CN104953991A - 带电平自举和电荷泵电路的双n-mosfet推动级的igbt驱动电路及时序控制方法 - Google Patents

带电平自举和电荷泵电路的双n-mosfet推动级的igbt驱动电路及时序控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带电平自举和电荷泵电路的双N-MOSFET推动级的IGBT驱动电路及时序控制方法，驱动电路包括自举电路、电荷泵电路、双N-MOSFET半桥推动级电路和短路保护电路；其中，所述自举电路包括电平自举电路、自举电容Cboot及自举二极管D1；电荷泵电路包括自激振荡电路和二极管D2；双N-MOSFET半桥推动级电路由上端N-MOSFET开关管S1与下端N-MOSFET开关管S2串联构成；短路保护支路由电阻Rsoft与N-MOSFET开关管S3构成。本发明降低了整个驱动器电路的损耗且降低了电路成本；短路保护电路可准确控制IGBT短路故障时电流下降速率，降低IGBT关断尖峰电压。

Description

带电平自举和电荷泵电路的双N-MOSFET推动级的IGBT驱动电路及时序控制方法
技术领域
本发明属于电力半导体器件驱动技术领域，尤其是一种采用双N-MOSFET推动级的大功率IGBT驱动电路。
背景技术
随着市场对大功率变换器的需求日益旺盛，如新能源、电气化轨道交通的兴起，中高压大功率IGBT(绝缘栅双极型晶体管)得到广泛应用。与低压小功率IGBT不同，中高压大功率IGBT运行条件更为恶劣，对驱动电路抗干扰能力要求更高，如果IGBT由于复杂的电磁环境不能可靠地开通或关断，易引起短路故障或工作在线性区造成损耗过大而损坏；在短路故障发生时，流过IGBT的电流可达额定电流的4倍，由于主电路寄生电感的存在，如果采取硬关断的方式，会在IGBT集-射极产生极大的尖峰电压，导致IGBT过压损坏。
如图1所示，现有的由NPN与PNP构成的推挽式推动级驱动电路包括NPN三极管Q1和PNP三极管Q2，这两个三极管基极并接，基极输入驱动信号指令，发射极也并接，发射极的并接点经门极电阻与IGBT门极相连，三极管Q1集电极连接VCC，三极管Q2集电极连接VEE，上述传统推动级电路能可靠的开通或关断IGBT。
但是，由于在IGBT的开通关断过程中三极管工作在线性区，损耗较大；且在实际应用中由于单个三极管芯片电流较小，对于驱动大功率IGBT需多个并联，增加了驱动电路板面积。当IGBT发生短路故障时，为了控制短路故障时IGBT的关断速度，降低关断尖峰电压，当前已公开了部分解决方案，该技术能降低IGBT短路故障时的关断速度，但在进行短路保护时同时有两条支路导通，不利于准确控制IGBT的关断速度，参数设计难度较大。
发明内容
发明目的：提供一种采用双N-MOSFET推动级的大功率IGBT驱动电路，以克服现有技术存在的上述缺陷。
技术方案：一种采用双N-MOSFET推动级的大功率IGBT驱动电路，包括自举电路、电荷泵电路、双N-MOSFET半桥推动级电路和短路保护电路；
其中，所述自举电路包括电平自举电路、自举电容Cboot及自举二极管D1；电荷泵电路包括自激振荡电路和二极管D2；双N-MOSFET半桥推动级电路由上端N-MOSFET开关管S1与下端N-MOSFET开关管S2串联构成；短路保护支路由电阻Rsoft与N-MOSFET开关管S3构成；
电平自举电路输入为驱动控制信号，输出分别连接所述上端N-MOSFET开关管S1和下端N-MOSFET开关管S2的门极；
电荷泵电路通过二极管D2连接所述自举电容Cboot，在上端N-MOSFET开关管S1导通时给自举电容Cboot充电；
所述上端N-MOSFET开关管S1的门极与自举电路输出连接，漏极与电源VCC连接，所述下端N-MOSFET开关管S2的门极连接自举电路输出引脚，源极连接电源VEE，上端N-MOSFET开关管S1的源极与下端N-MOSFET开关管S2的漏极及自举电容Cboot连接，该连接点和门极电阻Rg的一端相连，门极电阻Rg的另一端连接IGBT门极，
电阻Rsoft的一端与IGBT门极相连，电阻Rsoft的另一端和开关管S3的漏极相连，开关管S3的源极和地相连，门极与保护控制信号相连。
工作原理：上述自举电路与电荷泵电路为双N-MOSFET推动级电路的驱动电路，电平自举电路完成信号调理、上端N-MOSFET开关管S1和下端N-MOSFET开关管S2的控制；上端N-MOSFET开关管S1与下端N-MOSFET开关管S2互补导通，在下端N-MOSFET开关管S2导通时通过V1→自举二极管D1→自举电容Cboot回路对自举电容充电，上端N-MOSFET开关管S1导通时，其门极电压为自举电容Cboot的电压。
在低频应用场合，自举电容电压不能维持上端N-MOSFET开关管S1导通，引入电荷泵电路，在上端N-MOSFET开关管S1导通阶段给自举电容充电，维持S1门极电压，提高电路的可靠性、扩大了电路应用场合。
上述IGBT短路保护电路采用与门极连接的第三条支路方法，通过电阻Rsoft与开关管S3连接IGBT门极与地，同时配合双N-MOSFET推动级电路，在短路故障发生时，S1、S2断开，而短路保护支路开关管S3导通，门极电荷通过Rsoft→S3→GND回路放电，由于Rsoft大于门极电阻Rg且短路保护支路与地连接，可降低IGBT关断速度，同时也就降低了IGBT尖峰电压。
进一步的，上述带电平自举和电荷泵电路的双N-MOSFET推动级的IGBT驱动电路的短路保护时序控制方法，
当IGBT正常工作时，双N-MOSFET驱动级电路的上端N-MOSFET开关管S1及下端N-MOSFET开关管S2根据驱动信号指令互补导通，短路保护电路的N-MOSFET开关管S3截止；
当驱动信号为低时，下端N-MOSFET开关管S2导通，上端N-MOSFET开关管S1关断，自举电容通过V1、自举二极管D1、自举电容Cboot、下端N-MOSFET开关管S2回路进行充电，VGE＝VEE，IGBT关断；
当驱动信号为高时，上端N-MOSFET开关管S1导通，下端N-MOSFET开关管S2关断，自举电容通过电荷泵电路、二极管D2、自举电容Cboot回路进行充电，VGE＝VCC，IGBT导通；
当IGBT出现短路过流故障时，双N-MOSFET驱动级电路的上端N-MOSFET开关管S1及下端N-MOSFET开关管S2根据指令进行关断，短路保护支路N-MOSFET开关管S3导通，IGBT门极电荷通过电阻Rsoft放电，门极电压VGE缓慢下降，降低IGBT关断速度，从而实现IGBT短路保护。
有益效果：本发明降低了整个驱动器电路的损耗且降低了电路成本；短路保护电路可准确控制IGBT短路故障时电流下降速率，降低IGBT关断尖峰电压。
附图说明
图1是现有的由NPN与PNP构成的推挽式推动级驱动电路示意图。
图2是带自举电路与电荷泵电路的双N-MOSFET驱动级的IGBT驱动电路示意图。
图3为各开关管工作逻辑示意图。
图4为该驱动器测试平台电路示意图。
图5a为与驱动开关管工作逻辑相对应的功率开关管工作波形图。
图5b为功率开关管正常运行时波形图。
图5c为功率开关管短路故障时波形图。
附图标记：Udc——母线直流电压；L——负载电感；Cdc——支撑电容；S1～S3——驱动开关管及驱动信号；T1～T2——功率开关管；SC——短路故障信号；VGE——功率开关管门极电压；IC——功率开关管集电极电流；VCE——功率开关管集-射极电压。
具体实施方式
图1描述了本发明驱动电路的结构，它主要包括自举电路、电荷泵电路、双N-MOSFET半桥推动级电路和短路保护电路。
其中，所述自举电路包括电平自举电路、自举电容Cboot及自举二极管D1，输入为驱动控制信号，输出分别连接双N-MOSFET推动级电路的上端N-MOSFET开关管S1和下端N-MOSFET开关管S2门极。
电荷泵电路通过二极管D2连接自举电容Cboot，在上端N-MOSFET开关管S1导通时给自举电容充电；双N-MOSFET推动级电路包括上端N-MOSFET开关管S1和下端N-MOSFET开关管S2，上端N-MOSFET开关管S1的门极与自举电路输出连接，漏极与电源VCC连接，下端N-MOSFET开关管S2的门极连接自举电路输出引脚，源极连接电源VEE，上端N-MOSFET开关管S1的源极与下端N-MOSFET开关管S2的漏极及自举电容连接，该连接点和门极电阻Rg的一端相连。
门极电阻Rg的另一端连接IGBT门极，短路保护电路包括电阻Rsoft和N-MOSFET开关管S3，电阻Rsoft的一端与IGBT门极相连，电阻Rsoft的另一端和N-MOSFET开关管S3的漏极相连，N-MOSFET开关管S3的源极和地相连，门极与保护控制信号相连。
图3为本发明驱动电路各开关管工作逻辑，当IGBT正常工作时，双N-MOSFET驱动级电路的上端N-MOSFET开关管S1及下端N-MOSFET开关管S2根据驱动信号指令互补导通，短路保护电路的N-MOSFET开关管S3截止；当驱动信号为低时，下端N-MOSFET开关管S2导通，上端N-MOSFET开关管S1关断，自举电容Cboot通过V1→D1→Cboot→S2回路进行充电，VGE＝VEE，IGBT关断；当驱动信号为高时，上端N-MOSFET开关管S1导通，下端N-MOSFET开关管S2关断，自举电容通过电荷泵电路→D2→Cboot回路进行充电，VGE＝VCC，IGBT导通。
当IGBT出现短路过流故障时，双N-MOSFET驱动级电路的开关管S1及S2根据指令进行关断，短路保护支路N-MOSFET开关管S3导通，IGBT门极电荷通过电阻Rsoft放电，门极电压VGE缓慢下降，降低IGBT关断速度，从而实现IGBT短路保护。
图4为测试该驱动器的实验平台，Udc为直流电源，Cdc为直流母线支撑电容，T1、T2为功率开关管，T1一直保持关断状态，T2接本发明驱动电路，负载电感L分别连接T1的集电极与发射极。当T2导通时，直流电压加载电感两端，T2集电极电流线性增加；当T2关断时，电感电流通过T1的反向并联二极管续流。
图5a至图5c为与驱动开关管工作逻辑相对应的功率开关管工作波形图，与前面所述理论分析一致。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种带电平自举和电荷泵电路的双N-MOSFET推动级的IGBT驱动电路，其特征在于，包括自举电路(1)、电荷泵电路(2)、双N-MOSFET半桥推动级电路(3)和短路保护电路(4)。
2.如权利要求1所述的带电平自举和电荷泵电路的双N-MOSFET推动级的IGBT驱动电路，其特征在于：
所述自举电路(1)包括电平自举电路、自举电容Cboot及自举二极管D1；电荷泵电路(2)包括自激振荡电路和二极管D2；双N-MOSFET半桥推动级电路(3)由上端N-MOSFET开关管S1与下端N-MOSFET开关管S2串联构成；短路保护支路(4)由电阻Rsoft与N-MOSFET开关管S3构成；
电平自举电路输入为驱动控制信号，输出分别连接所述上端N-MOSFET开关管S1和下端N-MOSFET开关管S2的门极；
电荷泵电路通过二极管D2连接所述自举电容Cboot，在上端N-MOSFET开关管S1导通时给自举电容Cboot充电；
所述上端N-MOSFET开关管S1的门极与自举电路输出连接，漏极与电源VCC连接，所述下端N-MOSFET开关管S2的门极连接自举电路输出引脚，源极连接电源VEE，上端N-MOSFET开关管S1的源极与下端N-MOSFET开关管S2的漏极及自举电容Cboot连接，该连接点和门极电阻Rg的一端相连，门极电阻Rg的另一端连接IGBT门极，
电阻Rsoft的一端与IGBT门极相连，电阻Rsoft的另一端和开关管S3的漏极相连，开关管S3的源极和地相连，门极与保护控制信号相连。
3.权利要求2所述的带电平自举和电荷泵电路的双N-MOSFET推动级的IGBT驱动电路的短路保护时序控制方法，其特征在于，
当IGBT正常工作时，双N-MOSFET驱动级电路的上端N-MOSFET开关管S1及下端N-MOSFET开关管S2根据驱动信号指令互补导通，短路保护电路的N-MOSFET开关管S3截止；
当驱动信号为低时，下端N-MOSFET开关管S2导通，上端N-MOSFET开关管S1关断，自举电容通过V1、自举二极管D1、自举电容Cboot、下端N-MOSFET开关管S2回路进行充电，VGE＝VEE，IGBT关断；
当驱动信号为高时，上端N-MOSFET开关管S1导通，下端N-MOSFET开关管S2关断，自举电容通过电荷泵电路、二极管D2、自举电容Cboot回路进行充电，VGE＝VCC，IGBT导通；
当IGBT出现短路过流故障时，双N-MOSFET驱动级电路的上端N-MOSFET开关管S1及下端N-MOSFET开关管S2根据指令进行关断，短路保护支路N-MOSFET开关管S3导通，IGBT门极电荷通过电阻Rsoft放电，门极电压VGE缓慢下降，降低IGBT关断速度，从而实现IGBT短路保护。
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