专利名称：一种功率器件驱动限压电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种功率器件驱动限压电路，特别是一种可以在多种工作状态下，都能对功率器件驱动电压的正向幅度进行自动限制的电路，有效限制负载短路时通过功率器件的电流，为保护功率器件赢取更多的时间。
背景技术：
目前，由于IGBT(绝缘栅双极晶体管)和功率MOSFET (场效应管)具有驱动功率低，且能以高的开关频率处理大电流和高电压的特点，因而在大功率变频器、开关电源、不间断电源等变流设备中，被广泛用作功率开关器件。而驱动电路是控制电路和功率开关器件之间联系的纽带，其性能直接影响到IGBT等功率器件的工作状况(如损耗、故障保护的灵敏度等)，是变流设备中必不可少的重要电路。
IGBT有三个电极，分别为栅极G、集电极C和发射极E。MOSFET也是三电极结构，分别为栅极G、漏极D和源极S，它和IGBT具有类似的控制特性，和IGBT三电极对应关系为栅极G对应栅极G、漏极D对应集电极C，源极S对应发射极E。(以下的说明仅以IGBT为例，在做电极对应转换后，同样适用于M0SFET。)
如果在栅极G、发射极E之间施加正向驱动电压(如+15V (伏))，集电极C和发射极E之间导通，可以流过较大的电流(如100安培，随IGBT规格不同而变化)；反之，在栅极G、发射极E之间加负向驱动电压(如-15V),集电极C和发射极E之间截止，只有微量的漏电流通过(如小于数毫安)。在稳态驱动(即IGBT在正向驱动电压作用下处于导通状态，或在负向驱动电压作用下处于截止状态)时，IGBT的栅极G、发射极E之间并不消耗电流，所以驱动功率要求很低，但是IGBT的极间分布电容的存在，使得要让IGBT在导通和截止之间快速地进行转换，同样需要提供较大的瞬间充电和放电电流，所以驱动电路一般都包括电平转换电路及多级缓冲电路，用于提升电流输出能力，常用的驱动电路形式如图I所示。图I电路中的美国AVAGO公司的HCPL-316J驱动芯片，芯片内部3个NPN三极管T1、T2、T3 (―指向位置)级联用于正向缓冲，在输出正向电压时提供大电流输出能力#沟道场效应管T4(—指向位置)在输出负向电压时提供大电流吸收能力，输出正向电压时是截止的。图2是其实际应用中的简化电路图，只包括与IGBT的接口、与供电电源的连接等。在IGBT极间分布电容中，对驱动电路有直接影响的，一个是栅极G和发射极E之间的输入电容Cies,另一个是栅极G和集电极C之间的反向传输电容Cres (reversetransfer capacitance,也称为米勒(miller)电容)。在IGBT由截止转换为导通过程中，驱动电路需要对上述2个电容进行充电，注入的总电荷QG称为gate charge,—部分使输入电容Cies上的电压由负到正(如-15V到+15V)变化，另一部分则流入米勒电容Cres。同样地，根据对偶原理，在IGBT由导通转换为截止过程中，驱动电路需要对上述2个电容进行放电，抽走的总电荷也是QG，一部分使输入电容Cies上的电压由正到负(如+15V到-15V)变化，另一部分则流出米勒电容Cres。下面举个具体IGBT器件的例子，如德国英飞凌科技公司的IGBT模块FF300R17KE3，根据该公司网站 www. infineon. com 公开的规格书 DS_FF300R17KE3_2_1. pdf(2006年4月27日发布，版本2. I)可见，第I页说明在栅极驱动电压VGE从-15V变化到+15V条件下，QG为3.50 ii C (微库伦)，输入电容Cies为27. OnF (纳法拉)，流入电荷为0. 81 u C (= Cies*』V=27* (15+15) /1000),剩余 2. 69 y C (=3. 50-0. 81)的电荷流入米勒电容Cres。在图2中，如果IGBT正处于有正向驱动(驱动电压+15V)且已经饱和导通期间，负载RL意外短路，将导致IGBT的C、E之间电压VCE上升到电源电压VDC+，该变化的电压通过米勒电容Cres向栅极倒灌电流ICG，倒灌总电荷为2. 69 y C (上述举例中的IGBT器件)。图I的HCPL-316J驱动芯片，在输出正向驱动电压时，没有倒灌入栅极电荷的快速泄放路径，该电荷将导致栅极驱动电压上升明显(如升至20V)，使短路电流大幅度增大，IGBT短路 承受时间缩短，甚至在保护电路动作前瞬间爆裂损坏，这也是业内技术人员经常遇到的、却又非常困扰的难题“按照IGBT的规格书推荐的使用条件，驱动电压为+15V，短路保护与关断的总时间在10 u S (微秒)之内，为什么在短路试验中仍然有IGBT随机性的损坏。”
因为在输出正向驱动电压时，只有靠栅极G、发射极E之间的并接电阻Rl (通常在2000欧以上)微弱泄放,在IGBT允许短路时间IOiiS (微秒)之内，泄放的总电荷小于0. IiiC(=20V/2000*10ii S)，远远小于倒灌电荷2. 69 C，倒灌入栅极电荷将导致栅极驱动电压上升明显(如升至20V)，使功率器件短路电流大幅度增大，超出其承受能力而瞬间损坏。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种功率器件驱动限压电路，在输出正电压驱动信号时，既可以输出电流，还可以为通过功率器件的米勒(miller)电容向栅极倒灌的电流提供快速的泄放通路，限制了栅极电压的上升，也有效限制了负载短路时通过功率器件的电流，为保护功率器件赢取更多的时间。本发明的技术方案是构建一种功率器件驱动限压电路，包括
驱动功能电路UI、为驱动限压电路供电的正电源+VA、负电源-VA和电源地AG,所述电源地AG也作为驱动电压的参考地；
所述功率器件驱动限压电路还包括正向缓冲NPN三极管Q11、负向缓冲PNP三极管Q12、降压偏置二极管D11、负向加速二极管D12、偏置电阻R11、电阻R1，所述降压偏置二极管Dll的阳极、正向缓冲NPN三极管Qll的基极、负向加速二极管D12的阴极、驱动功能电路Ul的输出端并接在一起，降压偏置二极管Dll的阴极、负向加速二极管D12的阳极、负向缓冲PNP三极管Q12的基极、偏置电阻Rll的一端并接在一起，偏置电阻Rll的另一端、负向缓冲PNP三极管Q12的集电极连接到负电源-VA，正向缓冲NPN三极管Qll的集电极连接到正电源+VA，两个三极管的发射极并接作为驱动电压的输出，所述电阻Rl并联在所述驱动电压的输出端和电源地AG之间，电源地AG作为所述驱动功能电路Ul驱动电压的参考地。本发明的进一步技术方案是所述三极管Qll为功率管。本发明的进一步技术方案是所述三极管Q12为功率管。
本发明的进一步技术方案是所述降压偏置二极管Dll是由2个二极管顺向串联构成。本发明的进一步技术方案是所述三极管Qll采用一个二极管替换，所述二极管的阳极连接到驱动功能电路Ul的输出端，所述二极管的阴极连接到负向缓冲PNP功率管Q12的发射极。本发明提供的一种功率器件驱动限压电路，通过设置驱动功能电路U1，使功率器件可以在多种工作状态下，都能对功率器件驱动电压的正向幅度进行自动限制，有效限制了负载短路时通过功率器件的电流，为保护功率器件赢取了更多的时间。
图I是一种常用驱动电路的电路图。图2是一种应用HCPL-316J的IGBT驱动电路图。 图3是本发明的电路原理图。
具体实施例方式如图3所示，本实用新型的具体实施方式
是构建一种功率器件驱动限压电路，包括
驱动功能电路UI、为驱动限压电路供电的正电源+VA、负电源-VA和电源地AG,所述电源地AG也作为驱动电压的参考地；
所述功率器件驱动限压电路还包括正向缓冲NPN三极管Q11、负向缓冲PNP三极管Q12、降压偏置二极管D11、负向加速二极管D12、偏置电阻R11、电阻R1，所述降压偏置二极管Dll的阳极、正向缓冲NPN三极管Qll的基极、负向加速二极管D12的阴极、驱动功能电路Ul的输出端并接在一起，降压偏置二极管Dll的阴极、负向加速二极管D12的阳极、负向缓冲PNP三极管Q12的基极、偏置电阻Rll的一端并接在一起，偏置电阻Rll的另一端、负向缓冲PNP三极管Q12的集电极连接到负电源-VA，正向缓冲NPN三极管Qll的集电极连接到正电源+VA，两个三极管的发射极并接作为驱动电压的输出，所述电阻Rl并联在所述驱动电压的输出端和电源地AG之间，电源地AG作为所述驱动功能电路Ul驱动电压的参考地。具体实施例中，所述三极管Qll为功率管，所述三极管Q12为功率管。本发明的优选实施方式是所述三极管Qll采用一个二极管替换，所述二极管的阳极连接到驱动功能电路Ul的输出端，所述二极管的阴极连接到负向缓冲PNP功率管Q12的发射极。如图3所示，下面结合实施例来说明本发明的工作原理
I)在正向驱动时，IGBT的正向驱动电压VG是+15V，正向缓冲NPN功率管Qll的基极电压Vbl高于VG —个基极b、发射极e的正向be压降约0. 7V，Vbl数值为15. 7V。2)在正向驱动时，负向缓冲PNP功率管Q12的基极电压Vb2，比Vbl低一个降压偏置二极管Dll的正向压降约0. 7V，所以Vb2数值为15V。功率管Q12的发射极电压也是15V，发射极、基极处于零偏置状态，不导通。3)在正向驱动时，如果负载RL短路，将导致IGBT的C、E之间电压VCE上升到电源电压VDC+，该变化的电压通过米勒电容Cres向栅极倒灌电流ICG，倒灌总电荷为2. 69 u C(上述举例中的IGBT器件)。此时，该倒灌电流使得驱动电压VG小幅上升到15.7V，负向缓冲PNP功率管Q12的发射极、基极处于正偏置状态而导通，为倒灌电流提供泄放通道，将驱动电压VG限制在Vb2+0. 7V (=15. 7V，即负向缓冲PNP功率管Q12的基极电压Vb2、PNP管的发射极、基极正偏压降0. 7V之和)上。下面计算一下本发明电路为上述倒灌电流提供泄放通道的泄放能力。假设负电源-VA为-10V，偏置电阻Rll为3000欧，功率管Q12的电流放大倍数为100倍，则在泄放过程中，偏置电阻Rll两端电压为Vb2- (-VA)为25V，提供给功率管Q12基极的电流大于8毫安(最大25/3000安)，功率管Q12的发射极、集电极之间可以泄放800(8*100)毫安，在4微秒的时间内可以泄放3. C的电荷，大于倒灌总电荷2. 69y C，有效限制了驱动电压的异常上升，也有效限制了负载短路时通过IGBT的电流，为保护IGBT赢取了更多的时间。电路中负向加速二极管D12的用途是输出负向电压时，提供一个低阻快速通路。 本发明的另一种应用是，降压偏置二极管Dll是由2个二极管顺向连接构成。它可以进一步降低正向驱动时，负向缓冲PNP功率管Q12的基极电压Vb2，也降低了异常时的驱动电压VG，因为有栅极倒灌电流时驱动电压VG=Vb2+0. 7V。此时负向缓冲PNP功率管Q12处于正偏状态，为防止其导通，在2个顺向连接的二极管中，其中一个是肖特基二极管，使其压降总和小于2个三级管的正偏PN结压降的和。本发明的另一种应用是，正向缓冲NPN功率管Qll可以是一个二极管，阳极连接到驱动功能电路Ul的输出端，阴极连接到负向缓冲PNP功率管Q12的发射极。部分驱动功能电路的正向驱动能力足够使用，可以将正向缓冲NPN功率管更换为一个二极管，以简化电路和降低成本。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种功率器件驱动限压电路，包括 驱动功能电路UI、为驱动限压电路供电的正电源+VA、负电源-VA和电源地AG,所述电源地AG也作为驱动电压的参考地； 其特征在于，所述功率器件驱动限压电路还包括正向缓冲NPN三极管Ql I、负向缓冲PNP三极管Q12、降压偏置二极管D11、负向加速二极管D12、偏置电阻R11、电阻R1，所述降压偏置二极管D11的阳极、正向缓冲NPN三极管Ql I的基极、负向加速二极管D12的阴极、驱动功能电路Ul的输出端并接在一起，降压偏置二极管Dll的阴极、负向加速二极管D12的阳极、负向缓冲PNP三极管Q12的基极、偏置电阻Rll的一端并接在一起，偏置电阻Rll的另一端、负向缓冲PNP三极管Q12的集电极连接到负电源-VA，正向缓冲NPN三极管Qll的集电极连接到正电源+VA，两个三极管的发射极并接作为驱动电压的输出，所述电阻Rl并联在所述驱动电压的输出端和电源地AG之间，电源地AG作为所述驱动功能电路Ul驱动电压的参考地。
2.根据权利要求I所述的功率器件驱动限压电路，其特征在于，所述三极管Qll为功率管。
3.根据权利要求I所述的功率器件驱动限压电路，其特征在于，所述三极管Q12为功率管。
4.根据权利要求I所述的功率器件驱动限压电路，其特征还在于，所述降压偏置二极管Dll是由2个二极管顺向串联构成。
5.根据权利要求I所述的功率器件驱动限压电路，其特征还在于，所述三极管Qll采用一个二极管替换，所述二极管的阳极连接到驱动功能电路Ul的输出端，所述二极管的阴极连接到负向缓冲PNP功率管Q12的发射极。
全文摘要
本发明提供了一种功率器件驱动限压电路，在输出正电压驱动信号时，既可以输出电流，还可以吸收电流。在功率器件处于正向驱动而导通期间、负载意外短路时，功率器件两端电压会上升，该上升的电压通过功率器件内部的米勒(miller)电容向栅极倒灌电流，本电路为倒灌电流提供快速的泄放通路，限制了栅极电压的上升，也有效限制了负载短路时通过功率器件的电流，为保护功率器件赢取了更多的时间。
文档编号H02M1/32GK102801287SQ20111013687
公开日2012年11月28日 申请日期2011年5月25日 优先权日2011年5月25日
发明者范家闩 申请人:深圳市科陆变频器有限公司