[实用新型]一种绝缘栅双极型晶体管的有源钳位电路

说明书

技术领域

本实用新型涉及绝缘栅双极型晶体管的驱动设计领域，特别涉及一种绝缘栅双极型晶体管的有源钳位电路。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是由场效应晶体管(MOSFET)和双极型晶体管(PNP晶体)复合而成的一种器件，其输入极为场效应晶体管，输出极为双极型晶体管，其中，场效应晶体管用于控制双极型晶体管。绝缘栅双极型晶体管融和了场效应晶体管和双极型晶体管这两种器件的优点，因而既具有场效应晶体管器件驱动简单和快速的优点，又具有双极型晶体管器件容量大的优点，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用。

在中高功率电源装置中，绝缘栅双极型晶体管由于其控制驱动电路简单、工作频率较高、容量较大的特点，已逐步取代晶闸管或GTO，成为中高功率电源装置中最常用的功率半导体器件。但是在电源装置中，由于它工作在高频与高电压、大电流的条件下，容易损坏；另外，电源作为系统的前级，由于受电网波动、雷击等原因的影响使得它所承受的应力更大，故绝缘栅双极型晶体管的可靠性直接关系到电源的可靠性。一般地，在选择绝缘栅双极型晶体管时除了要作降额考虑外，对绝缘栅双极型晶体管的保护设计也是电源设计时需要重点考虑的一个环节。

图1为一种绝缘栅双极型晶体管10的结构示意图，绝缘栅双极型晶体管10的输入部分为场效应晶体管、输出部分为电力晶体管，包括集电极c、发射极e和栅极g，其中，集电极c连接至母线电压Vbus，发射极e浮地或接地，集电极c的连线上还等效有寄生电感Lo。绝缘栅双极型晶体管10有以下优点：高输入阻抗，电压控制，驱动功率小，开关速度快、一般工作频率可达10～40kHz。饱和压降低，电压电流容量较大，安全工作区较宽。

当绝缘栅双极型晶体管10栅极关断时，集电极c至发射极e的电流I_ce急剧减少，这时，由于寄生电感Lo的电流方向不能突变，关断期间电流I_ce急剧减少导致寄生电感Lo的两端产生尖峰电压ΔV，满足ΔV=L*(dI_ce/dt)，其中，L为寄生电感Lo的等效电感。图2示意了电流I_ce在t1时刻至t2时刻的电流曲线示意图，图3示意了寄生电感Lo两端的电压V_L在在t1时刻至t2时刻的电压曲线示意图。可见图2中，在绝缘栅双极型晶体管10栅极关断的T_m时刻，电流I_ce急剧减少，而图3中，因T_m时刻电流I_ce急剧减少，导致寄生电感Lo在T_m时刻后两端产生尖峰电压ΔV。

在上述情况发生时，寄生电感Lo两端所产生的尖峰电压ΔV会和母线电压Vbus叠加后加载到绝缘栅双极型晶体管10的集电极c和发射极e之间，当集电极c和发射极e之间的电压值超过绝缘栅双极型晶体管10的额定电压(一般晶体管的额定电压小于晶体管的击穿电压)，那么绝缘栅双极型晶体管10被击穿的可能就会大大增加。

从上述分析可知，有效地减少尖峰电压对提高绝缘栅双极型晶体管的可靠性很有帮助，是对绝缘栅双极型晶体管驱动设计的必须考虑因素。

为了在绝缘栅双极型晶体管的栅极关断时，有效降低绝缘栅双极型晶体管集电极和发射极之间的电压，避免上述尖峰电压的产生，现有技术提供了一种绝缘栅双极型晶体管的有源钳位电路。

绝缘栅双极型晶体管的有源箝位电路是一种过压保护电路：在绝缘栅双极型晶体管在关断时，过高的dI_ce/dt在线路寄生电感上产生电压尖峰，所述电压尖峰叠加到绝缘栅双极型晶体管集电极和发射极，会导致绝缘栅双极型晶体管过压击穿，利用有源箝位电路则能在上述过程中对绝缘栅双极型晶体管实现过压保护。绝缘栅双极型晶体管的有源钳位电路是高级IGBT驱动设计中经常使用的一种电路。

如图4所示的一种绝缘栅双极型晶体管的有源箝位电路，包括：

如图1所示的绝缘栅双极型晶体管10，以及绝缘栅双极型晶体管10集电极c和栅极g之间连接的TVS(Transient Voltage Suppressor，即瞬态电压抑制器)管20。

当绝缘栅双极型晶体管10关断时，集电极c和发射极e之间的电压若超过TVS管20的动作电压时，TVS管20被击穿，且TVS管20输出电流至绝缘栅双极型晶体管10的栅极，使栅极上的驱动电压缓慢下降(也即使绝缘栅双极型晶体管10缓慢关断)，集电极c至发射极e的电流I_ce从而能够缓慢减少，避免形成等效电感Lo两端的尖峰电压。