專利名稱：一種用于絕緣柵雙極晶體管的斜率與峰值綜合控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種功率半導(dǎo)體器件的控制電路，特別是關(guān)于一種電力電子領(lǐng)域中的 用于絕緣柵雙極晶體管(IGBT， Insulated Gate Bipolar Transistor)的斜率與峰值綜合 控制電路。
背景技術(shù)：
IGBT是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的可關(guān)斷電力電子器件，從低壓電器到高壓輸配電設(shè) 備、從民用電力設(shè)施到軍事裝備、從傳統(tǒng)的火力發(fā)電到新能源發(fā)電，都應(yīng)用了這種器件。在 普通的應(yīng)用場(chǎng)合中，采用普通的IGBT控制與保護(hù)電路，就可以滿足運(yùn)行要求。但在一些特 殊的應(yīng)用領(lǐng)域中，IGBT器件必須承載很高的電壓和很大的電流，甚至要求IGBT串聯(lián)運(yùn)行， 例如高壓電子開(kāi)關(guān)、高壓脈沖電源、高壓變頻器、高壓靜止無(wú)功發(fā)生器(STATC0M)、輕型直流 輸電、統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)等等。這些應(yīng)用場(chǎng)合都要求極高的可靠性，因此，必須重視 IGBT的控制與保護(hù)，保證IGBT的集-射電壓不超出安全極限。可能導(dǎo)致IGBT集-射電壓 越限的因素主要有以下兩點(diǎn)(1) IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程中，集-射電壓變化斜率太大，使得回路雜 散電感的感生電勢(shì)過(guò)高，導(dǎo)致IGBT集-射電壓峰值超過(guò)安全極限；(2) IGBT串聯(lián)運(yùn)行時(shí)不 均壓，導(dǎo)致集_射電壓峰值超過(guò)安全極限。由于IGBT開(kāi)關(guān)速度極快，集_射電壓變化斜率 通常不低于6000V/s，所以對(duì)IGBT的控制與保護(hù)必須具有納秒級(jí)的響應(yīng)速度，技術(shù)難度 很高。 現(xiàn)有的IGBT集-射電壓控制與保護(hù)的方法可大致分為兩類負(fù)載側(cè)控制和門(mén)極側(cè) 控制。負(fù)載側(cè)控制主要通過(guò)在IGBT的集-射兩端并聯(lián)RCD(電阻電容二極管)吸收電路實(shí) 現(xiàn)，雖然效果較好，但其體積大、損耗高，不僅給實(shí)際電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)很大麻煩，而且顯著 提高了造價(jià)。門(mén)極側(cè)控制主要包括門(mén)極信號(hào)延遲調(diào)整、米勒電容伺服控制、跟蹤電壓參考 值和基于門(mén)極RCD輔助電路的控制。門(mén)極信號(hào)延遲調(diào)整，尤其是在線調(diào)整，控制電路必須能 夠適應(yīng)隨溫升而變化的IGBT特性，所以比較復(fù)雜，可靠性偏低。米勒電容伺服控制在實(shí)用 中也存在較大難度，因?yàn)楹茈y精確定位米勒效應(yīng)的起始和結(jié)束時(shí)刻。跟蹤電壓參考值的方 法又包含具體的措施，但要么是對(duì)IGBT串聯(lián)個(gè)數(shù)有限制，要么是控制電路用到了微處理器 和高性能運(yùn)放等芯片，比較復(fù)雜，可靠性較低而造價(jià)較高。基于門(mén)極RCD輔助電路的控制電 路簡(jiǎn)單，可靠性較高，但最大的問(wèn)題是，它會(huì)導(dǎo)致IGBT集-射電壓出現(xiàn)顯著的振蕩，甚至可 能導(dǎo)致IGBT誤動(dòng)作，危及設(shè)備安全。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性較高、控制效果較好的 用于絕緣柵雙極晶體管的斜率與峰值綜合控制電路。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種用于絕緣柵雙極晶體管的斜率 與峰值綜合控制電路，其特征在于它包括一絕緣柵雙極晶體管、一斜率與峰值綜合控制電 路、一門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路和一主電路；所述絕緣柵雙極晶體管的門(mén)極并聯(lián)連接所述斜率與峰值
3綜合控制電路的輸出端和所述門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路的一輸出端，所述斜率與峰值綜合控制電路的 輸入端并聯(lián)連接所述絕緣柵雙極晶體管的集電極和所述主電路的一輸入端；所述門(mén)極驅(qū)動(dòng) 電路的另一輸出端并聯(lián)連接所述絕緣柵雙極晶體管的發(fā)射極和所述主電路的另一輸入端。
所述斜率與峰值綜合控制電路包括三個(gè)電阻、兩個(gè)電容、一個(gè)二極管和一個(gè)以上 的齊納二極管；第一個(gè)所述電阻的一端并聯(lián)連接第三個(gè)所述電阻的一端和所述絕緣柵雙極 晶體管的集電極，另一端經(jīng)串聯(lián)第一個(gè)所述電容后，并聯(lián)連接所述二極管的陰極和所述絕 緣柵雙極晶體管的門(mén)極；第三個(gè)所述電阻的另一端依次與全部所述齊納二極管反向串聯(lián)， 最后一個(gè)所述齊納二極管的兩端分別并聯(lián)連接第二個(gè)所述電阻和第二個(gè)所述電容，第一個(gè) 所述齊納二極管的陽(yáng)極串聯(lián)連接所述二極管的陽(yáng)極。 所述主電路連接一個(gè)以上串聯(lián)連接的所述絕緣柵雙極晶體管，每個(gè)所述絕緣柵雙
極晶體管對(duì)應(yīng)連接一個(gè)所述斜率與峰值綜合控制電路和 一個(gè)所述門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路。 所述齊納二極管的個(gè)數(shù)由所述絕緣柵雙極晶體管的集-射電壓峰值的參考值和
單只所述齊納二極管的啟動(dòng)電壓值確定。 本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明由于采用了電阻、電容 和齊納二極管等簡(jiǎn)單的小型元器件構(gòu)成了斜率與峰值綜合控制電路，并直接跨接在絕緣柵 雙極晶體管的集電極和門(mén)極之間，因此實(shí)現(xiàn)了電路拓?fù)浜?jiǎn)單的特點(diǎn)，提高了電路的可靠性。 2、本發(fā)明由于在斜率與峰值綜合控制電路中采用了米勒阻抗和納秒級(jí)響應(yīng)的齊納二極管， 使得絕緣柵雙極晶體管的集_射電壓變化斜率和峰值均受到快速的負(fù)反饋控制，從而所有 受控的絕緣柵雙極晶體管的集-射電壓的變化斜率和峰值均保持一致，確保不超過(guò)安全極 限，因此改善了對(duì)絕緣柵雙極晶體管的控制和保護(hù)效果。3、本發(fā)明由于采用在絕緣柵雙極 晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程中，分兩個(gè)階段對(duì)集-射電壓變化斜率和峰值實(shí)施控制，控制的強(qiáng)度可 通過(guò)電路參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，因此實(shí)現(xiàn)了可統(tǒng)籌考慮控制效果和開(kāi)關(guān)損耗。因此，本發(fā)明可以廣 泛應(yīng)用于電力電子領(lǐng)域的各種設(shè)備中。


圖1是本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)示意圖 圖2是本發(fā)明的斜率與峰值綜合控制電路示意圖 圖3是本發(fā)明的實(shí)施例一實(shí)驗(yàn)結(jié)果 圖4是本發(fā)明的實(shí)施例二實(shí)驗(yàn)結(jié)果 圖5是本發(fā)明的實(shí)施例三實(shí)驗(yàn)結(jié)果
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。 如圖1所示，本發(fā)明包括 一 絕緣柵雙極晶體管(IGBT， Insulated Gate BipolarTransistor) 1、一斜率與峰值綜合控制電路2、一門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路3和一主電路4。絕 緣柵雙極晶體管1的門(mén)極并聯(lián)連接斜率與峰值綜合控制電路2的輸出端和門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路3 的一輸出端，斜率與峰值綜合控制電路2的輸入端并聯(lián)連接絕緣柵雙極晶體管1的集電極 和主電路4的一輸入端。門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路3的另一輸出端并聯(lián)連接絕緣柵雙極晶體管1的發(fā) 射極和主電路4的另一輸入端，以實(shí)現(xiàn)對(duì)主電路4的控制。
如圖2所示，斜率與峰值綜合控制電路包括三個(gè)電阻I^ R3、兩個(gè)電容Q、(^、一個(gè) 用于防止門(mén)極驅(qū)動(dòng)電流流向集電極的二極管D和n個(gè)齊納二極管^ Zn，其中n^ 1。電 阻&的一端并聯(lián)連接電阻R3的一端和絕緣柵雙極晶體管1的集電極，另一端經(jīng)串聯(lián)電容Q 后，分別與二極管D的陰極和絕緣柵雙極型晶體管1的門(mén)極并聯(lián)連接。電阻1 3的另一端依 次與n個(gè)齊納二極管Zn Z工反向串聯(lián)，并在第n個(gè)齊納二極管Zn的兩端并聯(lián)連接電阻R2 和電容G，并且齊納二極管Z工的陽(yáng)極串聯(lián)連接二極管D的陽(yáng)極。 上述實(shí)施例中，主電路4可以連接一個(gè)以上串聯(lián)連接的絕緣柵雙極晶體管l，每個(gè)
絕緣柵雙極晶體管1對(duì)應(yīng)連接一個(gè)斜率與峰值綜合控制電路2和一個(gè)門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路3。 上述實(shí)施例中，齊納二極管Z工 Zn的個(gè)數(shù)n，根據(jù)絕緣柵雙極晶體管1的集_射
電壓峰值的參考值和單只齊納二極管的啟動(dòng)電壓值確定。 綜上所述，本發(fā)明在使用時(shí)，其斜率與峰值綜合控制過(guò)程如下 1)當(dāng)絕緣柵雙極晶體管1的集-射電壓變化時(shí)，絕緣柵雙極晶體管1的集電極通
過(guò)電阻&和電容Q向門(mén)極提供反饋電流，電阻&和電容Q為米勒阻抗，集_射電壓變化斜
率越大，該反饋電流越強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)集-射電壓變化斜率的負(fù)反饋閉環(huán)控制。 2)當(dāng)集-射電壓峰值超過(guò)(n-l)個(gè)齊納二極管Z工 Zn—J勺啟動(dòng)電壓之和時(shí)，(n-l)
個(gè)齊納二極管Z工 Zn—工啟動(dòng)。此時(shí)，由絕緣柵雙極晶體管1的集電極經(jīng)電阻R3、電容C2、
(n-l)個(gè)齊納二極管Z工 Zn—工和二極管D向門(mén)極提供反饋電流，此時(shí)電阻R3和電容C2為米
勒阻抗，減小了集_射電壓變化斜率，起到抑制集_射電壓尖峰的作用，并且反饋電流使得
絕緣柵雙極晶體管1的門(mén)極電壓升高，從而使得集-射電壓不再迅速增加，實(shí)現(xiàn)了對(duì)集-射
電壓峰值的第_階段的負(fù)反饋控制。 3)若集-射電壓繼續(xù)升高，反饋電流繼續(xù)對(duì)電容C2充電，使得電容C2上的電壓超 過(guò)齊納二極管Zn的啟動(dòng)電壓，那么齊納二極管Zn啟動(dòng)。此時(shí)，由絕緣柵雙極晶體管1的集 電極經(jīng)電阻R3、 n個(gè)齊納二極管Z工 Zn和二極管D向門(mén)極提供反饋電流，反饋電流使得門(mén) 極的電壓繼續(xù)維持在較高的水平，從而抑制住集_射電壓峰值的升高，實(shí)現(xiàn)了對(duì)集_射電壓 峰值的第二階段的負(fù)反饋控制。 下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的控制電路進(jìn)行進(jìn)一步的描述。
實(shí)施例一 如圖3所示，在采用兩個(gè)串聯(lián)的1.7kV/800A絕緣柵雙極晶體管，在直流電壓 1. 7kV、負(fù)載電流520A時(shí)關(guān)斷(阻感性負(fù)載)，集-射電壓斜率參考值為3000V/ y s，集-射 電壓峰值參考值為1. 2kV的情況下，本發(fā)明的斜率與峰值綜合控制電路的控制效果。兩個(gè) 絕緣柵雙極晶體管的斜率均受到控制，集-射電壓V^峰值在達(dá)到約1. lkV時(shí)受到第一階 段的峰值控制，波形發(fā)生轉(zhuǎn)折，接著在約1.2kV時(shí)受到第二階段的峰值控制。其中，V^為 集-射電壓；Ic為集電極電流。實(shí)驗(yàn)證明，斜率和峰值綜合控制有效，絕緣柵雙極晶體管始 終工作在安全范圍之內(nèi)，并實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)絕緣柵雙極晶體管1的動(dòng)態(tài)均壓。
實(shí)施例二 如圖4所示，在采用兩個(gè)串聯(lián)的1. 7kV/800A絕緣柵雙極晶體管，在直流電壓 1. 7kV、負(fù)載電流470A時(shí)關(guān)斷(阻感性負(fù)載)，集-射電壓斜率參考值為3000V/ y s，集-射 電壓峰值參考值為1. lkV，兩個(gè)絕緣柵雙極型晶體管的關(guān)斷信號(hào)相差400ns的情況下，本發(fā) 明的斜率與峰值綜合控制電路的控制效果。兩個(gè)絕緣柵雙極晶體管的斜率均受到控制，早關(guān)斷的絕緣柵雙極晶體管的集_射電壓VCE峰值先達(dá)到1. lkV，并分別受到第一階段和第二 階段的峰值控制，波形發(fā)生兩次轉(zhuǎn)折；接著晚關(guān)斷的絕緣柵雙極晶體管的集_射電壓VCE峰 值也達(dá)到1. lkV，并分別受到第一階段和第二階段的峰值控制，波形也發(fā)生了兩次轉(zhuǎn)折。其 中，VcE為集-射電壓；Ic為集電極電流。實(shí)驗(yàn)證明，斜率和峰值綜合控制有效，絕緣柵雙極
晶體管始終工作在安全范圍之內(nèi)，并實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)絕緣柵雙極晶體管的動(dòng)態(tài)均壓。
實(shí)施例三 如圖5所示，在采用八個(gè)串聯(lián)的1.7kV/800A絕緣柵雙極晶體管，在直流電壓 7. 3kV、負(fù)載電流700A時(shí)關(guān)斷(阻感性負(fù)載)，集-射電壓斜率參考值為3000V/ y s，集-射 電壓峰值參考值為1. 2kV的情況下，本發(fā)明的斜率與峰值綜合控制電路的控制效果。八個(gè) 絕緣柵雙極晶體管的斜率和峰值均受到控制，全部工作在安全范圍之內(nèi)，并實(shí)現(xiàn)了全部絕 緣柵雙極晶體管的動(dòng)態(tài)均壓。 上述各實(shí)施例僅為本發(fā)明的應(yīng)用，并非用于限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。凡基于本發(fā) 明技術(shù)方案上的變化和改進(jìn)，不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。
權(quán)利要求
一種用于絕緣柵雙極晶體管的斜率與峰值綜合控制電路，其特征在于它包括一絕緣柵雙極晶體管、一斜率與峰值綜合控制電路、一門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路和一主電路；所述絕緣柵雙極晶體管的門(mén)極并聯(lián)連接所述斜率與峰值綜合控制電路的輸出端和所述門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路的一輸出端，所述斜率與峰值綜合控制電路的輸入端并聯(lián)連接所述絕緣柵雙極晶體管的集電極和所述主電路的一輸入端；所述門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路的另一輸出端并聯(lián)連接所述絕緣柵雙極晶體管的發(fā)射極和所述主電路的另一輸入端。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種用于絕緣柵雙極晶體管的斜率與峰值綜合控制電路，其特 征在于所述斜率與峰值綜合控制電路包括三個(gè)電阻、兩個(gè)電容、一個(gè)二極管和一個(gè)以上的 齊納二極管；第一個(gè)所述電阻的一端并聯(lián)連接第三個(gè)所述電阻的一端和所述絕緣柵雙極晶 體管的集電極，另一端經(jīng)串聯(lián)第一個(gè)所述電容后，并聯(lián)連接所述二極管的陰極和所述絕緣 柵雙極晶體管的門(mén)極；第三個(gè)所述電阻的另一端依次與全部所述齊納二極管反向串聯(lián)，最 后一個(gè)所述齊納二極管的兩端分別并聯(lián)連接第二個(gè)所述電阻和第二個(gè)所述電容，第一個(gè)所 述齊納二極管的陽(yáng)極串聯(lián)連接所述二極管的陽(yáng)極。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種用于絕緣柵雙極晶體管的斜率與峰值綜合控制電路，其特 征在于所述主電路連接一個(gè)以上串聯(lián)連接的所述絕緣柵雙極晶體管，每個(gè)所述絕緣柵雙 極晶體管對(duì)應(yīng)連接一個(gè)所述斜率與峰值綜合控制電路和一個(gè)所述門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路。
4. 如權(quán)利要求2所述的一種用于絕緣柵雙極晶體管的斜率與峰值綜合控制電路，其特 征在于所述主電路連接一個(gè)以上串聯(lián)連接的所述絕緣柵雙極晶體管，每個(gè)所述絕緣柵雙 極晶體管對(duì)應(yīng)連接一個(gè)所述斜率與峰值綜合控制電路和一個(gè)所述門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路。
5. 如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種用于絕緣柵雙極晶體管的斜率與峰值綜合控 制電路，其特征在于所述齊納二極管的個(gè)數(shù)由所述絕緣柵雙極晶體管的集-射電壓峰值 的參考值和單只所述齊納二極管的啟動(dòng)電壓值確定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于絕緣柵雙極晶體管的斜率與峰值綜合控制電路，其特征在于它包括一絕緣柵雙極晶體管、一斜率與峰值綜合控制電路、一門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路和一主電路；絕緣柵雙極晶體管的門(mén)極并聯(lián)連接斜率與峰值綜合控制電路的輸出端和門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路的一輸出端，斜率與峰值綜合控制電路的輸入端并聯(lián)連接絕緣柵雙極晶體管的集電極和主電路的一輸入端；門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路的另一輸出端并聯(lián)連接絕緣柵雙極晶體管的發(fā)射極和主電路的另一輸入端。本發(fā)明由于采用了電阻、電容和齊納二極管等簡(jiǎn)單的小型元器件構(gòu)成了斜率與峰值綜合控制電路，并直接跨接在絕緣柵雙極晶體管的集電極和門(mén)極之間，因此實(shí)現(xiàn)了電路拓?fù)浜?jiǎn)單的特點(diǎn)，提高了電路的可靠性。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于電力電子領(lǐng)域的各種設(shè)備中。
文檔編號(hào)H03K17/56GK101741361SQ20091023766
公開(kāi)日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2009年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月13日
發(fā)明者劉博超, 姜齊榮, 張春朋, 童陸園 申請(qǐng)人:清華大學(xué)