CN105186847A - 一种igbt有源钳位保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种IGBT有源钳位保护电路，是IGBT驱动保护电路的一部分，包括绝缘栅双极晶体管IGBT和与绝缘栅双极晶体管的门级连接的推动级，还包括电容钳位电路、动态反馈电路和静态反馈电路，绝缘栅双极晶体管的集电极与直流母线的正极连接，动态反馈电路主要由第一瞬态电压抑制二极管、反馈电容和第一二极管构成，静态反馈电路连接于钳位电容的输出端与绝缘栅双极晶体管IGBT的门级之间，保证过流关断和短路保护时绝缘栅双极晶体管的关断电压尖峰小于集射极电压的最大允许值。该电路不仅能准确钳住过电压，还能保证有源电路中电压的动态和静态的平衡，具有损耗较小、响应快、结构简单、可靠性高的特点，可应用于各种工况下的IGBT驱动保护电路设计中。

Description

一种IGBT有源钳位保护电路
技术领域
本发明涉及一种级联式高压变频器，具体涉及一种级联式高压变频器的IGBT有源钳位保护电路，属于电力电子技术领域。
背景技术
绝缘栅双极晶体管(IGBT)是集功率晶体管(GTR)和功率场效应管(MOSFET)的优点于一身，具有易于驱动、峰值电流容量大、自关断、开关频率高的特点，近年来被广泛应用于高电压、大功率场合。
IGBT的开通关断保护是高压变频器应用设计很重要的一点。在高压变频器等大功率应用场合，主电路(直流电容到IGBT模块间)存在较大杂散电感(几十到数百nH)。IGBT关断时，集电极电流下降率较高，即存在较高的di/dt，在杂散电感两端感应出电动势，方向与直流母线电压一致，并与直流母线一起叠加在IGBT两端。从而使IGBT集电极-发射极间产生很大的浪涌电压，甚至会超过IGBT额定集射极电压，使IGBT损坏。
有源钳位电路是一种加在IGBT集电极和门极之间的一个反馈电路，遏制过高的电压尖峰。有源钳位电路的本质是一种负反馈，当加载在IGBT两端的电压达到阈值时，有源钳位电路动作，电路就会反馈至IGBT栅极，门极电压被抬高，IGBT上的高电压被限制。
现有技术中，传统的有源钳位保护电路如图1所示。该电路采用瞬态电压抑制器(TVS)有源箝位的方法，其原理就是当集电极电位过高时，TVS被击穿，有电流流进门极，门极电位得以抬升，从而使关断电流不要过于陡峭，进而减小关断电压尖峰。然而传统的有源钳位只能限制住过电压，不能确保电压的动态和静态的平衡，而且TVS管损耗也比较大，其可靠性受到限制。
如图2所示，为另一种改进的有源钳位电路图。该电路将TVS的电流引入推动级的前级，相当于给TVS管的电流增加了一级的增益，可以减少流过TVS管的电流，提高这个电路的性能。同时后面的内馈电路，使得电路的动态性能更好，TVS的电流能够很快的流入门极，电路的响应更快。但是该电路中TVS管的损耗依然很大，而且推动级有较大的时间延迟，可能会使集电极电位不能及时的钳住，电路效果不是十分理想，有源钳位电路的工作点仍然不够优化。
发明内容
针对上述的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种IGBT有源钳位保护电路，该电路不仅能准确及时地钳住过电压，还能保证有源电路中电压的动态和静态的平衡，该电路具有损耗较小、响应快、结构简单、可靠性高的特点，可应用于各种工况下的IGBT驱动保护电路设计中。
为解决上述问题，本发明通过以下技术方案实现：
一种IGBT有源钳位保护电路，是IGBT驱动保护电路的一部分，包括绝缘栅双极晶体管IGBT和与绝缘栅双极晶体管的门级连接的推动级，还包括电容钳位电路、动态反馈电路和静态反馈电路，其中
所述绝缘栅双极晶体管的集电极与直流母线的正极连接，用于控制逆变电路的通断；
所述电容钳位电路主要由钳位电容C1和限流电阻R3构成，钳位电容C1的输入端与绝缘栅双极晶体管的集电极连接、其输出端与限流电阻R3连接后电与直流母线电压的负极连接；
所述动态反馈电路主要由第一瞬态电压抑制二极管TVS1、反馈电容C2和第一二极管D1构成，第一瞬态电压抑制二极管TVS1的阴极与钳位电容C1的输出端连接、其阳极通过一电阻R1与反馈电容C2的一端连接，反馈电容C2的另一端与第一二极管D1的阳极连接，第一二极管D1的阴极连接于推动级的基极上；
所述静态反馈电路连接于钳位电容C1的输出端与绝缘栅双极晶体管IGBT的门级之间，用于抬高门极电位，以保证在过流关断和短路保护时，绝缘栅双极晶体管IGBT的关断电压尖峰低于集射集电压的最大允许值。
上述方案中，所述静态反馈电路主要由第二瞬态电压抑制二极管TVS2和第二二极管D2构成，第二瞬态电压抑制二极管TVS2的阴极与连接、其阳极经电阻R2后与第二二极管D2的阳极连接，第二二极管D2的阴极连接于绝缘栅双极晶体管IGBT的门极上。
上述IGBT有源钳位保护电路，还包括一个电压源VCC和二极管D3，电压源VCC的正极与二极管D3的阴极连接，二极管D3的阳极连接于绝缘栅双极晶体管IGBT的门极上。
上述方案中，所述电压源VCC的电压值可以为15V。
与现有技术相比，有益效果为：
1)本发明通过设置的电容钳位电路不仅有效地防止直流母线电压误触发有源钳位工作的作用，还减少了瞬态电压抑制二极管的数量，进而减少电路的损耗；
2)通过设置的动态反馈电路补偿了整个驱动电路的延时，不仅降低了绝缘栅双极晶体管的门极放电速度，也减缓了其集电极的电流变化速度，起到改善电压尖峰的作用，并且通过反馈关断电压的变化率进行动态调节，响应速度更快；
3)通过设置的静态反馈电路，能有效地防止在过流关断和短路保护情况下IGBT被击穿，大大提高了电路的安全性及稳定性。
附图说明
图1为传统的有源钳位保护电路的电路图。
图2为另一种改进的有源钳位保护电路的电路图。
图3为本IGBT有源钳位保护电路的电路图。
图4为高压变频器功率单元的一个拓扑图，并将本发明应用在H桥逆变电路的一个实例环境。
图中标号为：IGBT、绝缘栅双极晶体管；C1、钳位电容；C2、反馈电容；R1、R2均为电阻；R3、限流电阻；TVS1、第一瞬态电压二极管；TVS2、第二瞬态电压二极管；D1、第一二极管；D2、第二二极管；D3、二极管；VCC、电压源；VDC+、直流母线正电压；VDC-、直流母线负电压。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的解释说明，但不用以限制本发明。
如图3所示，一种IGBT有源钳位保护电路，是IGBT驱动保护电路的一部分，包括绝缘栅双极晶体管IGBT和与绝缘栅双极晶体管IGBT的门级连接的推动级，还包括电容钳位电路、动态反馈电路和静态反馈电路，其中
所述绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极C与直流母线电压的正极连接，用于控制逆变电路的通断；本实施例中，所述直流母线的电压值为1kV。
所述电容钳位电路主要由钳位电容C1和限流电阻R3构成，钳位电容C1的输入端与绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极C连接、其输出端与限流电阻R3连接后电与直流母线电压的负极连接；其主要作用是：通过电容钳位电路串接在直流母线电压的正负极上，使得钳位电容C1两端电压钳位在直流母线电压，一方面防止直流母线电压误触发有源钳位的工作，另一方面减少TVS管的数量，进而减少电路的损耗。
所述动态反馈电路主要由第一瞬态电压抑制二极管TVS1、反馈电容C2和第一二极管D1构成，第一瞬态电压抑制二极管TVS1的阴极与钳位电容C1的输出端连接、其阳极通过一电阻R1与反馈电容C2的一端连接，反馈电容C2的另一端与第一二极管D1的阳极连接，第一二极管D1的阴极连接于推动级的基极上；其主要作用是：当绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极C和发射极电压VCE>VC1+VTVS1时，通过动态反馈电路重新向门极充电，补偿整个驱动电路的延时。因此VCE电压的变化率直接反应了iC2的变化，iC2的作用等效于降低绝缘栅双极晶体管IGBT的门极的放电速度，减缓了IGBT集电极iC的变化速度，从而改善了电压尖峰。
所述静态反馈电路连接于钳位电容C1的输出端与绝缘栅双极晶体管IGBT的门级之间，用于抬高门极电位，以保证过流关断和短路保护时IGBT的关断电压尖峰低于集射极电压的最大允许值。该静态反馈电路具体主要由第二瞬态电压抑制二极管TVS2和第二二极管D2构成，第二瞬态电压抑制二极管TVS2的阴极与连接、其阳极经电阻R2后与第二二极管D2的阳极连接，第二二极管D2的阴极连接于绝缘栅双极晶体管IGBT的门极上。
上述IGBT有源钳位保护电路，还包括一个电压源VCC和二极管D3，电压源VCC的正极与二极管D3的阴极连接，二极管D3的阳极连接于绝缘栅双极晶体管IGBT的门极上。本实施例中，所述电压源VCC的电压值为15V。电压源VCC的作用是钳住门极电压，使得门极冲击电压不会过高，二极管D3的作用是导通门极流向电压源VCC的电流，截止电压源VCC对门极的电流，以避免对IGBT造成损坏。
本发明主要应用于高压变频器等大功率变流器的IGBT保护电路中。具体的，下面对本有源钳位电路的实施方案进行详细的描述。
如图4所示，是一种高压变频器功率单元的拓扑电路图。依据拓扑图四个IGBT构成H桥逆变电路，上管IGBT为AU1和AU2，下管IGBT为AD1和AD2，上管IGBT的集电极C和直流母线正VDC+相连，下管IGBT的发射极E与直流母线VDC-相连。
将如图3所示电路图应用于上管IGBT中，具体为：钳位电容C1一端连接上管IGBT的集电极C，等同于连接在直流母线正电压VDC+，另一端通过限流电阻R3连接在直流母线负电压VDC-，钳位电容C1的电压等于直流母线的电压。
当IGBT处于一般工况时，主要是动态反馈电路进行工作。即电压VCE>VC1+VTVS1时，第一瞬态电压抑制二极管TVS1被击穿，反馈电容C2上流过的电流为iC2＝C2×dVCE/dt，电流iC2经过第一二极管D1流入推动级前级，使得重新向门极充电，从而保证UGE维持在Miller电平，补偿整个驱动电路的延时，相当于减缓了IGBT的关断时间，改善了关断电压尖峰。VCE的电压变化率直接反应iC2的变化，iC2的作用等效于降低门极放电速度，越高的dVCE/dt越说明本次关断电压尖峰会越高，此时电流iC2也更大，IGBT关断延时就更长。同时，通过dVCE/dt的变化率来调控动态反馈电路工作，也是一种对于关断电压VCE的一种超前调控，使得电路具有更好的工作性能。
具体的，根据实际工作环境通过计算调节反馈电容C2的参数大小，可使电路具有合适的动态特性，第一二极管D1具体为快恢复二极管，作用是导通电流iC2和防止推动级前级电流的干扰。
当IGBT处于过流关断或短路保护时，静态反馈电路工作。此时VCE>VC1+VTVS2(需要说明的是，瞬态电压抑制二极管的耐压UTVS2>UTVS1)第一瞬态电压抑制二极管TVS1被击穿，电流iTVS2经过电阻R2后流过第二二极管D2，最后到IGBT的门极。该电路是一个内馈电路，将iTVS2直接反馈到门极，与动态反馈电路一起对门极充电，使得电路在特殊工况时增益更大、响应更好。
需要特殊说明的是，在高压变频器功率单元中，上管IGBT的关断电压尖峰一般会更恶劣一些。对于下管IGBT，只要将图3中钳位电容C1的一端直接连接IGBT的发射极E上，也就是直流母线负电压VDC-，其另一端通过限流电阻R3连接直流母线正电压VDC+即可。实际上钳位电路还是连接直流母线正电压与负电压之间且钳位电容电压等于直流母线电压，故与本发明的IGBT动态有源钳位保护电路本质上完全一样。
以上仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种IGBT有源钳位保护电路，是IGBT驱动保护电路的一部分，包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)和与绝缘栅双极晶体管(IGBT)的门级连接的推动级，其特征在于：还包括电容钳位电路、动态反馈电路和静态反馈电路，其中
所述绝缘栅双极晶体管(IGBT)的集电极C与直流母线电压的正极连接，用于控制逆变电路的通断；
所述电容钳位电路主要由钳位电容(C1)和限流电阻(R3)构成，钳位电容(C1)的输入端与绝缘栅双极晶体管(IGBT)的集电极C连接、其输出端与限流电阻(R3)连接后电与直流母线电压的负极连接；
所述动态反馈电路主要由第一瞬态电压抑制二极管(TVS1)、反馈电容(C2)和第一二极管(D1)构成，第一瞬态电压抑制二极管(TVS1)的阴极与钳位电容(C1)的输出端连接、其阳极通过一电阻(R1)与反馈电容(C2)的一端连接，反馈电容(C2)的另一端与第一二极管(D1)的阳极连接，第一二极管(D1)的阴极连接于推动级的基极上；
所述静态反馈电路连接于钳位电容(C1)的输出端与绝缘栅双极晶体管(IGBT)的门级之间，用于抬高门极电位，以保证过流关断和短路保护时，绝缘栅双极晶体管(IGBT)的关断电压尖峰低于集射极电压的最大允许值。
2.根据权利要求1所述的IGBT有源钳位保护电路，其特征在于：所述静态反馈电路主要由第二瞬态电压抑制二极管(TVS2)和第二二极管(D2)构成，第二瞬态电压抑制二极管(TVS2)的阴极与连接、其阳极经电阻(R2)后与第二二极管(D2)的阳极连接，第二二极管(D2)的阴极连接于绝缘栅双极晶体管(IGBT)的门极上。
3.根据权利要求1或2所述的IGBT有源钳位保护电路，其特征在于：还包括一个电压源(VCC)和二极管(D3)，电压源(VCC)的正极与二极管(D3)的阴极连接，二极管(D3)的阳极连接于绝缘栅双极晶体管(IGBT)的门极上。
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