一种绝缘栅双极型晶体管高级有源嵌位电路的制作方法

本发明涉及电路技术领域，具体涉及绝缘栅双极型晶体管（insulatedgatebipolartransistor，以下简称“igbt”）高级有源嵌位电路。

背景技术：

igbt作为重要的功率开关器件，已在国民经济的众多领域得到极为广泛的应用，如：电力输配、电机传动、新能源汽车、光伏及风电等新能源逆变装置领域。igbt关断时，其集电极电流变化率较高，由于主电路杂散电感的存在，使得igbt的集电极和发射极之间产生很高的浪涌尖峰电压，该浪涌尖峰电压很可能超出igbt的安全工作区，从而损坏igbt。有源嵌位的基本原理是当不希望的浪涌尖峰电压出现时，有源嵌位电路迅速投入工作，拉高igbt的栅极电压，使得igbt进入线性导通工作区，从而抑制igbt的集电极和发射极之间浪涌尖峰电压的目的。

为解决这一问题，通常采用有源嵌位电路技术，现有技术大致分为4类：其一是通常采用的基本有源嵌位电路方法，将浪涌尖峰电压通过瞬态抑制二极管和快恢复二极管直接连接到igbt的栅极；其二是除按其一的方法外还将浪涌尖峰电压引入驱动信号推挽放大级的基极；其三是通过cpld等大规模可编程逻辑电路实现有源嵌位的数字控制；其四是在其二方法的基础上通过旁路部分瞬态抑制二极管实现igbt开通和关断时不同的有源嵌位电压阈值。

现有方法一的技术优点是：结构简单，价格便宜。缺点是：由于关断时igbt的栅极处于低阻状态，瞬态抑制二极管的击穿电流被低阻状态的电路分流，使得igbt的栅极电压几乎不可能被拉高，无法达到理想的嵌位效果，所以本发明将该方法称为基本有源嵌位电路。

现有方法二是在方法一的基础上，将瞬态抑制二极管的击穿电流信号引入到igbt驱动信号推挽放大电路的基极，试图通过该推挽放大电路的放大作用来拉高igbt的栅极电压，实际使用测试效果也不理想。

现有方法三通过cpld等大规模可编程逻辑电路实现有源嵌位的数字控制，其优点是控制灵活多样，可通过编程实现较完美的有源嵌位功能，缺点是成本高，电路复杂。

现有方法四的技术优点是可以实现开通和关断时不同的有源嵌位电压阈值调整，详见专利cn102856893a，专利大意描述：“igbt开通时旁路部分瞬态抑制二极管，关断时延时一段时间后关闭旁路功能，这样igbt开通时有源嵌位电压阈值低于关断时的电压阈值，这种动态的有源嵌位电压点有利于在一定程度上克服母线电压的波动性”。但该专利技术没有实际应用价值，因为首先该专利技术是在现有方法二的基础上增加了有源嵌位电压阈值调整的功能，如方法二所述，方法二的有源嵌位技术达不到理想的有源嵌位效果；其次，在igbt动态开通过程中，其集电极和发射极之间的电压不会超过直流母线电压，并不受直流母线电压波动的影响，而且，此时igbt的栅极电压已经是约15v左右的高电平，有源嵌位电路即使因专利中提到的通过旁路部分瞬态抑制二极管降低有源嵌位电路的动作电压阈值使得有源嵌位电路发生作用，也不会将igbt的栅极电压拉到比15v电压更高，因此上述专利中igbt开通时通过旁路部分瞬态抑制二极管降低有源嵌位电路的电压阈值或动作电压点没有任何意义。

技术实现要素：

发明目的：提供一种简单、快速且价格低廉的高级有源嵌位电路拓扑结构，有效抑制由于igbt快速关断及主电路杂散电感的存在引起的过高浪涌尖峰电压，使得igbt在整个工作期间不会出现超出安全工作区的过电压现象，有效提高igbt的使用寿命，提高逆变装置的可靠性。

技术方案：一种绝缘栅双极型晶体管高级有源嵌位电路100，包括基本有源嵌位电路10、使igbt驱动放大电路处于高阻输出状态的开关电路20，用于电气隔离的光耦电路30，用于放大igbt驱动信号的放大电路40。参见图1。

所述基本有源嵌位电路10包括一组瞬态抑制二极管和两只快恢复二极管及一只限流电阻，用来当igbt的集电极和发射极之间出现浪涌尖峰电压时提供瞬态动作信号，且将igbt的栅极电压信号嵌位在驱动电源电压范围内。参见图2。

所述基本有源嵌位电路10包括第一瞬态抑制二极管tvs1、第二瞬态抑制二极管tvs2、第三瞬态抑制二极管tvs3、第一快恢复二极管d1、第二快恢复二极管d2和第一限流电阻r1，所述第三瞬态抑制二极管tvs3的阴极与igbt的集电极相连，所述第二瞬态抑制二极管tvs2的阴极与第三瞬态抑制二极管tvs3的阳极相连，所述第一瞬态抑制二极管tvs1的阴极与第二瞬态抑制二极管tvs2的阳极相连，所述第一快恢复二极管d1的阳极与第一瞬态抑制二极管tvs1的阳极相连，所述第一限流电阻r1的一端与第一快恢复二极管d1的阴极相连，所述第一限流电阻r1的另一端与igbt的栅极相连，所述第二快恢复二极管d2的阳极与igbt的栅极相连，所述第二快恢复二极管d2的阴极与igbt的驱动电源正电源+vcc相连。

所述一组瞬态抑制二极管除设定有源嵌位电压动作阈值的作用外，也是提供有源嵌位电路的反馈信号通道，第一快恢复二极管d1用来反向阻断igbt的栅极导通驱动信号，以避免igbt导通时该导通驱动信号经瞬态抑制二极管tvs1、tvs2、tvs3和导通的igbt形成短路回路，第二快恢复二极管d2起着将igbt的栅极电压嵌位在驱动电源的正电压+vcc上，避免igbt的栅极出现过电压击穿，第一限流电阻r1取限流和调整有源嵌位电路给igbt栅极提供导通信号的上升时间的作用。

所述使igbt驱动放大电路处于高阻输出状态的开关电路20包括第二限流电阻r2、第三偏置电阻r3、第一滤波电容c1、第三抗饱和二极管d3和npn三极管t1。参见图3。

所述第二限流电阻r2的一端与第一瞬态抑制二极管tvs1的阳极相连，所述第二限流电阻r2的另一端与npn三极管t1的基极相连，所述第三偏置电阻r3与第一滤波电容c1并联后连接到npn三极管t1的基极和发射极之间，所述第三抗饱和二极管d3的阳极与npn三极管t1的基极相连，所述第三抗饱和二极管d3的阴极与npn三极管t1的集电极相连，所述npn三极管t1的集电极与用于放大igbt驱动信号的放大电路40中关断igbt的n沟道mos管q4的栅极相连，所述npn三极管t1的发射极与igbt驱动电源的负电源-vcc相连。

所述使igbt驱动放大电路处于高阻输出状态的开关电路20的作用是：一旦有源嵌位电路的瞬态抑制二极管动作，该开关电路20会立即自动启动，使npn三极管工作在线性放大或饱和导通工作区，从而切断igbt的关断信号，使igbt的栅极和驱动电源的负电源-vcc之间处于高阻态。显而易见地，npn三极管也可以是其他的开关器件，如n沟道mos管等。

所述用于电气隔离的光耦电路30中的光耦用来传输并隔离igbt驱动信号，并进行初级放大。参见图4。

所述用于放大igbt驱动信号的放大电路40包括第四和第五限流电阻r4和r5、igbt导通信号放大电路p沟道mos管q2和igbt关断信号放大电路n沟道mos管q4。参见图4。

所述第四限流电阻r4的一端与电气隔离光耦电路30中光耦的voutp管脚相连，所述第四限流电阻r4的另一端与p沟道mos管q2的栅极相连，所述p沟道mos管q2的源极与驱动电源的正电源+vcc相连，所述p沟道mos管q2的漏极与igbt的导通电阻ron相连，所述第五限流电阻r5的一端与电气隔离光耦电路30中光耦的voutn管脚相连，所述第五限流电阻r5的另一端与n沟道mos管q4的栅极相连，所述n沟道mos管q4的源极与驱动电源的负电源-vcc相连，所述n沟道mos管q4的漏极与igbt的关断电阻roff相连。

所述用于放大igbt驱动信号的放大电路40的作用是放大隔离光耦输出的igbt驱动信号，因为光耦驱动能力有限，在驱动大功率igbt时需要对光耦输出的驱动信号进行放大。

以上绝缘栅双极型晶体管高级有源嵌位电路的原理简述如下：

有源嵌位电路的动作阈值由第一、第二和第三瞬态抑制二极管tvs1、tvs2、tvs3的击穿电压决定，动作阈值等于这些瞬态抑制二极管的击穿电压之和。当igbt关断时，正常情况下，关断igbt的n沟道mos管q4处于饱和导通状态，使得igbt的栅极与驱动电源的负电源-vcc之间处于低阻抗通道状态，阻抗大小等于roff的大小，通常等于几个欧姆，此时本发明专利的高级有源嵌位电路不投入工作；但是，当igbt异常快速关断，尤其是大电流关断时，由于较大的di/dt的存在产生的浪涌尖峰电压大于有源嵌位电路的动作阈值时，高级有源嵌位电路将自动启动，此时，瞬态抑制二极管的击穿电流会启动使igbt驱动放大电路处于高阻输出状态的开关电路20，此击穿电流经过npn三极管t1的偏置电路后，使npn三极管t1处于线性放大或饱和导通状态，相应地关断igbt的n沟道mos管q4将工作在线性放大或完全截止状态，与igbt正常关断情况相比，igbt的栅极与驱动电源的负电源-vcc之间的阻抗将会变大甚至到高阻态，此时为瞬态抑制二极管的击穿电流经第一快恢复二极管d1和第一限流电阻r1给igbt的栅极快速充电创造了条件，正是由于使igbt驱动放大电路处于高阻输出状态的开关电路20的存在才使得瞬态抑制二极管的击穿电流不会被igbt正常关断情况下的低阻抗通道所分流，此时igbt的栅极电压将迅速升高使得igbt首先迅速进入线性放大区，试图拉低igbt集电极和发射极之间的浪涌尖峰电压，如果该浪涌尖峰电压没有被拉下来，那么由于瞬态抑制二极管反向击穿后击穿电流会随着电压的升高而迅速变大的特性，瞬态抑制二极管快速增大的击穿电流将会使igbt的栅极电压继续快速上升，进而使igbt往饱和导通区发展，这实际就是一个电压负反馈的过程，直到浪涌尖峰电压下降到低于瞬态抑制二极管的击穿电压，从而使高级有源嵌位电路自动退出工作状态，达到限制浪涌尖峰电压幅值，保护igbt的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本实施例描述中所需要使用的附图进行简单介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明专利的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的基础上，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例总体技术方案示意图；

图2是本发明实施例基本有源嵌位电路示意图；

图3是本发明实施例使igbt驱动放大电路处于高阻输出状态的开关电路示意图；

图4是本发明实施例光耦电气隔离及其输出信号的放大电路示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种igbt高级有源嵌位电路。

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。显然，所描述实施例仅仅是本发明的一个实施例，而不是全部，本发明专利需要保护的是高级有源嵌位电路的设计方法，即：有源嵌位电路动作时使igbt的栅极与驱动电源的负电源-vcc之间处于高阻态。对于本领域技术人员，在没有付出创造性劳动前提下，获得的所有其他实施例均属于本发明保护的范围。

以下通过实施例进行详细说明。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等（如果存在）是为了区别类似的对象，不用于描述特定的先后顺序，应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换。此外，“包括”和“具有”以及他们任何的变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

图1是本发明实施例技术方案示意图，如图1所示，高级有源嵌位电路100可以包括基本有源嵌位电路10、使igbt驱动放大电路处于高阻输出状态的开关电路20，用于电气隔离的光耦电路30，用于放大igbt驱动信号的放大电路40。其中，基本有源嵌位电路10用于抑制绝缘栅双极型晶体管集电极和发射极之间过高的浪涌尖峰电压；使igbt驱动放大电路处于高阻输出状态的开关电路20用于当有源嵌位电路工作时使igbt的栅极和驱动电源的负电源-vcc之间呈高阻状态，为瞬态抑制二极管的击穿电流快速给igbt的栅极充电创造必要的条件，确保高级有源嵌位电路响应的快速性和实时性；用于电气隔离的光耦电路30用于传输igbt的驱动信号及初级放大，并实现强电与弱电之间的电气隔离；用于放大igbt驱动信号的放大电路40，用于放大光耦输出的igbt驱动信号，提高驱动能力。

图2是基本有源嵌位电路10具体实施例示意图，可以包括：

第一、第二、第三瞬态抑制二极管tvs1、tvs2、tvs3；

第一、第二快恢复二极管d1、d2；

第一限流电阻r1。

其中，第三瞬态抑制二极管tvs3的阴极与igbt的集电极相连，第二瞬态抑制二极管tvs2的阴极与第三瞬态抑制二极管tvs3的阳极相连，第一瞬态抑制二极管tvs1的阴极与第二瞬态抑制二极管tvs2的阳极相连，第一快恢复二极管d1的阳极与第一瞬态抑制二极管tvs1的阳极相连，第一限流电阻r1的一端与第一快恢复二极管d1的阴极相连，第一限流电阻r1的另一端与igbt的栅极相连，第二快恢复二极管d2的阳极与igbt的栅极相连，第二快恢复二极管d2的阴极与igbt驱动电源的正电源+vcc相连。显而易见地，这一组串联的瞬态抑制二极管可以是3只，也可以是多只。

一组串联的瞬态抑制二极管除设定有源嵌位电压动作阈值的作用外，也提供有源嵌位电路的反馈信号通道，第一快恢复二极管d1用来反向阻断igbt的栅极导通驱动信号，以避免igbt导通时该导通驱动信号经瞬态抑制二极管tvs1、tvs2、tvs3和导通的igbt形成短路回路，第二快恢复二极管d2起着将igbt的栅极电压嵌位在驱动电源的正电源+vcc上，以避免瞬态抑制二极管的击穿电流将igbt的栅极电压充的过高而导致igbt的栅极因过电压击穿损坏，第一限流电阻r1起限流和调节有源嵌位电路给igbt栅极提供导通信号的上升时间的作用。

图3是使igbt驱动放大电路处于高阻输出状态的开关电路20，可包括：

第二限流电阻r2；

第三偏置电阻r3；

第一滤波电容c1；

第三抗饱和二极管d3；

npn三极管t1。

其中，第二限流电阻r2的一端与基本有源嵌位电路中第一瞬态抑制二极管tvs1的阳极相连，第二限流电阻r2的另一端与npn三极管t1的基极相连，第三偏置电阻r3与第一滤波电容c1并联后连接到npn三极管t1的基极和发射极之间，第三抗饱和二极管d3的阳极与npn三极管t1的基极相连，第三抗饱和二极管d3的阴极与npn三极管t1的集电极相连，npn三极管t1的集电极与用于放大igbt驱动信号的放大电路40中关断igbt的n沟道mos管q4的栅极相连，npn三极管t1的发射极与igbt驱动电源的负电源-vcc相连。

第二限流电阻r2的作用是限制npn三极管的基极电流，以免损坏npn三极管，第三偏置电阻r3的作用是给npn三极管的基极提供偏置电压，以使高级有源嵌位电路动作时npn三极管进入线性放大状态或饱和导通状态，相应地使驱动放大电路40中的n沟道mos管q4进入线性放大或截止状态，从而igbt的栅极和驱动电源的负电源-vcc之间的阻抗变大甚至是高阻态，为瞬态抑制二极管的击穿电流向igbt的栅极结电容更顺畅地充电创造了条件。第一滤波电容c1的作用是提高抗干扰能力，避免npn三极管t1误导通。npn三极管t1的作用相当于一只受tvs瞬态抑制二极管击穿电流控制的可变电阻，阻值的变化范围从无穷大到“0”，tvs瞬态抑制二极管的击穿电流越大其阻值越小。第三抗饱和二极管d3的作用是避免npn三极管t1进入深度饱和区，提高npn三极管t1的响应速度。

图4光耦电气隔离电路30和光耦输出驱动信号的放大电路40。光耦电气隔离电路30可包括隔离光耦，其作用是实现弱电与强电之间的电气隔离与驱动信号的初级放大，由于本发明专利不涉及弱电部分，因此不在此赘述。

光耦输出驱动信号的放大电路40，可包括：

第四限流电阻r4；

第五限流电阻r5；

igbt导通信号放大电路p沟道mos管q2；

igbt关断信号放大电路n沟道mos管q4。

其中，第四限流电阻r4用来限制p沟道mos管q2的栅极电流，第五限流电阻r5除用来限制n沟道mos管q4的栅极电流外，还用来限制使igbt驱动放大电路处于高阻输出状态的开关电路20中npn三极管t1导通时的集电极电流。igbt导通和关断信号的放大电路p沟道mos管q2和n沟道mos管q4用来放大光耦输出的igbt驱动信号，提高驱动能力，显而易见地，本放大电路可以采用mos器件，也可以采用三极管等放大电路器件。

综上，本发明实施例提供的高级有源嵌位电路包括：基本有源嵌位电路10、使igbt驱动放大电路处于高阻输出状态的开关电路20、光耦电气隔离电路30和驱动信号放大电路40。

其中，基本有源嵌位电路10用于抑制绝缘栅双极型晶体管集电极和发射极之间的浪涌尖峰电压；使igbt驱动放大电路处于高阻输出状态的开关电路20用于当高级有源嵌位电路动作时使驱动放大电路的输出呈高阻态，为基本有源嵌位电路中瞬态抑制二极管的击穿电流给igbt的栅极快速充电创造条件；光耦电气隔离电路30用于实现强弱电之间的电气隔离并给驱动信号提供初级放大；驱动信号放大电路40用于对光耦输出的驱动信号进行放大，提高驱动能力，适应大功率igbt驱动的需要。本发明由于引入了使驱动放大电路的输出呈高阻态的开关电路20，使得有源嵌位电路的动态响应速度大幅提高，可以更有效地确保igbt在安全工作区内运行，极大提高igbt的可靠性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，只要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；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书的内容不应理解为对本发明的限制。