CN1067497C - 用于绝缘栅双极晶体管的驱动电路 - Google Patents

用于绝缘栅双极晶体管的驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于驱动IGBT的驱动电路，这种电路包含正向偏置电源、反向偏置电源、正向偏置半导体开关、反向偏置半导体开关、第一电阻器和第二电阻器。电容器的一端连接在第一电阻器和第二电阻器的公共节点与IGBT的栅极之间。工作中，模式切换半导体开关被接通和断开，以建立一给定的电压变化速率，独立地选出这个速率，用于IGBT的接通和断开。

Description

用于绝缘栅双极晶体管的驱动电路
本发明涉及一种用于IGBT的驱动电路，这种电路在切换绝缘栅双极晶体管(下面缩写为“IGBT”)时，具有在较低的dv/dt(电压的变化速率)模式和较高的dv/dt模式(也称为“正常模式”)中选出一个模式，以减小高频漏电流的功能。
在1994年3月由富士电机株式会社出版的《富士半导体数据手册》中，揭示了一种上述用于IGBT的驱动电路的已知实例。图7是该实例的电路图。在图7中，驱动电路包括用于产生正向偏置电流的电源1、用于产生反向偏置电流的电源2、用于使IGBT正向偏置的MOS场效应晶体管(MOSFET)3、用于使IGBT反向偏置的MOSFET4、正向偏置MOSFET的栅极电阻器5、反向偏置MOSFET的栅极电阻器6、用于限制正向偏置电流的栅极电阻器7、用于限制反向偏置电流的栅极电阻器8、IGBT9、IGBT9的栅极/发射极电阻器10，及驱动信号输入部分11。
为了接通上述电路中的IGBT9，把接通(ON)信号输入至驱动信号输入部分11，由此接通MOSFET3，而电压从正向偏置电源1经过MOSFET3和电阻器7、10提供给IGBT9，从而对IGBT9的栅极电容器(未示出)充电。
另一方面，为了断开IGBT9，将一个断开(OFF)信号输入至驱动信号输入部分11，由此接通MOSFET4，从而IGBT9的栅极电容器通过MOSFET4、电阻器8和其它元件放电。
图7中所示的已知的驱动电路不具有从外部改变IGBT的dv/dt的功能。因此，为了改变电压变化的速率dv/dt，必需个别地控制或者调整图7中所示的正向偏置电阻器7和反向偏置电阻器8的电阻值。
在现有技术中已经知道，电压改变的速率dv/dt可以通过改变IGBT的栅极电容器充电和放电的速率或者速度而变化。由于在接通时栅极电容器的电容不同于在断开时栅极电容器的电容，因此在图7的电路中的正向偏置电阻器7和反向偏置电阻器8的电阻值必需个别地调整，以应付这种差别。但是，电阻值的调整需要既费又时，复杂的程序，因此dv/dt不能容易地改变。这也使得难于减小高频漏电流。
因此本发明的一个目的是提供一种用于IGBT的驱动电路，其中，可以容易地改变电压变化的速率dv/dt，以减小高频漏电流。
为了达到上述目的，根据本发明提供了一种用于驱动IGBT的驱动电路，所述电路包括：第一电源，用于产生正向偏置电流；第二电源，用于产生反向偏置电流；第一半导体开关，用于使IGBT正向偏置；第二半导体开关，用于使IGBT反向偏置；第一电阻器，用于限制正向偏置电流；第二电阻器，用于限制反向偏置电流；电容器，该电容器具有连接在用于限制正向偏置电流的所述第一电阻器和用于限制反向偏置电流的第二电阻器的公共节点与IGBT的栅极之间的第一端；模式切换半导体开关，它具有连接到电容器的第二端的第一终端和连接到第一电源和第二电源的公共节点的第二端。接通和断开模式切换半导体开关，从而产生电压变化的速率，对于接通和断开IGBT而独立地选择该速度。
在本发明的一个最佳实施例中，驱动电路还包括连接在电容器的第一端和IGBT的栅极之间的第三电阻器。这个驱动电路可以再包括与第三电阻器并联的二极管。
图5(a)和5(b)示出IGBT的一个等效电路。
如图5(a)中所示，IGBT是一个组合元件，包括一个场效应晶体管(FET)和一个晶体管。更具体地说，IGBT如此地构成，从而FET的漏极(D)和源极(S)接在晶体管的基极(B)和发射极(E)之间。如图5(b)中所示，FET包括电容器Cg和用于产生用FET的栅极和源极之间的互导gm t和Vgs的乘积表示的电流的电流源、而晶体管包括具有互导gbe的电阻器和用于产生由晶体管的基极和发射极之间的互导gm t和电压Vbe的乘积表示的电流的电流源。
IGBT的接通和断开特性如图6的曲线图所示由栅极电荷特性决定。下面将描述在IGBT的接通和断开的过程中dv/dt升高的方式。
当将正向偏置电流施加于IGBT的栅极以接通晶体管时，如图6中的VGE表示的栅极和发射极之间的电压从起始点(0)变至点A，然后至B。在这个过程中，如图6中的VCE表示的集电极和发射极之间的电压从点E变至点F。这一变化提供了在接通期间的dv/dt。
另一方面，当将反向偏置电流施加于IGBT的栅极以断开晶体管时，电压VGE按照顺序从点D变至点C、点B和点A，而电压VCE从点F变至点E，如图6中所示。这一变化提供了断开期间的dv/dt。因此，可以通过减低电压VCE的变化速率来减小dv/dt。要注意电压VCE的变化大致上和电压VGE的变化是同步的。
另外，电压VGE的变化是通过对栅极电容器(图5中的Cg)充电或放电这种方式决定的。因此，为了改变电压(VGE)的变化速率，可以使用一个包含电容器和半导体开关的外部电路，以改变充电和放电的时间常数，由此提供栅极驱动电路，该电路在从较小的dv/dt模式和正常模式中选出的一种模式下工作。
将参照较佳实施例及附图更加详细地描述本发明，在这些附图中：
图1是示出本发明的第一实施例的电路图；
图2(a)到2(d)是解释图1的实施例的工作的图；
图3是示出本发明的第二实施例的电路图；
图4是示出本发明的第三实施例的电路图；
图5(a)和5(b)是示出IGBT的等效电路的电路图；
图6是用于解释IGBT的栅极电荷特性的曲线图；及
图7是示出一种已知的IGBT的驱动电路例子的电路图。
图1是本发明的第一实施例的电路图。
从图1显见，根据本发明的用于IGBT的驱动电路是通过将模式切换信号输入部分12、电容器13、模式切换MOSFET14、及模式切换MOSFET14的栅极电阻器15加到如图7所示的已知电路上而得到的。更具体地说，电容器13的一端连接在正向偏置栅极电阻器7和反向偏置栅极电阻器的公共点或者节点与IGBT的栅极电阻器的连接点之间，而电容器13的另一终端连接到模式切换MOSFET14的一端。模式切换MOSFET14的另一端连接到正向偏置电源1和反向偏置电源2的公共点或者节点。用于切换模式的MOSFET14可以由其它类型的半导体开关替代。
按照上述的安排，当模式切换MOSFET14处于OFF状态时，IGBT驱动电路以和图7的已知的例子相同的方式工作。当某个信号输入至模式切换信号输入部分12以接通MOSFET14时，电容器13和位于IGBT9的栅极和发射极之间的电容器Cg(如图5(b)中所示)并联，这样可以改变IGBT9的接通/断开过程中栅极充电和放电的时间常数(T=CR)(即，时间常数可以比图7中所示的已知的例子的时间常数更大)。结果，可以改变IGBT9在接通/断开过程中电压的变化速率dv/dt。因此，IGBT9可以在较高的dv/dt模式(正常模式)和较小的dv/dt模式中选出的一种模式下工作。
现在将参照图2解释图1的电路的工作。
当将如图2(a)所示的表示较高的dv/dt模式的模式切换信号施加于模式切换信号输入部分12，以建立较高的dv/dt模式，并将图2(b)所示的PWM信号形式的ON信号施加于驱动信号输入部分11，以接通IGBT时，IGBT9的栅极电压VGE随一次延时增加，如图2(c)中所示。在此过程中，如果栅极电压VGE从点A变至点B，图2(d)中所示的收集极和发射极之间的电压VCE从点E变至点F，如上述参照图6的解释那样。点E和点F之间的电压的变化量除以变化所需的时间，从而提供了IGBT的接通过程中的dv/dt。
如果施加PWM信号形式的OFF信号，以在施加了某个信号之后断开IGBT9而建立较低的dv/dt模式，栅极电压VGE随一次延时减少，如图2(c)中所示。在此过程中，如果栅极电压VGE从点B变至点A，则电压VCE从点F变至点E，如上参照图6所示。点E和点F之间的电压的变化量除以变化所需的时间，从而提供IGBT接通过程中的dv/dt。
图3是示出本发明的第二实施例的电路图。
第二实施例和图1的第一实施例的不同之处在于，将另一个电阻器16连接在电容器B的一端和IGBT9的栅极电阻器之间。采用这种结构，在IGBT9的接通/断开过程中的充电和放电时间常数可以如要求的那样变化。
图4是示出本发明的第三实施例的电路图。
这个实施例是图3的第二实施例的修改例，它和第二实施例的不同之处在于二极管17和栅极电阻器9并联。采用这种结构，在接通/断开过程中的充电和放电时间常数可以在一个比图3的实施例的更大的范围内改变，因为，特别地，在断开过程中，由于有二极管17电流可以绕过电阻器16。在这种情况下，可以在更为宽广的范围中选出接通/断开过程中电压变化的速率dv/dt，即可以扩大设置dv/dt的范围。
根据本发明，通过一个开关，可以将IGBT的栅极充电和放电的时间常数变至一适当的值，而且由此IGBT驱动电路可以容易的在较小的dv/dt模式和正常模式之间切换。

Claims (3)

1．一种用于驱动IGBT的驱动电路，包含：
第一电源，用于产生正向偏置电流；
第二电源，用于产生反向偏置电流；
第一半导体开关，用于使IGBT正向偏置；
第二半导体开关，用于使IGBT反向偏置；
第一电阻器，用于限制正向偏置电流；
第二电阻器，用于限制反向偏置电流；
其特征在于还包含：
电容器，所述电容器的第一端连接在用于限制正向偏置电流的第一电阻器和用于限制反向偏置电流的第二电阻器的公共节点与IGBT的栅极之间；
模式切换半导体开关，所述开关的第一端连接到所述电容器的第二端，而所述开关的第二端连接到所述第一电源和所述第二电源的公共节点，所述模式切换半导体开关被接通和断开，以建立电压的变化速率，所述速率被独立地选出，用于IGBT的接通和断开。
2．如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于还包含连接在所述电容器的第一端和IGBT的栅极之间的第三电阻器。
3．如权利要求2所述的驱动电路，其特征在于还包含和所述第三电阻器并联的二极管。
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