電； 所述上端N-MOSFET開關(guān)管SI的門極與自舉電路輸出連接，漏極與電源Vrc連接，所述下端N-MOSFET開關(guān)管S2的門極連接自舉電路輸出引腳，源極連接電源Vee，上端N-MOSFET開關(guān)管SI的源極與下端N-MOSFET開關(guān)管S2的漏極及自舉電容Cbtrat連接，該連接點(diǎn)和門極電阻Rg的一端相連，門極電阻R g的另一端連接IGBT門極， 電阻艮。?的一端與IGBT門極相連，電阻Rstjft的另一端和開關(guān)管S3的漏極相連，開關(guān)管S3的源極和地相連，門極與保護(hù)控制信號相連。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種采用雙N-MOSFET推動級的大功率IGBT驅(qū)動電路，包括自舉電路、電荷泵電路、雙N-MOSFET半橋推動級電路和短路保護(hù)電路；所述自舉電路包括電平自舉電路、自舉電容Cboot及自舉二極管D1；電荷泵電路包括自激振蕩電路和二極管D2；雙N-MOSFET半橋推動級電路由上端N-MOSFET開關(guān)管S1與下端N-MOSFET開關(guān)管S2串聯(lián)構(gòu)成；短路保護(hù)支路由電阻Rsoft與N-MOSFET開關(guān)管S3構(gòu)成；電平自舉電路輸入為驅(qū)動控制信號，輸出分別連接所述上端N-MOSFET開關(guān)管S1和下端N-MOSFET開關(guān)管S2的門極；電荷泵電路通過二極管D2連接所述自舉電容Cboot，在上端N-MOSFET開關(guān)管S1導(dǎo)通時(shí)給自舉電容Cboot充電。本實(shí)用新型降低了整個(gè)驅(qū)動器電路的損耗且降低了電路成本；短路保護(hù)電路可準(zhǔn)確控制IGBT短路故障時(shí)電流下降速率，降低IGBT關(guān)斷尖峰電壓。
【IPC分類】H03K17/567, H03K17/08
【公開號】CN204697031
【申請?zhí)枴緾N201520434011
【發(fā)明人】肖華鋒, 蘭科
【申請人】東南大學(xué)
【公開日】2015年10月7日
【申請日】2015年6月23日