IGBT驱动拓扑电路及其软开关电路的制作方法

igbt驱动拓扑电路及其软开关电路
技术领域
[0001]
本发明涉及igbt半导体器件的技术领域，特指一种igbt驱动拓扑电路及其软开关电路。


背景技术：

[0002]
作为电力电子开关器件，igbt工作于周期性开通关断状态之下，在开关过程中会产生非常大的开关损耗，不仅耗能且易使igbt发热，影响其使用寿命。与igbt并行发展的是其驱动电路，它是功率器件和控制信号之间非常重要的接口电路，在igbt正常工作中举足轻重。
[0003]
参阅图1所示，显示了现有igbt管的开关特性，在开通过程中，t0-t1：uge从零电压上升到uth(igbt启动电压)过程中，uce、ic无变化；t1-t2：uge从uth上升到弥勒平台电压umil，ic以很快的速度上升，负载寄生电容的瞬间充电和较小的电阻导致电流较大，即使线圈的反向感生电动势已经产生且数值不小，也无法抵抗电流值的迅猛增加，ic产生电流尖峰，uce会有一个微小的下降；t2-t3：uge保持在弥勒平台，uce以很快的速率下降，ic保持在稳定的开通电流；t3之后，uge以较快的速率上升到最终值，同时uce降低到饱和导通压降。在关断过程中，t4-t5：uge以较快的速率从最终值下降到umil，此时对igbt的电流ic和uce都未造成影响；t5-t6：由于弥勒电容的存在，uce开始缓慢上升，ic由于回路电感的存在继续保持为导通电流的值；t6-t7：uge从umil下降到uth，ic以很快的速率下降，在回路中产生一个很高的感应电压，使uce产生一个关断电压尖峰；t7后，ic继续减小，由于器件结构特性，存在一个拖尾电流。
[0004]
通过igbt开关过程中过流、过压分析，在igbt开通时会产生一个较高的ic过冲电流尖峰；在igbt关断时会产生一个高的uce尖峰电压，igbt开关过程中ic和uce产生过流、过压及拖尾电流和电压的波形交叉的部分在时间分量上积分的面积为一个周期开通和关闭产生的功率损耗，该功率损耗较大，使得器件的负荷也较大。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种igbt驱动拓扑电路及其软开关电路，解决现有的igbt在开关过程中功率损耗较大导致的器件的负荷也较大的问题。
[0006]
实现上述目的的技术方案是：
[0007]
本发明提供了一种igbt驱动拓扑电路，包括：
[0008]
igbt管，具有集电极、栅极以及基极；
[0009]
接入所述igbt管的栅极的驱动脉冲；
[0010]
正极与所述igbt管的集电极连接的电源，所述电源的负极与所述igbt管的基极连接；
[0011]
接入所述电源的正极与所述igbt管的集电极之间的负载；以及
[0012]
接入所述负载与所述igbt管的基极之间的软开关电路，用于控制所述igbt管在开
关过程中的电流和电压的变化率。
[0013]
本发明的igbt驱动拓扑电路通过设计软开关电路，可以控制开关过程中电流和电压的变化率，从而降低igbt的功率损耗，使得器件的负荷也减小。
[0014]
本发明igbt驱动拓扑电路的进一步改进在于，所述软开关电路包括接入所述负载与所述igbt管的集电极之间的电感和接入所述igbt管的集电极与所述igbt管的基极之间的电容。
[0015]
本发明igbt驱动拓扑电路的进一步改进在于，所述软开关电路还包括正极连接于所述电容和所述igbt管的集电极之间的二极管，所述二极管的负极连接于所述负载和所述电源的正极之间。
[0016]
本发明igbt驱动拓扑电路的进一步改进在于，还包括一端连接于所述驱动脉冲和所述igbt管的栅极之间的寄生电容，所述寄生电容的另一端连接于所述igbt管的基极和所述电源的负极之间。
[0017]
本发明igbt驱动拓扑电路的进一步改进在于，所述驱动脉冲和所述igbt管的栅极之间还连接有第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和所述第二电阻并联。
[0018]
本发明还提供了一种igbt驱动拓扑电路的软开关电路，与igbt管连接，所述软开关电路包括：
[0019]
电感，一端与所述igbt管的集电极连接，另一端与一电源的正极连接；以及
[0020]
电容，一端与所述igbt管的集电极连接，另一端与所述igbt管的基极连接，所述igbt管的基极与所述电源的负极连接。
[0021]
本发明的软开关电路的进一步改进在于，还包括正极连接于所述电容和所述igbt管的集电极之间的二极管，所述二极管的负极连接于所述电感和所述电源的正极之间。
[0022]
本发明的软开关电路的进一步改进在于，所述电容为可调电容。
[0023]
本发明的软开关电路的进一步改进在于，所述电源的正极与所述电感之间还连接有负载。
附图说明
[0024]
图1为现有技术中igbt管的开关特性示意图。
[0025]
图2为本发明igbt驱动拓扑电路的电路图。
具体实施方式
[0026]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
[0027]
参阅图1，本发明提供了一种igbt驱动拓扑电路及其软开关电路，用于控制igbt管在开关管过程中电流和电压的变化率，以降低开关过程中的功率损耗，进而使得器件的负荷也减小。具体地，软开关电路在igbt管的集电极和基极处并联电容，在igbt关断电流波形由于并联的电容会有一个凸起，该电流凸起的大小随着电容的容值的增加而减小，容值小，拖尾电流值大，但是拖尾时间短，容值大，拖尾电流值小，但是拖尾时间长，故而可选择适合的电容容值来折中考虑功率损耗和开关速度。在集电极和负载之间接入电感，利用电感折中电流及电压的突变。下面结合附图对本发明igbt驱动拓扑电路及其软开关电路进行说明。
[0028]
参阅图2，显示了本发明igbt驱动拓扑电路的电路图。下面结合图2，对本发明igbt驱动拓扑电路进行说明。
[0029]
如图2所示，本发明的igbt驱动拓扑电路包括igbt管21、驱动脉冲22、电源23、负载24以及软开关电路25，其中的igbt管21具有集电极c、栅极g以及基极e；驱动脉冲22接入igbt管21的栅极g；电源23的正极与igbt管21的集电极c连接，电源23的负极与igbt管21的基极e连接；负载24接入电源23的正极与igbt管21的集电极c之间；软开关电路25接入负载24与igbt管21的基极e之间，该软开关电路25用于控制igbt管21在开关过程中的电流和电压的变化率，从而使得器件的负荷减小。
[0030]
在本发明的一种具体实施方式中，如图2所示，软开关电路25包括电感ls和电容cs，电感ls接入负载24和igbt管21的集电极c之间，电容cs接入igbt管21的集电极c和igbt管21的基极e之间。其中的电感ls串接在负载回路，电容cs并联在igbt管21的集电极c和基极e两端，在igbt管21开通过程中，负载回路由于电容cs串联而导致电压不能突升产生电流尖峰，故串接电感ls折中电流及电压的突变。igbt管21的关断电流波形成由于并联的电容cs会有一个凸起，电流凸起的大小随电容cs的容值的增加而减小，而电容cs的容值小时，拖尾电流大，但拖尾时间短，电容cs的容值大时，拖尾电流值小，但拖尾时间长。
[0031]
进一步地，在igbt管21的栅极g电压去掉后，igbt管21中pnp管的基极e电流为零，集电极c电流ic突降至αpnp*io，剩余电流(1-αpnp)*io流过电容cs。流过电容cs的电流icap＝io-ic，则电容cs电压的上升由下式决定：
[0032]
vcap＝1/cs∫icap*dt
ꢀꢀꢀ
(1)
[0033]
公式(1)中，vcap表示电容cs的电压，cs表示电容cs的容值，icap表示流过电容的电流。电压vcap亦为igbt两端的电压，电压的时间变化率为：
[0034]
dv/dt＝icap/cs＝(io-ic)/cs
ꢀꢀꢀ
(2)
[0035]
由式(2)可知，igbt两端的电压的上升由软开关电路中的元件控制，此时通过igtb器件的电流可由式(1)和式(2)等式得到。
[0036]
在本发明的一种具体实施方式中，如图2所示，该软开关电路25还包括二极管ds，该二极管ds的正极连接电容cs和igbt管21的集电极c之间，二极管ds的负极连接负载24和电源23的正极之间。当电容cs及igbt两端的电压升至母线电压u时，二极管ds开通，此时电容cs上的电压为恒值u，剩余电流流过二极管ds。流过igtb器件的电流指数下降，由于剩余电荷的复合使得电流有一个拖尾。
[0037]
在igbt的集电极c和基极e两端电容cs充电阶段，igbt器件的电流主要是由于少数载流子的抽取，电容的容置cs小时，igbt器件的电压上升速度快，因此耗尽区的扩散也快，结果为电流不升高，也可以认为，电容的容值cs小时，电荷抽取得快，因而关断时间短。功率损耗由拖尾电流的大小控制，开关速度由拖尾时间决定，故而电容cs的容值可根据功率损耗和开关速度进行折中选定。
[0038]
进一步地，igbt的损耗主要分为igbt的通态损耗和开关损耗以及igbt中续流二极管的通态损耗和开关损耗。对于igbt的通态损耗主要由igbt的导通时的饱和压降vce和igbt的结热阻产生，该饱和压降vce和igbt的结热阻与软开关电路中的元件无关联，故而在此不分析通态损耗。igbt的开关损耗主要是由于igbt开通和关断过程中电流ic与电压vce有重叠，进而产生开通能耗eon和关断能耗eoff，igbt的开关能耗大小与igbt开通、关断时
的电流ic，电压vce和芯片的结温有关，该igbt开关能耗的计算公式如下：
[0039]
pk_igbt＝1/π*f*(eon+eoff)
ꢀꢀꢀ
(3)
[0040]
式(3)中，pk_igbt
----
igbt开关热损耗值(w)，f
----
igbt开关频率(hz)，eon
----
igbt单次接通脉冲的能量损耗(w)，eoff
----
igbt单次关断脉冲的能量损耗(w)。
[0041]
接通能力损耗和关断能力损耗的计算公式如下：
[0042]
eon＝1/ton∫vce*ic*dt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0043]
eoff＝1/toff∫vce*ic*dt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0044]
式(4)和式(5)中，ton
----
igbt开通时间(s)，toff
----
igbt关断时间(s)，vce
----
igbt ce两端电压(v)。
[0045]
电容cs并联在集电极c和基极e两端，该电容cs的电压与vce相等，即vce＝vcap，而由式(1)可知，在igbt开通和关断时间相对固定的情况下，电容cs的容值大小决定了igbt的开关损耗。
[0046]
在本发明的一种具体实施方式中，电容cs为可调电容，其容值可调。较佳地，可调电容包括多个调节档位，每一档位对应一个容值，该容值与igbt的开关损耗及开关速度相对应，为此提供了方便调节开关损耗及开关速度的功能。
[0047]
在本发明的一种具体实施方式中，igbt驱动拓扑电路还包括寄生电容cg，该寄生电容cg的一端连接于驱动脉冲22和igbt管21的栅极g之间，该寄生电容cg的另一端连接在igbt管21的基极e和电源23的负极之间。
[0048]
进一步地，驱动脉冲22和igbt管21的栅极g之间还连接有第一电阻rgon和第二电阻rgoff，第一电阻rgon和第二电阻rgoff并联。寄生电容cg的一端连接的第一电阻rgon和第二电阻rgoff与栅极g之间。
[0049]
较佳地，电源23为高压源。负载24为ptc负载。
[0050]
本发明还提供了一种igbt驱动拓扑电路的软开关电路，该软开关电路用于控制开关igbt管过大中电流和电压的变化率，从而使得igbt器件的负荷减小。下面对该软开关电路的电路结构进行说明。
[0051]
如图2所示，本发明的软开关电路25与igbt管21连接，该软开关电路25包括电感ls和电容cs，其中的电感ls一端与igbt管21的集电极c连接，电感ls另一端与一电源23的正极连接；电容cs一端与igbt管21的集电极c连接，电容cs另一端与igbt管21的基极e连接，该igbt管21的基极e与电源23的负极连接。
[0052]
将电感ls串接在igbt管21的集电极c处，将电容cs并联在igbt管21的集电极c和基极e两端；在igbt管21开通过程中，负载回路由于电容cs串联而导致电压不能突升产生电流尖峰，故串接电感ls折中电流及电压的突变。igbt管21的关断电流波形成由于并联的电容cs会有一个凸起，电流凸起的大小随电容cs的容值的增加而减小，而电容cs的容值小时，拖尾电流大，但拖尾时间短，电容cs的容值大时，拖尾电流值小，但拖尾时间长。
[0053]
在本发明的一种具体实施方式中，软开关电路25还包括二极管ds，该二极管ds的正极连接于电容cs和igbt管21的集电极c之间，二极管ds的负极连接于电感ls和电源23的正极之间。当电容cs及igbt两端的电压升至母线电压u时，二极管ds开通，此时电容cs上的电压为恒值u，剩余电流流过二极管ds。流过igtb器件的电流指数下降，由于剩余电荷的复合使得电流有一个拖尾。
[0054]
在本发明的一种具体实施方式中，电容cs为可调电容，其容值可调。较佳地，可调电容包括多个调节档位，每一档位对应一个容值，该容值与igbt的开关损耗及开关速度相对应，为此提供了方便调节开关损耗及开关速度的功能。
[0055]
在本发明的一种具体实施方式中，电源23的正极与电感ls之间还连接有负载24。二极管ds的负极接入负载24和电源23的正极之间。
[0056]
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。