一種絕緣柵雙極型晶體管的有源鉗位電路的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種絕緣柵雙極型晶體管的有源鉗位電路，包括檢測電路、比較電路、控制開關、第一電壓引入端及第二電壓引入端；所述絕緣柵雙極型晶體管包括集電極、發(fā)射極和柵極；所述檢測電路包括與所述集電極相連的第一輸入端、與所述發(fā)射極相連的第二輸入端及輸出集電極和發(fā)射極之間的檢測電壓的第一輸出端；所述比較電路包括與所述第一輸出端相連的第三輸入端、與所述第一電壓引入端相連的第四輸入端及輸出所述檢測電壓和第一電壓之間的比較電壓的第二輸出端；所述控制開關包括與所述柵極相連的第一連接端、與所述第二電壓引入端相連的第二連接端及與所述第二輸出端相連的控制端。本實用新型能夠降低有源鉗位電路的能耗。
【專利說明】一種絕緣柵雙極型晶體管的有源鉗位電路
【技術(shù)領域】
[0001]本實用新型涉及絕緣柵雙極型晶體管的驅(qū)動設計領域，特別涉及一種絕緣柵雙極型晶體管的有源鉗位電路。
【背景技術(shù)】
[0002]絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)是由場效應晶體管(MOSFET)和雙極型晶體管(PNP晶體)復合而成的一種器件，其輸入極為場效應晶體管，輸出極為雙極型晶體管，其中，場效應晶體管用于控制雙極型晶體管。絕緣柵雙極型晶體管融和了場效應晶體管和雙極型晶體管這兩種器件的優(yōu)點，因而既具有場效應晶體管器件驅(qū)動簡單和快速的優(yōu)點，又具有雙極型晶體管器件容量大的優(yōu)點，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來越廣泛的應用。
[0003]在中高功率電源裝置中，絕緣柵雙極型晶體管由于其控制驅(qū)動電路簡單、工作頻率較高、容量較大的特點，已逐步取代晶閘管或GT0，成為中高功率電源裝置中最常用的功率半導體器件。但是在電源裝置中，由于它工作在高頻與高電壓、大電流的條件下，容易損壞；另外，電源作為系統(tǒng)的前級，由于受電網(wǎng)波動、雷擊等原因的影響使得它所承受的應力更大，故絕緣柵雙極型晶體管的可靠性直接關系到電源的可靠性。一般地，在選擇絕緣柵雙極型晶體管時除了要作降額考慮外，對絕緣柵雙極型晶體管的保護設計也是電源設計時需要重點考慮的一個環(huán)節(jié)。
[0004]圖1為一種絕緣柵雙極型晶體管10的結(jié)構(gòu)示意圖，絕緣柵雙極型晶體管10的輸入部分為場效應晶體管、輸出部分為電力晶體管，包括集電極C、發(fā)射極e和柵極g，其中，集電極c連接至母線電壓Vbus,發(fā)射極e浮地或接地,集電極c的連線上還等效有寄生電感Lo0絕緣柵雙極型晶體管10有以下優(yōu)點:高輸入阻抗，電壓控制，驅(qū)動功率小，開關速度快、一般工作頻率可達10~40kHz。飽和壓降低，電壓電流容量較大，安全工作區(qū)較寬。
[0005]當絕緣柵雙極型晶體·管10柵極關斷時，集電極c至發(fā)射極e的電流Ice急劇減少，這時，由于寄生電感Lo的電流方向不能突變，關斷期間電流Ice急劇減少導致寄生電感Lo的兩端產(chǎn)生尖峰電壓Λ V，滿足Λ V=LMdIc^dt),其中，L為寄生電感Lo的等效電感。圖2不意了電流Iee在tl時刻至t2時刻的電流曲線不意圖，圖3不意了寄生電感Lo兩端的電壓'在在tl時刻至t2時刻的電壓曲線示意圖?？梢妶D2中，在絕緣柵雙極型晶體管10柵極關斷的Tm時刻，電流Ice急劇減少，而圖3中，因Tm時刻電流急劇減少，導致寄生電感Lo在Tm時刻后兩端產(chǎn)生尖峰電壓AV。
[0006]在上述情況發(fā)生時，寄生電感Lo兩端所產(chǎn)生的尖峰電壓Δ V會和母線電壓Vbus疊加后加載到絕緣柵雙極型晶體管10的集電極c和發(fā)射極e之間，當集電極c和發(fā)射極e之間的電壓值超過絕緣柵雙極型晶體管10的額定電壓(一般晶體管的額定電壓小于晶體管的擊穿電壓)，那么絕緣柵雙極型晶體管10被擊穿的可能就會大大增加。
[0007]從上述分析可知，有效地減少尖峰電壓對提高絕緣柵雙極型晶體管的可靠性很有幫助，是對絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動設計的必須考慮因素。
[0008]為了在絕緣柵雙極型晶體管的柵極關斷時，有效降低絕緣柵雙極型晶體管集電極和發(fā)射極之間的電壓，避免上述尖峰電壓的產(chǎn)生，現(xiàn)有技術(shù)提供了一種絕緣柵雙極型晶體管的有源鉗位電路。
[0009]絕緣柵雙極型晶體管的有源箝位電路是一種過壓保護電路:在絕緣柵雙極型晶體管在關斷時，過高的dljdt在線路寄生電感上產(chǎn)生電壓尖峰，所述電壓尖峰疊加到絕緣柵雙極型晶體管集電極和發(fā)射極，會導致絕緣柵雙極型晶體管過壓擊穿，利用有源箝位電路則能在上述過程中對絕緣柵雙極型晶體管實現(xiàn)過壓保護。絕緣柵雙極型晶體管的有源鉗位電路是高級IGBT驅(qū)動設計中經(jīng)常使用的一種電路。
[0010]如圖4所示的一種絕緣柵雙極型晶體管的有源箝位電路，包括:
[0011]如圖1所示的絕緣柵雙極型晶體管10，以及絕緣柵雙極型晶體管10集電極c和柵極g之間連接的TVS (Transient Voltage Suppressor,即瞬態(tài)電壓抑制器)管20。
[0012]當絕緣柵雙極型晶體管10關斷時，集電極c和發(fā)射極e之間的電壓若超過TVS管20的動作電壓時，TVS管20被擊穿，且TVS管20輸出電流至絕緣柵雙極型晶體管10的柵極，使柵極上的驅(qū)動電壓緩慢下降(也即使絕緣柵雙極型晶體管10緩慢關斷)，集電極C至發(fā)射極e的電流Im從而能夠緩慢減少，避免形成等效電感Lo兩端的尖峰電壓。
[0013]上述有源鉗位電路的原理為:以絕緣柵雙極型晶體管集電極和發(fā)射極間電壓為檢測量，當集電極和發(fā)射極間電壓超過設定值后，往絕緣柵雙極型晶體管的柵極注入電流，以減緩驅(qū)動電壓的下降速度，也就是減少dU/dt的值，這樣晶體管集電極和發(fā)射極間的電壓也會隨dljdt值下降而下降。
[0014]但現(xiàn)有技術(shù)的上述有源鉗位電路至少具有如下缺陷:
[0015]TVS管的動作電壓在一定范圍內(nèi)波動，導致有源箝位電壓不是一個確定值。在對上述電路產(chǎn)品批量生產(chǎn)時，這種不確定性導致電路所選PVS管參數(shù)的離散性大，不容易控制電路產(chǎn)品的一致性。為安全工作，在前期對電路產(chǎn)品的設計會對所述PVS管的動作電壓留有裕量，使所選TVS管標稱的動作電壓相對需扼制的尖峰電壓偏低，導致TVS管的漏電流偏大，在TVS管未動作時會有較大損耗。而在TVS管動作時，流過TVS管的電流又會進一步在TVS管上產(chǎn)生較大損耗?，F(xiàn)有技術(shù)的有源鉗位電路在能耗上的性能較差。另外，為了提高現(xiàn)有技術(shù)有源鉗位電路的可靠性，往往需要選取尺寸較大的TVS管，導致電路面積過大。
實用新型內(nèi)容
[0016]本實用新型解決的問題是如何降低有源鉗位電路的能耗。
[0017]為解決上述問題，本實用新型提供了一種絕緣柵雙極型晶體管的有源鉗位電路，所述絕緣柵雙極型晶體管包括集電極、發(fā)射極和柵極，所述有源鉗位電路包括檢測電路、t匕較電路、控制開關、第一電壓引入端及第二電壓引入端；
[0018]所述檢測電路包括與所述集電極相連的第一輸入端、與所述發(fā)射極相連的第二輸入端及輸出集電極和發(fā)射極之間的檢測電壓的第一輸出端；所述比較電路包括與所述第一輸出端相連的第三輸入端、與所述第一電壓引入端相連的第四輸入端及輸出所述檢測電壓和第一電壓之間的比較電壓的第二輸出端；所述控制開關包括與所述柵極相連的第一連接端、與所述第二電壓引入端相連的第二連接端及與所述第二輸出端相連的控制端。
[0019]可選的，所述檢測電路還包括:
[0020]連接在所述第一輸入端和第一輸出端之間的第一電阻；[0021]連接在所述第二輸入端和第一輸出端之間串聯(lián)的第二電阻。
[0022]可選的，所述比較電路包括電壓比較器；
[0023]所述第三輸入端為所述電壓比較器的負端；
[0024]所述第四輸入端為所述電壓比較器的正端；
[0025]所述第二輸出端為所述電壓比較器的輸出端。
[0026]可選的，所述電壓比較器為滯回比較器。
[0027]可選的，所述電壓比較器包括連接在所述第四輸入端和第二輸出端之間的第三電阻。
[0028]可選的，所述控制開關為PMOS管；
[0029]所述第一連接端為所述PMOS管的漏極；
[0030]所述第二連接端為所述PMOS管的源極；
[0031]所述控制端為所述PMOS管的柵極。
[0032]可選的，所述絕緣柵雙極型晶體管的有源鉗位電路還包括第四電阻，所述第二輸出端通過所述第四電阻與所述控制端相連。
[0033]可選的，所述絕緣柵雙極型晶體管的有源鉗位電路還包括第五電阻，所述第一連接端通過所述第五電阻與所述柵極相連。
[0034]可選的，所述絕緣柵雙極型晶體管的有源鉗位電路還包括第六電阻，所述第四輸入端通過所述第六電阻與所述第一電壓引入端相連。
[0035]可選的，所述絕緣柵雙極型晶體管的有源鉗位電路還包括第一電壓源和第二電壓源，所述第一電壓源的輸出端連接至所述第一電壓引入端，所述第二電壓源的輸出端連接至所述第二電壓引入端。
[0036]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的技術(shù)方案至少具有以下技術(shù)效果:
[0037]本實用新型的絕緣柵雙極型晶體管的有源鉗位電路通過第一電壓引入端和檢測電路獲得確定的動作電壓(第一電壓)和檢測電壓，利用比較電路比較所述第一電壓和檢測電壓，從而能夠有效實現(xiàn)有源鉗位，建立起穩(wěn)定且確定的動作電壓，提高了有源箝位動作電壓一致性；不同于現(xiàn)有技術(shù)有源鉗位電路需要通過擊穿TVS管以實現(xiàn)有源鉗位，本實用新型避免使用TVS管，因而有效地降低了有源箝位損耗。
[0038]在可選方案中，檢測電路是通過電阻分壓獲得檢測電壓的，因而檢測電壓、第一電壓、第二電壓都可以是小信號，所述控制開關可以使用小尺寸的晶體管實現(xiàn)，本實用新型能夠進一步節(jié)省電路能耗。
[0039]在可選方案中，比較電路可以使用滯回比較器實現(xiàn)，以防止比較電路在設定的第一電壓附近頻繁翻轉(zhuǎn)，能夠進一步提高有源箝位動作電壓一致性，從而提高本實用新型有源鉗位電路的電路性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0040]圖1為一種絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041]圖2為絕緣柵雙極型晶體管10中，電流Ice在tl時刻至t2時刻的電流曲線示意圖；
[0042]圖3為絕緣柵雙極型晶體管10中，寄生電感Lo兩端的電壓\在在tl時刻至t2時刻的電壓曲線示意圖；
[0043]圖4為現(xiàn)有技術(shù)的一種絕緣柵雙極型晶體管的有源箝位電路的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖5為本實用新型提供的一種絕緣柵雙極型晶體管的有源箝位電路的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045]圖6為絕緣柵雙極型晶體管30中，電壓Vce在tl時刻至t2時刻的電壓曲線示意圖；
[0046]圖7為絕緣柵雙極型晶體管30中，檢測電壓Vt在tl時刻至t2時刻的電壓曲線示意圖；
[0047]圖8為絕緣柵雙極型晶體管30中，比較電壓Vc在tl時刻至t2時刻的電壓曲線示意圖；
[0048]圖9為絕緣柵雙極型晶體管30中，電壓Vge在tl時刻至t2時刻的電壓曲線示意圖；
[0049]圖10為比較電路50的反相滯回曲線示意圖。
【具體實施方式】
[0050]為使本實用新型的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施例做詳細的說明。
[0051]本實施例提供了一種如圖5所示的絕緣柵雙極型晶體管的有源鉗位電路。
[0052]圖5中，絕緣柵雙極型晶體管30的具體結(jié)構(gòu)可以參考圖1所示的絕緣柵雙極型晶體管10，包括集電極C、發(fā)射極E和柵極G(圖5中未示出集電極C連線上等效的寄生電感)。
[0053]本實施例的有源鉗位電路包括檢測電路40、比較電路50、控制開關60、第一電壓引入端70及第二電壓引入端80，其中，第一電壓引入端70連接至第一電壓VI，第二電壓引入端80連接至第二電壓V2。
[0054]檢測電路40包括與集電極C相連的第一輸入端400、與發(fā)射極E相連的第二輸入端401及輸出集電極C和發(fā)射極E之間的檢測電壓Vt的第一輸出端402。
[0055]比較電路50包括與第一輸出端402相連的第三輸入端500、與第一電壓引入端70相連的第四輸入端501及輸出檢測電壓Vt和第一電壓Vl之間的比較電壓Vc的第二輸出端 502。
[0056]控制開關60包括與柵極G相連的第一連接端600、與第二電壓引入端80相連的第二連接端601及與第二輸出端502相連的控制端602。
[0057]在本實施例中，檢測電路40是通過電阻分壓獲得檢測電壓Vt的，檢測電路40還包括:
[0058]連接在第一輸入端400和第一輸出端402之間的第一電阻Rl ；
[0059]連接在第二輸入端401和第一輸出端402之間串聯(lián)的第二電阻R2。
[0060]具體的，比較電路50包括電壓比較器cmp，其中，第三輸入端500為電壓比較器cmp的負端,第四輸入端501為電壓比較器cmp的正端,第二輸出端502為電壓比較器cmp的輸出端。
[0061]電壓比較器cmp可以是滯回比較器。當然，也可以參考圖5，在電壓比較器cmp的正端和輸出端之間連接第三電阻R3，以構(gòu)成電壓比較器cmp的滯回電路，即比較電路50包括電壓比較器cmp及其滯回電路。
[0062]滯回比較器或滯回電路可以避免由于比較電路輸入端的寄生反饋所造成的比較電路的輸出振蕩，且可以提高電路的抗干擾性能，進一步提高有源箝位動作電壓一致性，從而提聞本實用新型有源甜位電路的電路性能。
[0063]在本實施例中，控制開關60具體為一 PMOS管，其中，第一連接端600為PMOS管的漏極，第二連接端601為PMOS管的源極，控制端602為PMOS管的柵極。
[0064]繼續(xù)參考圖5，考慮到比較電壓Vc是連接到PMOS管的柵極的，是PMOS管工作的驅(qū)動電壓，為了更好地控制電路的驅(qū)動能力，本實施例的絕緣柵雙極型晶體管的有源鉗位電路還包括:第四電阻R4，第二輸出端502通過第四電阻R4與控制端602相連。
[0065]第四電阻R4可以用于配置比較電壓Vc的驅(qū)動能力，提高本實施例的電路性能。
[0066]類似的，為了控制電路的驅(qū)動能力，本實施例的絕緣柵雙極型晶體管的有源鉗位電路還包括:第五電阻R5，第一連接端600通過第五電阻R5與柵極G相連。
[0067]類似的，為了控制電路的驅(qū)動能力，本實施例的絕緣柵雙極型晶體管的有源鉗位電路還包括:第六電阻R6，第四輸入端501通過第六電阻R6與第一電壓引入端70相連。
[0068]此外，本實施例的絕緣柵雙極型晶體管的有源鉗位電路還包括:第一電壓源Ul和第二電壓源U2，第一電壓源Ul產(chǎn)生并輸出第一電壓Vl至第一電壓引入端70，第二電壓源U2產(chǎn)生并輸出第二電壓V2至第二電壓引入端80。當然，在其他實施例中，第一電壓Vl和第二電壓V2也可以由外部設備提供。
[0069]在本實用新型技術(shù)方案中，需要說明的是:
[0070]上述第一電壓Vl實際為一基準電壓，第二電壓V2為比較電路500的供電電壓，SP第一電壓源Ul為一基準電壓源，第二電壓源U2為一供電電壓源。
[0071]檢測電路40中，由于第一電阻Rl的一端連接到絕緣柵雙極型晶體管30的集電極C后、另一端連接第二電阻R2連接形成分壓電路，在第二電阻R2上形成一個和絕緣柵雙極型晶體管30集電極C和發(fā)射極E之間電壓差Vce成比例的檢測電壓Vt。檢測電壓Vt和Vce的關系是:
[0072]Vt=Vce*R2/(R2+Rl)；
[0073]在本實施例中，有源鉗位電路的動作電壓的電壓值可認為與第一電壓Vl的電壓值相等。當檢測電壓Vt的值達到第一電壓Vl的電壓值時，電壓比較器cmp翻轉(zhuǎn)，輸出從接近正電源的電平值變成接近負電源的電平值，這時控制開關60導通，并向絕緣柵雙極型晶體管30的柵極G注入電流，減緩驅(qū)動的下降速度，也就是減少ClIeeMt的值，絕緣柵雙極型晶體管30的集電極C和發(fā)射極E間的電壓也會隨dljdt下降而下降，實現(xiàn)有源箝位的目的。
[0074]基于圖2對絕緣柵雙極型晶體管30進行驅(qū)動，圖6至圖9分別示意了電壓Vce、檢測電壓Vt、比較電壓Vc、電壓Vge在tl時刻至t2時刻的電壓曲線示意圖。其中，電壓Vge為加載在絕緣柵雙極型晶體管30柵極G上的驅(qū)動電壓。
[0075]基于圖6至圖9可知，在絕緣柵雙極型晶體管30柵極關斷的Tm時刻，電壓Vce升高而產(chǎn)生尖峰電壓。此時，檢測電壓Vt隨電壓Vce的升高而上升，在檢測電壓Vt的電壓值達到第一電壓Vl的電壓值的Tn時刻，電壓比較器cmp翻轉(zhuǎn)，比較電壓Vc從高電平“I”翻轉(zhuǎn)為低電平“O”。因比較電壓為低電平，控制開關60導通，并向絕緣柵雙極型晶體管30的柵極G注入電流，使絕緣柵雙極型晶體管30柵極G上的驅(qū)動電壓Vge緩慢下降，減少dlce/dt的數(shù)值(減小Tm時刻后電壓Vce的上升速度)，以消除尖峰電壓，實現(xiàn)有源箝位。
[0076]本實用新型的使用范圍不限于解決所述尖峰電壓導致的絕緣柵雙極型晶體管具備擊穿風險的問題。由于本實用新型的動作電壓在數(shù)值上被第一電壓的電壓值所控制，因而本實用新型技術(shù)方案的應用范圍更為廣泛，能夠自由設定所述動作電壓。
[0077]除了上述內(nèi)容以外，本實用新型技術(shù)方案的比較電路具備滯回電路的結(jié)構(gòu)。滯回電路可以防止比較電路的比較信號Vc在設定的第一電壓Vl的電壓值附近頻繁地翻轉(zhuǎn)，從而提高電路動作電壓的一致性。圖10所示的為本實施例采用滯回電路結(jié)構(gòu)的比較電路50的反相滯回曲線示意圖。
[0078]圖10中，橫坐標軸為檢測電壓Vt的數(shù)軸，縱坐標軸為比較信號Vc的數(shù)軸。其中，橫坐標軸上Xl點的數(shù)值為:V1*R3/(R2+R3)，x2點的數(shù)值為:(V1*R3+V2*R2)/(R2+R3)。
[0079]雖然本實用新型披露如上，但本實用新型并非限定于此。任何本領域技術(shù)人員，在不脫離本實用新型的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動與修改，因此本實用新型的保護范圍應當以權(quán)利要求所限定的范圍為準。
【權(quán)利要求】
1.一種絕緣柵雙極型晶體管的有源鉗位電路，所述絕緣柵雙極型晶體管包括集電極、發(fā)射極和柵極，其特征在于，所述有源鉗位電路包括檢測電路、比較電路、控制開關、第一電壓引入端及第二電壓引入端； 所述檢測電路包括與所述集電極相連的第一輸入端、與所述發(fā)射極相連的第二輸入端及輸出集電極和發(fā)射極之間的檢測電壓的第一輸出端；所述比較電路包括與所述第一輸出端相連的第三輸入端、與所述第一電壓引入端相連的第四輸入端及輸出所述檢測電壓和第一電壓之間的比較電壓的第二輸出端；所述控制開關包括與所述柵極相連的第一連接端、與所述第二電壓引入端相連的第二連接端及與所述第二輸出端相連的控制端。
2.如權(quán)利要求1所述的絕緣柵雙極型晶體管的有源鉗位電路，其特征在于，所述檢測電路還包括: 連接在所述第一輸入端和第一輸出端之間的第一電阻； 連接在所述第二輸入端和第一輸出端之間串聯(lián)的第二電阻。
3.如權(quán)利要求1所述的絕緣柵雙極型晶體管的有源鉗位電路，其特征在于，所述比較電路包括電壓比較器； 所述第三輸入端為所述電壓比較器的負端； 所述第四輸入端為所述電壓比較器的正端； 所述第二輸出端為所述電壓比較器的輸出端。
4.如權(quán)利要求3所述的絕緣柵雙極型晶體管的有源鉗位電路，其特征在于，所述電壓比較器為滯回比較器。
5.如權(quán)利要求4所述的絕緣柵雙極型晶體管的有源鉗位電路，其特征在于，所述電壓比較器包括連接在所述第四輸入端和第二輸出端之間的第三電阻。
6.如權(quán)利要求1所述的絕緣柵雙極型晶體管的有源鉗位電路，其特征在于，所述控制開關為PMOS管； 所述第一連接端為所述PMOS管的漏極； 所述第二連接端為所述PMOS管的源極； 所述控制端為所述PMOS管的柵極。
7.如權(quán)利要求1所述的絕緣柵雙極型晶體管的有源鉗位電路，其特征在于，還包括第四電阻，所述第二輸出端通過所述第四電阻與所述控制端相連。
8.如權(quán)利要求1所述的絕緣柵雙極型晶體管的有源鉗位電路，其特征在于，還包括第五電阻，所述第一連接端通過所述第五電阻與所述柵極相連。
9.如權(quán)利要求1所述的絕緣柵雙極型晶體管的有源鉗位電路，其特征在于，還包括第六電阻，所述第四輸入端通過所述第六電阻與所述第一電壓引入端相連。
10.如權(quán)利要求1所述的絕緣柵雙極型晶體管的有源鉗位電路，其特征在于，還包括第一電壓源和第二電壓源，所述第一電壓源的輸出端連接至所述第一電壓引入端，所述第二電壓源的輸出端連接至所述第二電壓引入端。
【文檔編號】H02M1/08GK203645530SQ201320677699
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月29日
【發(fā)明者】陳青昌 申請人:上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司