专利名称：绝缘栅双极晶体管门极驱动推挽电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种绝缘栅双极晶体管门极驱动推挽电路，尤其涉及配合有效门极钳位的负电压关断的绝缘栅双极晶体管门极驱动推挽电路。
背景技术：
所谓绝缘栅双极晶体管(InsolatedGate Bipolar Transistor, IGBT)门极钳位是指通过电路设计将绝缘栅双极晶体管(IGBT)的门极电压钳位，即:当有外部作用，如短路导致IGBT门极电压被动抬升时，通过电路设计维持门极电压稳定。这是保证IGBT可靠工作的必备功能。IGBT短路时，Ic剧烈增大，由于米勒电容的存在(见图9)，在这个过程中，IGBT门极电位有抬升的趋势，这种作用来自于集电极，而非驱动电路。短路电流的大小受门极电压影响很大，所以必须进行有效的门极钳位。门极钳位的方式一般有以下几种:
方式一如
图10所示。该方式当TVS的温度较低时，TVS击穿点下降，可能会导致正常工作时TVS导通，而且TVS的离散性导致很难进行准确设计。方式二如图11所示。该方式的推挽电路采用三极管，导致电源需要做到+16、17V，再加上肖特基钳位二极管的压降，门极可能到17.5V才能被钳位，钳位效果差。方式三如图12所示。该方式的推挽电路由于采用MOS管，使得电源做到15VS阿，配合门极钳位肖特基二极管，钳位效果较好。随着IGBT功率的增大、IGBT驱动电阻和模块内阻的减小，IGBT驱动所需的最大峰值电流不断上升。然而，驱动芯片的驱动能力有限，很多场合驱动芯片直接使用驱动芯片驱动IGBT的能力不足。为解决这一问题，一般采用驱动芯片后级接推挽放大电路的方法来提高驱动芯片的驱动能力，以实现大功率IGBT的驱动。以下四种拓扑是常见的驱动芯片后级推挽放大电路拓扑。第一种是文献广泛提及的，其他三种是在此基础上衍生出来的，也广泛为变频器、伺服驱动器厂家所使用。1、三极管推挽放大拓扑(一)(见图1)
论文《一种用于大功率IGBT的驱动电路》(《电气传动自动化》2010年第I期)中的图
5、《一种新型IGBT模块的驱动电路》(《仲恺农业工程学院学报》2012年第3期)中的图3、《一种IGBT的实用驱动电路》(《电气传动》1999年第6期)中的图1和专利《一种IGBT驱动与保护电路》(申请号:200910225997.X)中的图3、《抑制IGBT过电流的驱动电路》(申请号:201120390253.6)中的图4、《一种IGBT驱动推挽电路》(申请号:201210214858.9)中的图广5都采用类似三极管推挽放大拓扑(一)的形式。该拓扑的优点:(I)正逻辑。(2)简单易用。该拓扑的缺点:(I)门极钳位效果差，抑制IGBT短路电流能力差。三极管在峰值驱动电流较大时，CE压降变得较高，且饱和导通时也存在一定的饱和压降。因此，为保证被驱动IGBT的Vge为+15V，电源电压必须做到+16、17V。然而，电源较高导致的间接后果为驱动电路的门极钳位效果差，被驱动IGBT短路电流大大增加，IGBT损坏的风险增加。(2)推挽结构内部存在直通可能。可能存在推挽上下管之间直通的现象，导致开关电源瞬间饱和，影响整个系统供电，大大降低系统可靠性。(3)损耗较大。三极管饱和导通时有0.7V的饱和压降，在做驱动推挽级时，损耗较大，尤其在开关频率较高的场合，发热明显。2、三极管推挽放大拓扑(二)(见图2)
该拓扑的优点:简单易用。该拓扑的缺点:(I)门极钳位效果差，抑制IGBT短路电流能力差。三极管在峰值驱动电流较大时，CE压降变得较高，且饱和导通时也存在一定的饱和压降。因此，为保证被驱动IGBT的Vge为+15V，电源电压必须做到+16、17V。然而，电源较高导致的间接后果为驱动电路的门极钳位效果差，被驱动IGBT短路电流大大增加，IGBT损坏的风险增加。(2)推挽结构内部存在直通。存在推挽上下管之间的直通，导致开关电源瞬间饱和，影响整个系统供电，大大降低系统可靠性。所谓直通，是指半桥拓扑中上管和下管同时导通造成一类短路的现象。这种现象危害性非常大，容易造成系统不可恢复性损坏。(3)损耗较大。三极管饱和导通时有0.7V的饱和压降，在做驱动推挽级时，损耗较大，尤其在开关频率较高的场合，发热明显。(4)反逻辑。3、MOS管挽放大拓扑(一)(见图3)
该拓扑的优点:(I)门极钳位效果好，能够有效抑制IGBT短路电流。由于采用MOS管推挽拓扑，电源电压可以做到+15V，配合肖特基钳位二极管进行门极钳位，效果较好，能够有效抑制被驱动IGBT短路电流的增加，避免IGBT损坏。(2)损耗较低。MOS管做驱动推挽拓扑损耗较低，特别是在开关频率较高的场合，优势明显。(3)简单易用。(4)正逻辑。该拓扑的缺点:(I)MOS管GS电压过高。MOS管GS要承受±23V电压，超过±20V，一般MOS管无法实现，必须购买特殊MOS管。(2)推挽MOS管的GS电压会受IGBT门极电压的影响。当门极电压抬升，随着IGBT的G点电压升高，上MOS管GS电压逐渐降低，MOS管的导通压降增加，导致IGBT门极电压为IlV左右，远低于15V，IGBT不能完全开通。⑶推挽结构内部存在直通可能。存在推挽上下管直通的可能，导致开关电源瞬间饱和，影响整个系统供电，大大降低系统可靠性。4、MOS管推挽放大拓扑(二)(见图4)
该拓扑的优点:(I)门极钳位效果好，能够有效抑制IGBT短路电流。由于采用MOS管推挽拓扑，电源电压可以做到+15V，配合肖特基钳位二极管进行门极钳位，效果较好，能够有效抑制被驱动IGBT短路电流的增加，避免IGBT损坏。(2)损耗较低。MOS管做驱动推挽拓扑损耗较低，特别是在开关频率较高的场合，优势明显。(3)简单易用。(4)推挽MOS管的GS电压不受IGBT门极电压的影响。避免门极电平抬升带来的MOS管导通压降增加现象，被驱动IGBT的门极电压可以达到正常15V，IGBT完全开通。该拓扑的缺点:(I)MOS管GS电压过高。MOS管GS要承受±23V电压，超过±20V，一般MOS管无法实现，必须购买特殊MOS管。(2)推挽结构内部存在直通。存在推挽上下管直通，导致开关电源瞬间饱和，影响整个系统供电，大大降低了系统的可靠性。(3)反逻辑。现有IGBT驱动推挽电路存在的技术缺陷，归纳如下:
三极管推挽拓扑普遍存在以下技术问题:(1)门极钳位效果差，IGBT短路电流抑制能力差；(2)损耗较大；(3)推挽结构内部可能存在直通，系统整体可靠性差。MOS管推挽拓扑普遍存在以下技术问题:(I) MOS管GS电压高于±20V，推挽电路可靠性差；(2)推挽结构内部可能存在直通，系统整体可靠性差；(3) MOS管的GS电压可能受到被驱动IGBT门极电压的影响，造成MOS管导通压降过大。总体来说，采用三极管推挽拓扑没法实现有效的门极钳位，造成被驱动IGBT在短路发生时容易损坏，而采用MOS管推挽拓扑MOS管本身容易损坏，造成系统整体可靠性差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术存在的缺陷，提出了一种绝缘栅双极晶体管门极驱动推挽电路，既可以配合有效的门极钳位，保证被驱动IGBT的可靠性，又可以保证推挽结构内部MOS管GS电压工作在安全区，同时还能避免推挽结构内部的直通现象,保证系统整体的可靠性。本发明实现发明目的所采用的技术方案是:绝缘栅双极晶体管门极驱动推挽电路，包括驱动芯片和IGBT门极驱动电路，驱动芯片副边正负电源供电，正负电平输出；其特征是:还包括前级推挽电路、电平转换电路以及后级推挽电路；所述前级推挽电路、电平转换电路以及后级推挽电路共用驱动芯片副边的正负电源，驱动芯片的输出连接前级推挽电路的输入，前级推挽电路的输出与电平转换电路相连，电平转换电路的输出与后级推挽电路相连，后级推挽电路的输出与IGBT门极驱动电阻相连。所述前级推挽电路由电阻R1，PNP三极管Q1和NPN三极管Q2构成；电阻R1 —端与驱动芯片输出端相连，另一端与PNP三极管Q1和NPN三极管Q2的基极相连；PNP三极管Q1的发射极和正电源相连，NPN三极管Q2的发射极与负电源相连，PNP三极管Q1的集电极作为输出送给后级电路，NPN三极管Q2的集电极作为另一输出送给后级电路。电平转换电路由电阻R2、电阻R3、电阻R4依次串联构成；电阻R2与正电源相连，电阻R4与负电源相连；电阻R2与电阻R3的连接点(节点)O1与前级推挽电路的PNP三极管Q1集电极相连，同时作为电平转换电路的输出送给后级电路；电阻R3与电阻R4的连接点(节点)O2与前级推挽电路的NPN三极管Q2的集电极相连，同时作为电平转换电路的输出送给后级电路。后级推挽电路包括电阻R5、R6、PM0S (P型MOS管，Q3)和NMOS (N型MOS管，Q4);电阻R5 —端与电平转换电路的节点O1相连，电阻R5的另一端与PMOS的栅极相连，电阻R6 —端与电平转换电路的节点O2相连，电阻R6的另一端与NMOS的栅极相连。PMOS的源极与驱动芯片副边正电源相连，漏极作为输出O3与IGBT门极驱动电路的开通电阻R7相连；NM0S的源极与驱动芯片副边负电源相连，漏极作为输出O4与IGBT门极驱动电路的关断电阻R8相连。前级推挽电路和电平转换电路结合在一起，为后级推挽电路的MOS管提供了互锁的驱动信号，且加入了硬件死区，避免MOS管推挽结构内部的直通，且MOS管的GS电压控制在±20V之内，保证了 MOS管的可靠工作。本发明的基本原理是:通用的驱动芯片输出正负电平的PWM信号，经过前级推挽电路和电平转换电路，变换成符合后级推挽电路的MOS管所需求的门极驱动电平，且经过变换的MOS管门极驱动电平信号具备互锁的特性，并加入了硬件死区时间。后级推挽电路连接被驱动IGBT，为IGBT门极驱动的直接推挽级，当Q3打开时，通过驱动电阻R7给IGBT门极充电，IGBT开通，当Q4打开时，通过驱动电阻R8给IGBT门极提供放电回路，IGBT关断。后级推挽结构采用MOS管结构，加上门极钳位的肖特基二极管D1，两者共同组成了有效的门极钳位，有效限制了 IGBT的短路电流，在短路发生时能够可靠保护IGBT。且IGBT关断时，门极电平被稳定在负电压，能够有效防止米勒效应造成的门极误导通。本发明的工作过程波形见图7，图中，
权利要求
1.一种绝缘栅双极晶体管门极驱动推挽电路，包括驱动芯片和IGBT门极驱动电路，驱动芯片副边正负电源供电，正负电平输出；其特征是:还包括前级推挽电路、电平转换电路以及后级推挽电路；所述前级推挽电路、电平转换电路以及后级推挽电路共用驱动芯片副边的正负电源，驱动芯片的输出连接前级推挽电路的输入，前级推挽电路的输出与电平转换电路相连，电平转换电路的输出与后级推挽电路相连，后级推挽电路的输出与IGBT门极驱动电阻相连。
2.根据权利要求1所述绝缘栅双极晶体管门极驱动推挽电路，其特征是:所述前级推挽电路由电阻(R1 )，PNP三极管(Q1)和NPN三极管(Q2)构成；电阻(R1) —端与驱动芯片输出端相连，另一端与PNP三极管(Q1)和NPN三极管(Q2)的基极相连；PNP三极管(Q1)的发射极和正电源相连，NPN三极管(Q2)的发射极与负电源相连，PNP三极管(Q1)的集电极作为输出送给后级电路，NPN三极管(Q2)的集电极作为另一输出送给后级电路。
3.根据权利要求2所述绝缘栅双极晶体管门极驱动推挽电路，其特征是:所述电平转换电路由电阻(R2)、电阻(R3)、电阻(R4)依次串联构成；电阻(R2)与正电源相连，电阻(&)与负电源相连；电阻(R2)与电阻(R3)的连接点(O1)与前级推挽电路的PNP三极管(Q1)集电极相连，同时作为电平转换电路的输出送给后级电路；电阻(R3)与电阻(R4)的连接点(O2)与前级推挽电路的NPN三极管(Q2)的集电极相连，同时作为电平转换电路的输出送给后级电路。
4.根据权利要求3所述绝缘栅双极晶体管门极驱动推挽电路，其特征是:所述后级推挽电路包括电阻(R5、R6)、PMOS (Q3)和NMOS (Q4);电阻R5 —端与电平转换电路的节点(O1)相连，电阻(R5)的另一端与PMOS的栅极相连，电阻(R6)—端与电平转换电路的节点(02)相连，电阻(R6)的另一端与NMOS的栅极相连；PM0S的源极与驱动芯片副边正电源相连，漏极作为输出(O3)与IGBT门极驱动电路的开通电阻(R7)相连；NM0S的源极与驱动芯片副边负电源相连，漏极作为输出(O4)与IGBT门极驱动电路的关断电阻(R8)相连。
全文摘要
本发明公开了一种绝缘栅双极晶体管门极驱动推挽电路，其驱动芯片副边正负电源供电，正负电平输出。前级推挽电路、电平转换电路以及后级推挽电路共用驱动芯片副边的正负电源。驱动芯片的输出连接前级推挽电路的输入，前级推挽电路的输出与电平转换电路相连，电平转换电路的输出与后级推挽电路相连，后级推挽电路的输出与IGBT门极驱动电阻相连。本发明，前级推挽电路和电平转换电路结合在一起，为后级推挽电路的MOS管提供了互锁的驱动信号，且加入了硬件死区，避免MOS管推挽结构内部的直通，且MOS管的GS电压控制在±20V之内，保证了MOS管的可靠工作。后级推挽电路采用MOS管，能够配合有效的IGBT门极钳位，限制IGBT短路电流，提高IGBT工作可靠性。
文档编号H02M1/088GK103178694SQ20131006549
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月1日 优先权日2013年3月1日
发明者姚瑱, 戴安刚, 郑静文, 吴波 申请人:南京埃斯顿自动控制技术有限公司, 南京埃斯顿自动化股份有限公司