專利名稱：絕緣柵雙極晶體管門極驅(qū)動推挽電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種絕緣柵雙極晶體管門極驅(qū)動推挽電路，尤其涉及配合有效門極鉗位的負(fù)電壓關(guān)斷的絕緣柵雙極晶體管門極驅(qū)動推挽電路。
背景技術(shù)：
所謂絕緣柵雙極晶體管(InsolatedGate Bipolar Transistor, IGBT)門極鉗位是指通過電路設(shè)計將絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的門極電壓鉗位，即:當(dāng)有外部作用，如短路導(dǎo)致IGBT門極電壓被動抬升時，通過電路設(shè)計維持門極電壓穩(wěn)定。這是保證IGBT可靠工作的必備功能。IGBT短路時，Ic劇烈增大，由于米勒電容的存在(見圖9)，在這個過程中，IGBT門極電位有抬升的趨勢，這種作用來自于集電極，而非驅(qū)動電路。短路電流的大小受門極電壓影響很大，所以必須進(jìn)行有效的門極鉗位。門極鉗位的方式一般有以下幾種:
方式一如

圖10所示。該方式當(dāng)TVS的溫度較低時，TVS擊穿點下降，可能會導(dǎo)致正常工作時TVS導(dǎo)通，而且TVS的離散性導(dǎo)致很難進(jìn)行準(zhǔn)確設(shè)計。方式二如圖11所示。該方式的推挽電路采用三極管，導(dǎo)致電源需要做到+16、17V，再加上肖特基鉗位二極管的壓降，門極可能到17.5V才能被鉗位，鉗位效果差。方式三如圖12所示。該方式的推挽電路由于采用MOS管，使得電源做到15VS阿，配合門極鉗位肖特基二極管，鉗位效果較好。隨著IGBT功率的增大、IGBT驅(qū)動電阻和模塊內(nèi)阻的減小，IGBT驅(qū)動所需的最大峰值電流不斷上升。然而，驅(qū)動芯片的驅(qū)動能力有限，很多場合驅(qū)動芯片直接使用驅(qū)動芯片驅(qū)動IGBT的能力不足。為解決這一問題，一般采用驅(qū)動芯片后級接推挽放大電路的方法來提高驅(qū)動芯片的驅(qū)動能力，以實現(xiàn)大功率IGBT的驅(qū)動。以下四種拓?fù)涫浅Ｒ姷尿?qū)動芯片后級推挽放大電路拓?fù)?。第一種是文獻(xiàn)廣泛提及的，其他三種是在此基礎(chǔ)上衍生出來的，也廣泛為變頻器、伺服驅(qū)動器廠家所使用。1、三極管推挽放大拓?fù)?一)(見圖1)
論文《一種用于大功率IGBT的驅(qū)動電路》(《電氣傳動自動化》2010年第I期)中的圖
5、《一種新型IGBT模塊的驅(qū)動電路》(《仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院學(xué)報》2012年第3期)中的圖3、《一種IGBT的實用驅(qū)動電路》(《電氣傳動》1999年第6期)中的圖1和專利《一種IGBT驅(qū)動與保護(hù)電路》(申請?zhí)?200910225997.X)中的圖3、《抑制IGBT過電流的驅(qū)動電路》(申請?zhí)?201120390253.6)中的圖4、《一種IGBT驅(qū)動推挽電路》(申請?zhí)?201210214858.9)中的圖廣5都采用類似三極管推挽放大拓?fù)?一)的形式。該拓?fù)涞膬?yōu)點:(I)正邏輯。(2)簡單易用。該拓?fù)涞娜秉c:(I)門極鉗位效果差，抑制IGBT短路電流能力差。三極管在峰值驅(qū)動電流較大時，CE壓降變得較高，且飽和導(dǎo)通時也存在一定的飽和壓降。因此，為保證被驅(qū)動IGBT的Vge為+15V，電源電壓必須做到+16、17V。然而，電源較高導(dǎo)致的間接后果為驅(qū)動電路的門極鉗位效果差，被驅(qū)動IGBT短路電流大大增加，IGBT損壞的風(fēng)險增加。(2)推挽結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在直通可能?？赡艽嬖谕仆焐舷鹿苤g直通的現(xiàn)象，導(dǎo)致開關(guān)電源瞬間飽和，影響整個系統(tǒng)供電，大大降低系統(tǒng)可靠性。(3)損耗較大。三極管飽和導(dǎo)通時有0.7V的飽和壓降，在做驅(qū)動推挽級時，損耗較大，尤其在開關(guān)頻率較高的場合，發(fā)熱明顯。2、三極管推挽放大拓?fù)?二)(見圖2)
該拓?fù)涞膬?yōu)點:簡單易用。該拓?fù)涞娜秉c:(I)門極鉗位效果差，抑制IGBT短路電流能力差。三極管在峰值驅(qū)動電流較大時，CE壓降變得較高，且飽和導(dǎo)通時也存在一定的飽和壓降。因此，為保證被驅(qū)動IGBT的Vge為+15V，電源電壓必須做到+16、17V。然而，電源較高導(dǎo)致的間接后果為驅(qū)動電路的門極鉗位效果差，被驅(qū)動IGBT短路電流大大增加，IGBT損壞的風(fēng)險增加。(2)推挽結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在直通。存在推挽上下管之間的直通，導(dǎo)致開關(guān)電源瞬間飽和，影響整個系統(tǒng)供電，大大降低系統(tǒng)可靠性。所謂直通，是指半橋拓?fù)渲猩瞎芎拖鹿芡瑫r導(dǎo)通造成一類短路的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象危害性非常大，容易造成系統(tǒng)不可恢復(fù)性損壞。(3)損耗較大。三極管飽和導(dǎo)通時有0.7V的飽和壓降，在做驅(qū)動推挽級時，損耗較大，尤其在開關(guān)頻率較高的場合，發(fā)熱明顯。(4)反邏輯。3、MOS管挽放大拓?fù)?一)(見圖3)
該拓?fù)涞膬?yōu)點:(I)門極鉗位效果好，能夠有效抑制IGBT短路電流。由于采用MOS管推挽拓?fù)洌娫措妷嚎梢宰龅?15V，配合肖特基鉗位二極管進(jìn)行門極鉗位，效果較好，能夠有效抑制被驅(qū)動IGBT短路電流的增加，避免IGBT損壞。(2)損耗較低。MOS管做驅(qū)動推挽拓?fù)鋼p耗較低，特別是在開關(guān)頻率較高的場合，優(yōu)勢明顯。(3)簡單易用。(4)正邏輯。該拓?fù)涞娜秉c:(I)MOS管GS電壓過高。MOS管GS要承受±23V電壓，超過±20V，一般MOS管無法實現(xiàn)，必須購買特殊MOS管。(2)推挽MOS管的GS電壓會受IGBT門極電壓的影響。當(dāng)門極電壓抬升，隨著IGBT的G點電壓升高，上MOS管GS電壓逐漸降低，MOS管的導(dǎo)通壓降增加，導(dǎo)致IGBT門極電壓為IlV左右，遠(yuǎn)低于15V，IGBT不能完全開通。⑶推挽結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在直通可能。存在推挽上下管直通的可能，導(dǎo)致開關(guān)電源瞬間飽和，影響整個系統(tǒng)供電，大大降低系統(tǒng)可靠性。4、MOS管推挽放大拓?fù)?二)(見圖4)
該拓?fù)涞膬?yōu)點:(I)門極鉗位效果好，能夠有效抑制IGBT短路電流。由于采用MOS管推挽拓?fù)?，電源電壓可以做?15V，配合肖特基鉗位二極管進(jìn)行門極鉗位，效果較好，能夠有效抑制被驅(qū)動IGBT短路電流的增加，避免IGBT損壞。(2)損耗較低。MOS管做驅(qū)動推挽拓?fù)鋼p耗較低，特別是在開關(guān)頻率較高的場合，優(yōu)勢明顯。(3)簡單易用。(4)推挽MOS管的GS電壓不受IGBT門極電壓的影響。避免門極電平抬升帶來的MOS管導(dǎo)通壓降增加現(xiàn)象，被驅(qū)動IGBT的門極電壓可以達(dá)到正常15V，IGBT完全開通。該拓?fù)涞娜秉c:(I)MOS管GS電壓過高。MOS管GS要承受±23V電壓，超過±20V，一般MOS管無法實現(xiàn)，必須購買特殊MOS管。(2)推挽結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在直通。存在推挽上下管直通，導(dǎo)致開關(guān)電源瞬間飽和，影響整個系統(tǒng)供電，大大降低了系統(tǒng)的可靠性。(3)反邏輯?，F(xiàn)有IGBT驅(qū)動推挽電路存在的技術(shù)缺陷，歸納如下:
三極管推挽拓?fù)淦毡榇嬖谝韵录夹g(shù)問題:(1)門極鉗位效果差，IGBT短路電流抑制能力差；(2)損耗較大；(3)推挽結(jié)構(gòu)內(nèi)部可能存在直通，系統(tǒng)整體可靠性差。MOS管推挽拓?fù)淦毡榇嬖谝韵录夹g(shù)問題:(I) MOS管GS電壓高于±20V，推挽電路可靠性差；(2)推挽結(jié)構(gòu)內(nèi)部可能存在直通，系統(tǒng)整體可靠性差；(3) MOS管的GS電壓可能受到被驅(qū)動IGBT門極電壓的影響，造成MOS管導(dǎo)通壓降過大。總體來說，采用三極管推挽拓?fù)錄]法實現(xiàn)有效的門極鉗位，造成被驅(qū)動IGBT在短路發(fā)生時容易損壞，而采用MOS管推挽拓?fù)銶OS管本身容易損壞，造成系統(tǒng)整體可靠性差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提出了一種絕緣柵雙極晶體管門極驅(qū)動推挽電路，既可以配合有效的門極鉗位，保證被驅(qū)動IGBT的可靠性，又可以保證推挽結(jié)構(gòu)內(nèi)部MOS管GS電壓工作在安全區(qū)，同時還能避免推挽結(jié)構(gòu)內(nèi)部的直通現(xiàn)象,保證系統(tǒng)整體的可靠性。本發(fā)明實現(xiàn)發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案是:絕緣柵雙極晶體管門極驅(qū)動推挽電路，包括驅(qū)動芯片和IGBT門極驅(qū)動電路，驅(qū)動芯片副邊正負(fù)電源供電，正負(fù)電平輸出；其特征是:還包括前級推挽電路、電平轉(zhuǎn)換電路以及后級推挽電路；所述前級推挽電路、電平轉(zhuǎn)換電路以及后級推挽電路共用驅(qū)動芯片副邊的正負(fù)電源，驅(qū)動芯片的輸出連接前級推挽電路的輸入，前級推挽電路的輸出與電平轉(zhuǎn)換電路相連，電平轉(zhuǎn)換電路的輸出與后級推挽電路相連，后級推挽電路的輸出與IGBT門極驅(qū)動電阻相連。所述前級推挽電路由電阻R1，PNP三極管Q1和NPN三極管Q2構(gòu)成；電阻R1 —端與驅(qū)動芯片輸出端相連，另一端與PNP三極管Q1和NPN三極管Q2的基極相連；PNP三極管Q1的發(fā)射極和正電源相連，NPN三極管Q2的發(fā)射極與負(fù)電源相連，PNP三極管Q1的集電極作為輸出送給后級電路，NPN三極管Q2的集電極作為另一輸出送給后級電路。電平轉(zhuǎn)換電路由電阻R2、電阻R3、電阻R4依次串聯(lián)構(gòu)成；電阻R2與正電源相連，電阻R4與負(fù)電源相連；電阻R2與電阻R3的連接點(節(jié)點)O1與前級推挽電路的PNP三極管Q1集電極相連，同時作為電平轉(zhuǎn)換電路的輸出送給后級電路；電阻R3與電阻R4的連接點(節(jié)點)O2與前級推挽電路的NPN三極管Q2的集電極相連，同時作為電平轉(zhuǎn)換電路的輸出送給后級電路。后級推挽電路包括電阻R5、R6、PM0S (P型MOS管，Q3)和NMOS (N型MOS管，Q4);電阻R5 —端與電平轉(zhuǎn)換電路的節(jié)點O1相連，電阻R5的另一端與PMOS的柵極相連，電阻R6 —端與電平轉(zhuǎn)換電路的節(jié)點O2相連，電阻R6的另一端與NMOS的柵極相連。PMOS的源極與驅(qū)動芯片副邊正電源相連，漏極作為輸出O3與IGBT門極驅(qū)動電路的開通電阻R7相連；NM0S的源極與驅(qū)動芯片副邊負(fù)電源相連，漏極作為輸出O4與IGBT門極驅(qū)動電路的關(guān)斷電阻R8相連。前級推挽電路和電平轉(zhuǎn)換電路結(jié)合在一起，為后級推挽電路的MOS管提供了互鎖的驅(qū)動信號，且加入了硬件死區(qū)，避免MOS管推挽結(jié)構(gòu)內(nèi)部的直通，且MOS管的GS電壓控制在±20V之內(nèi)，保證了 MOS管的可靠工作。本發(fā)明的基本原理是:通用的驅(qū)動芯片輸出正負(fù)電平的PWM信號，經(jīng)過前級推挽電路和電平轉(zhuǎn)換電路，變換成符合后級推挽電路的MOS管所需求的門極驅(qū)動電平，且經(jīng)過變換的MOS管門極驅(qū)動電平信號具備互鎖的特性，并加入了硬件死區(qū)時間。后級推挽電路連接被驅(qū)動IGBT，為IGBT門極驅(qū)動的直接推挽級，當(dāng)Q3打開時，通過驅(qū)動電阻R7給IGBT門極充電，IGBT開通，當(dāng)Q4打開時，通過驅(qū)動電阻R8給IGBT門極提供放電回路，IGBT關(guān)斷。后級推挽結(jié)構(gòu)采用MOS管結(jié)構(gòu)，加上門極鉗位的肖特基二極管D1，兩者共同組成了有效的門極鉗位，有效限制了 IGBT的短路電流，在短路發(fā)生時能夠可靠保護(hù)IGBT。且IGBT關(guān)斷時，門極電平被穩(wěn)定在負(fù)電壓，能夠有效防止米勒效應(yīng)造成的門極誤導(dǎo)通。本發(fā)明的工作過程波形見圖7，圖中，
權(quán)利要求
1.一種絕緣柵雙極晶體管門極驅(qū)動推挽電路，包括驅(qū)動芯片和IGBT門極驅(qū)動電路，驅(qū)動芯片副邊正負(fù)電源供電，正負(fù)電平輸出；其特征是:還包括前級推挽電路、電平轉(zhuǎn)換電路以及后級推挽電路；所述前級推挽電路、電平轉(zhuǎn)換電路以及后級推挽電路共用驅(qū)動芯片副邊的正負(fù)電源，驅(qū)動芯片的輸出連接前級推挽電路的輸入，前級推挽電路的輸出與電平轉(zhuǎn)換電路相連，電平轉(zhuǎn)換電路的輸出與后級推挽電路相連，后級推挽電路的輸出與IGBT門極驅(qū)動電阻相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述絕緣柵雙極晶體管門極驅(qū)動推挽電路，其特征是:所述前級推挽電路由電阻(R1 )，PNP三極管(Q1)和NPN三極管(Q2)構(gòu)成；電阻(R1) —端與驅(qū)動芯片輸出端相連，另一端與PNP三極管(Q1)和NPN三極管(Q2)的基極相連；PNP三極管(Q1)的發(fā)射極和正電源相連，NPN三極管(Q2)的發(fā)射極與負(fù)電源相連，PNP三極管(Q1)的集電極作為輸出送給后級電路，NPN三極管(Q2)的集電極作為另一輸出送給后級電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述絕緣柵雙極晶體管門極驅(qū)動推挽電路，其特征是:所述電平轉(zhuǎn)換電路由電阻(R2)、電阻(R3)、電阻(R4)依次串聯(lián)構(gòu)成；電阻(R2)與正電源相連，電阻(&)與負(fù)電源相連；電阻(R2)與電阻(R3)的連接點(O1)與前級推挽電路的PNP三極管(Q1)集電極相連，同時作為電平轉(zhuǎn)換電路的輸出送給后級電路；電阻(R3)與電阻(R4)的連接點(O2)與前級推挽電路的NPN三極管(Q2)的集電極相連，同時作為電平轉(zhuǎn)換電路的輸出送給后級電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述絕緣柵雙極晶體管門極驅(qū)動推挽電路，其特征是:所述后級推挽電路包括電阻(R5、R6)、PMOS (Q3)和NMOS (Q4);電阻R5 —端與電平轉(zhuǎn)換電路的節(jié)點(O1)相連，電阻(R5)的另一端與PMOS的柵極相連，電阻(R6)—端與電平轉(zhuǎn)換電路的節(jié)點(02)相連，電阻(R6)的另一端與NMOS的柵極相連；PM0S的源極與驅(qū)動芯片副邊正電源相連，漏極作為輸出(O3)與IGBT門極驅(qū)動電路的開通電阻(R7)相連；NM0S的源極與驅(qū)動芯片副邊負(fù)電源相連，漏極作為輸出(O4)與IGBT門極驅(qū)動電路的關(guān)斷電阻(R8)相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種絕緣柵雙極晶體管門極驅(qū)動推挽電路，其驅(qū)動芯片副邊正負(fù)電源供電，正負(fù)電平輸出。前級推挽電路、電平轉(zhuǎn)換電路以及后級推挽電路共用驅(qū)動芯片副邊的正負(fù)電源。驅(qū)動芯片的輸出連接前級推挽電路的輸入，前級推挽電路的輸出與電平轉(zhuǎn)換電路相連，電平轉(zhuǎn)換電路的輸出與后級推挽電路相連，后級推挽電路的輸出與IGBT門極驅(qū)動電阻相連。本發(fā)明，前級推挽電路和電平轉(zhuǎn)換電路結(jié)合在一起，為后級推挽電路的MOS管提供了互鎖的驅(qū)動信號，且加入了硬件死區(qū)，避免MOS管推挽結(jié)構(gòu)內(nèi)部的直通，且MOS管的GS電壓控制在±20V之內(nèi)，保證了MOS管的可靠工作。后級推挽電路采用MOS管，能夠配合有效的IGBT門極鉗位，限制IGBT短路電流，提高IGBT工作可靠性。
文檔編號H02M1/088GK103178694SQ20131006549
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月1日
發(fā)明者姚瑱, 戴安剛, 鄭靜文, 吳波 申請人:南京埃斯頓自動控制技術(shù)有限公司, 南京埃斯頓自動化股份有限公司