[實用新型]一種絕緣柵雙極型晶體管的有源鉗位電路

有效

• 申請號: 201320677699.6
• 申請日: 2013-10-29
• 公開（公告）號: CN203645530U
• 公開（公告）日: 2014-06-11
• 發明（設計）人: 陳青昌
• 申請（專利權）人: 上海聯影醫療科技有限公司
• 主分類號: H02M1/08
• 分類號: H02M1/08
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 吳靖靚;駱蘇華

技術領域

本實用新型涉及絕緣柵雙極型晶體管的驅動設計領域，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

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點，因而既具有場效應晶體管器件驅動簡單和快速的優點，又具有雙極型晶體管器件容量大的優點，在現代電力電子技術中得到了越來越廣泛的應用。

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GTO，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，電源作為系統的前級，由于受電網波動、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節。

圖1為一種絕緣柵雙極型晶體管10的結構示意圖，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、發射極e和柵極g，其中，集電極c連接至母線電壓Vbus，發射極e浮地或接地，集電極c的連線上還等效有寄生電感Lo。絕緣柵雙極型晶體管10有以下優點：高輸入阻抗，電壓控制，驅動功率小，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，安全工作區較寬。

當絕緣柵雙極型晶體管10柵極關斷時，集電極c至發射極e的電流I_ce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I_ce急劇減少導致寄生電感Lo的兩端產生尖峰電壓ΔV，滿足ΔV=L*(dI_ce/dt)，其中，L為寄生電感Lo的等效電感。圖2示意了電流I_ce在t1時刻至t2時刻的電流曲線示意圖，圖3示意了寄生電感Lo兩端的電壓V_L在在t1時刻至t2時刻的電壓曲線示意圖。可見圖2中，在絕緣柵雙極型晶體管10柵極關斷的T_m時刻，電流I_ce急劇減少，而圖3中，因T_m時刻電流I_ce急劇減少，導致寄生電感Lo在T_m時刻后兩端產生尖峰電壓ΔV。

在上述情況發生時，寄生電感Lo兩端所產生的尖峰電壓ΔV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和發射極e之間，當集電極c和發射極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。

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動設計的必須考慮因素。

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射極之間的電壓，避免上述尖峰電壓的產生，現有技術提供了一種絕緣柵雙極型晶體管的有源鉗位電路。

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dI_ce/dt在線路寄生電感上產生電壓尖峰，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驅動設計中經常使用的一種電路。

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：

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，即瞬態電壓抑制器)管20。

當絕緣柵雙極型晶體管10關斷時，集電極c和發射極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至發射極e的電流I_ce從而能夠緩慢減少，避免形成等效電感Lo兩端的尖峰電壓。