CN116155252A - 一种igbt栅极驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种IGBT栅极驱动电路，包括驱动控制信号模块和栅极驱动模块；驱动控制信号模块与栅极驱动模块相连，用于向栅极驱动模块提供驱动信号；栅极驱动信号与IGBT连接，用于根据驱动信号进行处理输出驱动电压和驱动电流以驱动IGBT导通或关断。相较于传统的单管驱动和推挽式驱动而言，本发明栅极驱动模块能在IGBT导通或关断后不产生压降，使驱动电压与设计电压相等，同时提供了更强的电流输出能力，减小了开关损耗。本发明同时兼有NMOS电流输出能力强以及PMOS能够实现轨对轨输出的优点，并且解决了NMOS作为导通驱动管的耐压安全问题。

Description

一种IGBT栅极驱动电路
技术领域
本发明属于电力电子器件技术领域，具体涉及一种IGBT栅极驱动电路。
背景技术
作为处理器控制信号和IGBT器件之间的接口，IGBT驱动与保护电路对于IGBT高效、安全的运行起着至关重要的作用，一个优秀的驱动保护电路可以使IGBT工作在最佳工作状态，减小开关损耗以及抑制开通过程中电流尖峰等作用。
IGBT的开通分为几个阶段：(1)门极-发射极电压VGE上升，但未达到开启阈值电压VGE(th)，施加在门极上的电压开始给门极电容CGE充电，使得VGE上升；(2)门极-发射极电压VGE大于开启阈值电压VGE(th)，集电极电流IC迅速增加，过大的di/dt会形成过冲电流，IC会出现电流尖峰，VCE略微下降；(3)集电极电流IC达到峰值后会下降到负载电流IL上，并保持稳定，此时IGBT处于有源区；门极-发射极电压VGE保持在米勒电压VGE(m)，IGBT处于米勒平台阶段，此时门极电流IG以一个稳定电流给米勒电容CGC充电，集电极-发射极电压VCE向饱和导通压降下降；(4)门极-发射极电压VGE在有源区突破到饱和区时，会上升到驱动电压值，集电极-发射极电压VCE最终下降到饱和导通压降VCE(sat)，至此IGBT完全导通。
IGBT的导通速度决定了其开关损耗的大小，IGBT的导通速度越快则开关损耗越小，而由上述描述可知IGBT驱动能产生的峰值电流的大小决定着IGBT的导通时间的快慢。
传统的单管IGBT驱动方案(参见文献《中高压大功率IGBT驱动保护电路及应用研究》唐开毅,湖南大学硕士学位论文,2014)，如图1(a)所示，IGBT驱动的门极导通时使用PMOS作为导通驱动管，而由于PMOS的载流子迁移率约为NMOS的一半，因此PMOS的电流驱动能力相较于NMOS较弱。
常见的IGBT驱动电路还有推挽式驱动方案(参见文献《超高频、低延时、大功率IGBT驱动模块》谢佳明,昆明理工大学硕士学位论文,2021)，如图1(b)所示，然而推挽式驱动的方案由于NMOS和PMOS导通时必须有一个栅源导通的压降Vgs，因此输出并不是严格的轨到轨，该导通压降将很大程度的影响IGBT的导通和关断性能，同时也存在驱动管栅源耐压问题。IGBT的栅极一般偏置在12～20V，而在常规工艺下的MOS管的栅极和源极无法忍耐这么高的电压；因此，虽然该电路采用NMOS作为上管，解决了PMOS管电流驱动能力较弱的问题，但引入了新的耐压和非轨对轨导通的问题。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种IGBT栅极驱动电路，能在IGBT导通或关断后不产生压降，同时能够提供更强的电流输出能力，减小开关损耗。
一种IGBT栅极驱动电路，包括驱动控制信号模块和栅极驱动模块；
所述驱动控制信号模块与栅极驱动模块相连，用于向栅极驱动模块提供驱动信号，所述驱动信号包括导通控制信号和关断控制信号；
所述栅极驱动模块与IGBT的栅极连接，用于对所述驱动信号进行处理，输出驱动电压和驱动电流以驱动IGBT通断。
进一步地，所述栅极驱动模块包括电压控制模块、导通功率管M3和M4、关断功率管M5以及片外的门级电阻RG，所述电压控制模块根据驱动信号的变化来控制导通功率管M3的通断，其中M3的漏极与M4的漏极相连并接正电源电压VDD，M3的栅极接电压控制模块提供的栅极电压信号，M4的栅极接导通控制信号，M3的源极与M4的源极、M5的漏极以及RG的一端相连，M5的栅极接关断控制信号，M5的源极接负电源电压VEE，RG的另一端与IGBT的栅极连接。
进一步地，所述电压控制模块包括PMOS管M1、NMOS管M2、二极管D1和D2以及电阻R1，其中M1的源极接正电源电压VDD，M1的栅极接导通控制信号，M1的漏极与M2的漏极、R1的一端、D2的阴极以及M3的栅极相连，R1的另一端与D1的阳极相连，D1的阴极与D2的阳极以及M3的源极相连，M2的栅极接关断控制信号，M2的源极接负电源电压VEE。
进一步地，所述导通功率管M3和关断功率管M5采用NMOS管，导通功率管M4采用PMOS管。
进一步地，所述导通控制信号的高电平为正电源电压VDD，低电平为比VDD低5V的方波；所述关断控制信号的高电平为比负电源电压VEE高5V的方波，低电平为VEE。
进一步地，所述正电源电压VDD和负电源电压VEE由外部电源提供。
进一步地，所述导通控制信号与关断控制信号的高低电平时间同步。
进一步地，所述正电源电压VDD为15V，负电源电压VEE为0V。
进一步地，当所述驱动信号为高电平时，IGBT的栅极信号为低电平；驱动信号为低电平时，IGBT的栅极信号为高电平。
进一步地，所述二极管D1和D2可分别采用二极管接法的NMOS管M6和PMOS管M7替代。
本发明中导通控制信号和关断控制信号分别为驱动M1、M4和M2、M5的信号，此二者信号保护了M1、M4和M2、M5四个MOS管的栅极和源极之间最大电压差为5V，保证其在正常电压下工作。同时，M1和M2产生M3管的驱动信号，该信号的高电平值为15V，低电平值为0V，该信号保证了驱动管M3的正常工作，并且使得其栅源电压在IGBT完全导通及关断后一致，保护该驱动管工作在正常的环境下。本发明电路中导通管同时使用了PMOS和NMOS，当输出信号与电源信号的电压差小于NMOS的栅源阈值电压时，M3管关断，此时M4管依然打开，最终将输出信号拉至电源电压，实现轨到轨输出。同时，本发明为了防止IGBT开通和关断过程中，在驱动管M3栅级的电压已经变化但其源极(即IGBT的栅极)电压无法快速响应，导致M3在开关过程中出现的耐压问题，设计了M6和M7组成的电压箝位功能模块，通过二极管接法的NMOS管M6和PMOS管M7，实现了开通和关断时，M3的栅极始终被箝位于其源极电压附近，防止可能出现的耐压问题。同时，为了快速开通，在IGBT导通时，M3管的栅源电压可以通过调节电阻R1来增大，保证在开通过程中，M3有足够的栅极电压来提供足够的电流驱动能力。
本发明设计了一种IGBT驱动电路，在拥有良好的电流输出能力的同时，保持轨对轨输出，并解决了传统NMOS作为上管驱动时的栅源耐压问题。本发明改善了现有单管IGBT驱动的导通电流能力弱的问题，同时对于NMOS作为导通驱动管的推挽式驱动，提出了一种实现轨对轨输出并使得驱动管工作在安全的环境下的方案，改善了现有该方案无法实现轨对轨驱动，并且解决了该方案在驱动IGBT的过程中遇到的耐压问题。
本发明IGBT栅极驱动电路采用PMOS和NMOS作为导通驱动管的驱动电路，增大了电流驱动能力，减小了IGBT的开关损耗。同时，本发明避免了驱动电压在IGBT栅极驱动电路中产生压降，确保了IGBT驱动电压和设计电压值相同。
与现有技术相比，本发明提供了一种能够工作在安全电压下的，使用PMOS和NMOS双驱动管驱动IGBT栅极的驱动电路，其特点是同时兼有NMOS电流输出能力强的优点以及PMOS能够实现轨对轨输出的优点，并且解决了NMOS作为导通驱动管的耐压安全问题，解决了现有电路的不足。
附图说明
图1(a)为传统的单管IGBT驱动电路结构示意图。
图1(b)为推挽式IGBT驱动电路的结构示意图。
图2为本发明电路中IGBT栅极信号、导通控制信号以及关断控制信号的高低电平示意图。
图3为本发明IGBT栅极驱动电路的结构示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)全称叫作绝缘栅双极型晶体管，本发明实施例中提供了一种IGBT栅极驱动电路，包括驱动控制信号模块和栅极驱动模块。
驱动控制信号模块与栅极驱动模块相连，用于向栅极驱动模块提供驱动信号；栅极驱动模块与IGBT连接，用于根据驱动信号进行处理，输出驱动电压和驱动电流以驱动IGBT导通或关断。
如图2所示，驱动控制信号的导通控制信号为高电平为第一正电源电压VDD、低电平为比VDD低5V的方波；驱动控制信号的关断控制信号高电平为比VEE高5V、低电平为VEE的方波，且高电平时间对应导通控制信号的高电平。驱动控制信号模块输出的导通信号和关断信号高低电平差值为5V，保证接受其信号控制的PMOS管和NMOS管工作在其能够正常工作的耐压下。
栅极驱动模块包括第一电压控制模块、第一导通功率管M3、第二导通功率管M4、第一关断功率管M5、第一正电源VDD、第一负电源VEE以及第一门级电阻RG。
如图3所示，驱动控制信号模块的导通控制信号输出分别与第一电压控制模块和第二导通功率管M4相连，为第一电压控制模块和第二导通功率管提供导通控制信号以控制第一电压控制模块输出导通信号导通第一导通功率管M3，并使得第一导通功率管M3和第二导通功率管M4导通，以控制IGBT导通。
驱动控制信号模块的关断控制信号输出分别与第一关断功率管M5和第一电压控制模块相连，为第一电压控制模块和第一关断功率管提供关断控制信号，以控制第一电压控制模块输出关断信号安全地关断第一导通功率管M3，并使得第一关断功率管M5导通，以控制IGBT关断。
第一导通功率管M3的栅极与第一电压控制模块相连，第一电压控制模块提供合适的栅极电压以安全地导通和关断第一导通功率管M3；第一导通功率管M3的漏极与第一正电源VDD相连；第一功率管M3的源极与第一门级电阻RG相连，用于控制IGBT导通。
第二导通功率管M4的栅极与驱动控制信号的导通控制信号输出相连；第二导通功率管M4的源极与第一正电源VDD相连；第二导通功率管M4的漏极与第一门级电阻相连，用于控制IGBT导通；并且不产生压降，使导通驱动电压与设计电压相等。
第一关断功率管M5的栅极与驱动控制信号模块的关断控制信号输出相连；第一关断功率管M5的源极与第一负电源VEE相连；第一关断功率管M5的漏极与第一门级电阻相连，用于控制IGBT关断。
第一电压控制模块包括第一PMOS管M1、第一二极管D1、第一NMOS管M2、第二二极管D2和第二电阻R1。
第一PMOS管M1的栅极与驱动控制信号的导通控制信号输出相连；第一PMOS管M1的源极与第一正电源VDD相连；第一PMOS管M1的漏极与第一导通功率管M3的栅极相连。
第一NMOS管M2的栅极与驱动控制信号的关断控制信号输出相连；第一NMOS管M2的源极与第一负电源VEE相连；第一NMOS管M2的漏极与第一导通功率管M3的栅极相连。
第一二极管D1的正极与第二电阻R1相连，第二电阻R1的另一端与第一导通功率管M3的栅极相连；第一二极管D1的负极与第一门级电阻RG相连。
第二二极管D2的负极与第一导通功率管M3的栅极相连；第二二极管D2的正极与第一门级电阻RG相连。
在IGBT导通阶段，驱动控制信号模块输出导通控制信号至M1和M4；M1导通，将M3的栅极电位抬升至VDD；在导通过程中，M3的源极电位，即栅极驱动模块的输出电位由低升高，在抬升至M3的栅源电压小于M3的导通阈值电压前，M3始终开启；为避免刚导通时M3的栅极电位已接近第一正电源VDD，而M3的源极电位仍需一段时间才能导通而造成的M3栅源电压过大，在M3的栅源之间接入二极管D1，以保护M3的栅极不会变化过快，超出M3栅源能够承受的最高电压；同时为保证M3在导通过程中有足够的栅源电压，加入了第二电阻R1，该电阻两端的压降和二极管D1的导通压降一起组成了M3的栅源电压值；M3作为NMOS其电流驱动能力强于PMOS，因此可以帮助快速导通IGBT；而当M3源极电位不断上升，M3的栅源电压达到M3栅源阈值电压时，M3无法对其源极电位抬升提供进一步帮助；而第二导通功率管M4在IGBT导通过程中一直处于开通状态，最终将栅极驱动模块的输出电压抬升至第一正电源电压VDD，使得栅极驱动模块实现轨到轨输出。
在IGBT关断阶段，驱动控制信号模块输出关断控制信号至M2和M5；M2导通，将M3的栅极电位下拉至第一负电源电压VEE；在关断过程中，M3的源极电位，即栅极驱动模块的输出电位由高降低，为避免刚关断时M3的栅极电位已接近第一负电源VEE，而M3的源极电位仍需一段时间才能关断而造成的M3栅源反向电压过大，在M3的栅源之间接入二极管D2，以保护M3的栅极不会变化过快，超出M3栅源能够承受的最高反向电压；此时功率管M3和M4关断，M5导通，将栅极驱动模块的输出电压拉低至第一负电源电压VEE。
当然，二极管D1和D2也可以替换为二极管接法的NMOS管M6和二极管接法的PMOS管M7。此时，第一电压控制模块包括第一PMOS管M1、第二PMOS管M7、第一NMOS管M2、第二NMOS管M6和第二电阻R1。
第一PMOS管M1的栅极与驱动控制信号的导通控制信号输出相连；第一PMOS管M1的源极与第一正电源VDD相连；第一PMOS管M1的漏极与第一导通功率管M3的栅极相连。
第二PMOS管M7的栅极与第二PMOS管M7的源极相连，并与第一导通功率管M3的栅极相连；第二PMOS管M7的漏极与第一门级电阻RG相连。
第一NMOS管M2的栅极与驱动控制信号的关断控制信号输出相连；第一NMOS管M2的源极与第一负电源VEE相连；第一NMOS管M2的漏极与第一导通功率管M3的栅极相连。
第二NMOS管M6的栅极与第二NMOS管M6的源极相连，并与第二电阻R1相连，第二电阻R1的另一端与第一导通功率管M3的栅极相连；第二NMOS管M6的漏极与第一门级电阻RG相连。
本发明IGBT栅极驱动电路同时使用了NMOS和PMOS作为导通驱动管，设计了一种可以将NMOS偏置在合适栅源电压下，使其作为导通驱动管能够正常工作的电路和偏置信号，同时针对NMOS管在导通时可能出现的耐压问题，本发明还提供了电压箝位保护电路。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种IGBT栅极驱动电路，其特征在于，包括驱动控制信号模块和栅极驱动模块；
所述驱动控制信号模块与栅极驱动模块相连，用于向栅极驱动模块提供驱动信号，所述驱动信号包括导通控制信号和关断控制信号；
所述栅极驱动模块与IGBT的栅极连接，用于对所述驱动信号进行处理，输出驱动电压和驱动电流以驱动IGBT通断。
2.根据权利要求1所述的IGBT栅极驱动电路，其特征在于：所述栅极驱动模块包括电压控制模块、导通功率管M3和M4、关断功率管M5以及片外的门级电阻RG，所述电压控制模块根据驱动信号的变化来控制导通功率管M3的通断，其中M3的漏极与M4的漏极相连并接正电源电压VDD，M3的栅极接电压控制模块提供的栅极电压信号，M4的栅极接导通控制信号，M3的源极与M4的源极、M5的漏极以及RG的一端相连，M5的栅极接关断控制信号，M5的源极接负电源电压VEE，RG的另一端与IGBT的栅极连接。
3.根据权利要求2所述的IGBT栅极驱动电路，其特征在于：所述电压控制模块包括PMOS管M1、NMOS管M2、二极管D1和D2以及电阻R1，其中M1的源极接正电源电压VDD，M1的栅极接导通控制信号，M1的漏极与M2的漏极、R1的一端、D2的阴极以及M3的栅极相连，R1的另一端与D1的阳极相连，D1的阴极与D2的阳极以及M3的源极相连，M2的栅极接关断控制信号，M2的源极接负电源电压VEE。
4.根据权利要求2所述的IGBT栅极驱动电路，其特征在于：所述导通功率管M3和关断功率管M5采用NMOS管，导通功率管M4采用PMOS管。
5.根据权利要求2所述的IGBT栅极驱动电路，其特征在于：所述导通控制信号的高电平为正电源电压VDD，低电平为比VDD低5V的方波；所述关断控制信号的高电平为比负电源电压VEE高5V的方波，低电平为VEE。
6.根据权利要求2所述的IGBT栅极驱动电路，其特征在于：所述正电源电压VDD和负电源电压VEE由外部电源提供。
7.根据权利要求1所述的IGBT栅极驱动电路，其特征在于：所述导通控制信号与关断控制信号的高低电平时间同步。
8.根据权利要求2所述的IGBT栅极驱动电路，其特征在于：所述正电源电压VDD为15V，负电源电压VEE为0V。
9.根据权利要求1所述的IGBT栅极驱动电路，其特征在于：当所述驱动信号为高电平时，IGBT的栅极信号为低电平；驱动信号为低电平时，IGBT的栅极信号为高电平。
10.根据权利要求3所述的IGBT栅极驱动电路，其特征在于：所述二极管D1和D2可分别采用二极管接法的NMOS管M6和PMOS管M7替代。
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