[发明专利]绝缘栅双极晶体管门极驱动推挽电路

说明书

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（Insolated Gate 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15V即可，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1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1~5 都采用类似三极管推挽放大拓扑（一）的形式。

该拓扑的优点：(1) 正逻辑。(2) 简单易用。

该拓扑的缺点：(1) 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：(1) 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）