一种新型IGBT负压关断电路[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 1114160 A(43)申请公布日 2020.07.28

(21)申请号 201911386834.X(22)申请日 2019.12.29

(71)申请人 西安纬通电子科技有限公司

地址 710000 陕西省西安市雁塔区电子三

路36号306室(72)发明人 窦志源　卢艳　张捷　苏璐梅　(74)专利代理机构 北京联瑞联丰知识产权代理

事务所(普通合伙) 11411

代理人 赵娜(51)Int.Cl.

H03K 17/567(2006.01)H03K 17/16(2006.01)

权利要求书1页 说明书4页 附图2页

()发明名称

一种新型IGBT负压关断电路(57)摘要

本发明公开了一种新型IGBT负压关断电路，属于IGBT领域，包括电源电路、IGBT驱动芯片、上桥驱动电路、下桥驱动电路和IGBT晶体管，IGBT驱动芯片的输出引脚分别连接上桥驱动电路和下桥驱动电路，电源电路输出15V电压给上桥驱动电路，输出-8V电压给下桥驱动电路，上桥驱动电路和下桥驱动电路分别与IGBT晶体管的门极连接，IGBT晶体管的集电极连接高压电源，发射极接地，电源电路的开关频率与IGBT晶体管的开关频率为四倍差。本发明当输出电流瞬变引起输出电压波动时，电源模块能迅速检测到这种变化，并迅速作出反应，稳定输出电压。CN 1114160 ACN 1114160 A

权　利　要　求　书

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1.一种新型IGBT负压关断电路，包括电源电路、IGBT驱动芯片、上桥驱动电路、下桥驱动电路和IGBT晶体管，其特征在于：所述IGBT驱动芯片的输出引脚分别连接上桥驱动电路和下桥驱动电路，所述电源电路输出15V电压给上桥驱动电路，输出-8V电压给下桥驱动电路，所述上桥驱动电路和下桥驱动电路分别与所述IGBT晶体管的门极连接，所述IGBT晶体管的集电极连接高压电源，发射极接地，所述电源电路的开关频率与IGBT晶体管的开关频率为四倍差。

2.根据权利要求1所述的一种新型IGBT负压关断电路，其特征在于：所述电源电路的开关频率为400kHz。

3.根据权利要求1所述的一种新型IGBT负压关断电路，其特征在于：所述IGBT驱动芯片的信号地与IGBT晶体管的功率地分开设计，公共地线加粗。

4.根据权利要求1所述的一种新型IGBT负压关断电路，其特征在于：所述电源电路输出15V电压和-8V电压的输出端分别连接并联的电容。

5.根据权利要求4所述的一种新型IGBT负压关断电路，其特征在于：所述电源电路输出15V电压和-8V电压的输出端分别连接三个并联的电容。

6.根据权利要求1所述的一种新型IGBT负压关断电路，其特征在于：所述IGBT晶体管的门极和发射极连接有密勒电容。

7.根据权利要求1所述的一种新型IGBT负压关断电路，其特征在于：所述电源电路的输入电压为28V，输入电压经过变压器输出15V电压和-8V电压，变压器采用罐状磁芯。

8.根据权利要求7所述的一种新型IGBT负压关断电路，其特征在于：所述变压器的初级和次级绕组间设有一层屏蔽层。

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说　明　书

一种新型IGBT负压关断电路

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技术领域

[0001]本发明涉及IGBT技术领域，特别是指一种新型IGBT负压关断电路。

背景技术

[0002]绝缘门极双极型晶体管(Isolated Gate Bipolar Transistor简称IGBT)是复合了功率场效应管和电力晶体管的优点而产生的一种新型复合器件，具有输入阻抗高、工作速度快、热稳定性好驱动电路简单、通态电压低、耐压高和承受电流大等优点，因此现今应用相当广泛。IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率场效应管的自然进化。由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率场效应管具有RDS(on)数值高的特征，IGBT消除了现有功率场效应管的这些主要缺点。虽然最新一代功率场效应管器件大幅度改进了RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT技术高出很多。较低的压降，转换成一个低VCE(sat)的能力，以及IGBT的结构，同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。

[0003]IGBT内部集成了MOSFET和晶体管。特点是响应速度快、工作电流大、耐压高。在开关电源、变频器、逆变电源等领域里很受青昧。由于IGBT自身的特点，工作时会发生擎住效应使得栅极失控，或者因电流电压过大或不稳定，造成IGBT损耗而不能正常工作。所以提出对IGBT的驱动和保护提出很高的要求。

[0004]IGBT具有一个2.5V-5.0V的阈值电压，有一个容性输入阻抗，因此IGBT对栅极电荷积累很敏感。在关断IGBT时，由于IGBT中电流幅度大，必将产生Ldi/dt过高，在IGBT两端会产生很高的尖峰电压，同时栅极电压存在毛刺尖峰，从而导致IGBT误导通。[0005]如果施加一个负的栅极电压，将IGBT关断。如同正栅极电压，负栅极电压不要低于-20V。根据实际情况，关断电压可选-15～0V，很多应用场合选用-10--5V的关断电压，其原因在于：

[0006]1)所需的驱动功率低，驱动功率与正负栅极电压的差值直接成正比；[0007]2)可用的驱动IC。许多驱动IC是在COMS或者BiMCOS上开发的，了阻断电压，比如正负电源电压之间最大值为30V。考虑到电源电压的误差和足够的电压安全裕量，通常栅极负电压的范围是从-10～-5V；

[0008]3)产生负栅极电压的同时节约电源功率，最小化成本。IGBT在应用时，其驱动电压上升不能太慢，但也不宜太快，驱动电压上升速率太高，需要较重的吸收电路才能使IGBT正常工作，但同时也增大了开关应力，使器件寿命缩短。所以选择适宜的驱动电压上升速率、较轻的吸收电路参数，能使器件长期可靠工作，也就是IGBT驱动电路选择合适的栅极供电电源成了关键。

发明内容

[0009]本发明提出一种新型IGBT负压关断电路，当输出电流瞬变引起输出电压波动时，

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电源模块能迅速检测到这种变化，并迅速作出反应，稳定输出电压。[0010]本发明的技术方案是这样实现的：[0011]一种新型IGBT负压关断电路，包括电源电路、IGBT驱动芯片、上桥驱动电路、下桥驱动电路和IGBT晶体管，所述IGBT驱动芯片的输出引脚分别连接上桥驱动电路和下桥驱动电路，所述电源电路输出15V电压给上桥驱动电路，输出-8V电压给下桥驱动电路，所述上桥驱动电路和下桥驱动电路分别与所述IGBT晶体管的门极连接，所述IGBT晶体管的集电极连接高压电源，发射极接地，所述电源电路的开关频率与IGBT晶体管的开关频率为四倍差。[0012]作为本发明的一个优选实施例，所述电源电路的开关频率为400kHz。[0013]作为本发明的一个优选实施例，所述IGBT驱动芯片的信号地与IGBT晶体管的功率地分开设计，公共地线加粗。

[0014]作为本发明的一个优选实施例，所述电源电路输出15V电压和-8V电压的输出端分别连接并联的电容。

[0015]作为本发明的一个优选实施例，所述电源电路输出15V电压和-8V电压的输出端分别连接三个并联的电容。

[0016]作为本发明的一个优选实施例，所述IGBT晶体管的门极和发射极连接有密勒电容。

[0017]作为本发明的一个优选实施例，所述电源电路的输入电压为28V，输入电压经过变压器输出15V电压和-8V电压，变压器采用罐状磁芯。[0018]作为本发明的一个优选实施例，所述变压器的初级和次级绕组间设有一层屏蔽层。

[0019]本发明的有益效果在于：当输出电流瞬变引起输出电压波动时，电源模块能迅速检测到这种变化，并迅速作出反应，稳定输出电压。附图说明

[0020]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0021]图1为本发明一种新型IGBT负压关断电路一个实施例的原理框图；[0022]图2为本发明一种新型IGBT负压关断电路一个实施例的电路原理图；[0023]图3为电源电路的电路原理图。[0024]图中，1-电源电路；2-IGBT驱动芯片；3-上桥驱动电路；4-下桥驱动电路；5-IGBT晶体管。

具体实施方式

[0025]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

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说　明　书

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如图1-图3所示，本发明提出了一种新型IGBT负压关断电路，包括电源电路1、IGBT

驱动芯片2、上桥驱动电路3、下桥驱动电路4和IGBT晶体管5，IGBT驱动芯片2的输出引脚分别连接上桥驱动电路3和下桥驱动电路4，电源电路1输出15V电压给上桥驱动电路3，输出-8V电压给下桥驱动电路4，上桥驱动电路3和下桥驱动电路4的输出端分别与IGBT晶体管5的门极连接，IGBT晶体管5的集电极连接高压电源，IGBT晶体管5的发射极接地，电源电路1的开关频率与IGBT晶体管5的开关频率为四倍差。[0027]电源电路1的开关频率为400kHz。电源模块的开关频率设计为和IGBT开关频率构成四倍差，当输出电流瞬变引起输出电压波动时，电源模块能迅速检测到这种变化，并迅速作出反应，稳定输出电压，从而缩短IGBT晶体管5关断时间，降低关断损耗。[0028]图2为IGBT一次侧门极驱动电路的电路原理图，从图中可以看出IGBT控制信号通过驱动芯片U1驱动IGBT，控制信号由芯片的一次侧(即输入端，IN+、IN-)输入，由芯片的二次侧(即输出端OUT)输出，该芯片内部有隔离功能。驱动电源模块为芯片二次侧及开关信号放大电路供电。由于控制信号是开关信号，信号放大电路的上下两个三极管VT1、VT2交替工作，故驱动电源模块的+15V和-8V两路输出不同时工作。IGBT的门极开关信号(即G_UT和GND_UT之间)控制IGBT功率管工作时，需要一定的电流，故在驱动电源+15V和-8V输出端并联电容，要求电源驱动模块具有一定的承担容性负载的能力。针对IGBT工作的实际特点，本发明中的电源模块可以解决以下两个方面的问题：[0029](1)增大电源模块输出功率裕量[0030]IGBT在开关的瞬间，+15V和-8V路端感应到瞬态尖峰电流值最高达2.5A，约为稳态输出电流的15倍，因此电源模块增加了带瞬态负载的能力。[0031](2)提高电源模块环路响应速度

[0032]当15V路电压低于12V或超过20V都会影响到IGBT驱动芯片正常工作。-8V路电压低于-6V则会使IGBT关断时间加长，关断损耗加大。而本发明中的电源模块的开关频率设计为400kHz左右，就和IGBT开关频率构成四倍差，当输出电流瞬变引起输出电压波动时，电源模块能迅速检测到这种变化，并迅速作出反应，稳定输出电压，从而缩短IGBT晶体管5关断时间，降低关断损耗。[0033]具体的，IGBT驱动芯片U1的VCC1引脚连接+5V电压，GND引脚接地，VCC1引脚和GND引脚之间连接有电容C1，GND5引脚接地，DESET引脚连接电容C2的一端，电容C2的另一端接地，电容C2的一端经电阻R2和二极管VD1连接高压电源。IGBT驱动芯片U1的VCC2引脚和电源模块的15V电压输出端分别连接放大管VT1的集电极，IGBT驱动芯片U1的VEE1引脚和电源模块的-8V电压输出端分别连接放大管VT2的集电极，IGBT驱动芯片U1的OUT引脚经电阻R1分别连接放大管VT1和放大管VT2的基集，放大管VT1的集电极还连接并联的电容C3-C5；放大管VT1的发射极连接电阻R3的一端；放大管VT2的集电极连接并联的电容C6-C8，放大管VT2的发射极连接电阻R4的一端。电阻R3和电阻R4的公共端连接IGBT晶体管的门极，IGBT晶体管的门极还连接有电阻R5和电容C9的一端，电阻R5和电容C9的另一端接地，电容C6-C8的一端接地。

[0034]在另一个实施例中，电源电路的输入端的电压可由220V交流电整流滤波降压后得到。可在220V交流电整流滤波降低电路中增加抗EMI的电路模块，进一步提高电源电路的抗电磁干扰能力。

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IGBT电路的输出功率可高达上万瓦，大功率电路工作时会对周围电路产生很强的

电磁干扰，最严重的情况会引起电源自激，因此，除了考虑电源的瞬态带载能力之外，要求电源具有很强的抗电磁干扰能力。[0036]开关电源的EMC设计，主要是抑制干扰源，干扰源集中在开关电路与输出整流电路。采用了滤波、布线、屏蔽、接地、密封等技术抑制干扰源。

[0037]良好的布局和布线技术是抑制干扰源的一个重要手段。在器件布置方面，对高频大电流回路采用粗和短的布线；输入与输出无交叉布线；信号地与功率地分开设计，采用单点接地方式公共地线尽可能加粗。去耦电容尽量靠近芯片的电源引脚和地线引脚采用低ESR(等效中联电阻)的电容滤波。[0038]变压器采用罐状磁芯，其电磁屏蔽效果佳。为抑制从变压器次级传递到初级的电磁干扰，在初级和次级绕组间增加一层屏蔽层，并将屏蔽层接外売。[0039]封装上采用10#钢材料作为产品的外壳，10#钢具有良好的散热性也具有很好的屏蔽效果，具有很好的屏蔽作用。[0040]本发明的优点为：

[0041]由于在IGBT驱动电路中在上半桥开通时，下半桥的栅极由于密勒电容的存在，会使得栅极电压抬高，且开通越快，抬升越高，当栅极电压采用0V关断时，有可能抬升电压超过栅极电压Vgeth，而使得IGBT导通，此时就会发生上下直通，而如果采用负压关断，因为下半桥在关断时栅极电压是负的，那么抬升的部门跟负压相抵，很难超过栅极电压Vgeth，从而避免了上下桥臂的直通风险。

[0042]通过对IGBT驱动电路工作原理的分析，总结了驱动电源模块的负载特性和工作特点，并具体给出了一种实用的驱动电源模块的合理解决方案，从电源模块的实际使用情况来看，电压波动小，动态响应快，能满足IGBT驱动电路对电源模块的特殊要求。该电源工艺、结构设计、元器件选用合理，能满足航空产品对电源模块的高可靠性要求。由于IGBT电路在军、民用大功率应用环境中的大量推广和采用，该驱动电源模块的应用前景非常广阔。[0043]以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以本发明，凡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。

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说　明　书　附　图

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图1

图2

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说　明　书　附　图

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图3

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