CN210167814U - 一种新型有源钳位功能电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种新型有源钳位功能电路，包括NPN推挽三极管Q1、PNP推挽三极管Q2、IGBT、TVS二极管Z1、防反二极管D1、推挽前级驱动电阻R1、栅极驱动电阻R2、滤波电阻R3、电容C1—C3、PWM信号发生器。通过在二极管链中加入一个电容C1来阻断直流电压分量，当电容两端未发生电压瞬变时，不会导致IGBT不可控而开通。本实用新型电路原理简单，反应速度快，降低有源钳位电路使用风险，提高功能电路的有效性，相比于传统的有源钳位，将会更早地重新打开栅极，改善关断大电流时的过电压明显，因为电容两端瞬变产生的位移电流主要与电容量及电压变化率相关，故不需要深度钳位，亦没有减弱有源钳位的有效性。
Description
技术领域
本实用新型涉及电路领域，特别是涉及一种新型有源钳位功能电路。
背景技术
传统有源钳位电路工作原理简单，可有效改善关断大电流时的过电压，但在某些特定工况下，直流母线电压可能升高，导致IGBT会以一种不可控的方式开通。当主功率换流通路存在较大的杂散电感或关断时的di/dt很高，会导致电压过冲，可能超过IGBT的击穿电压并损坏。一种保护IGBT免受过冲损坏的方法就是有源钳位。目前常见的有源钳位电路形式包括两种：直接反馈到栅极的有源钳位；反馈到驱动控制的有源钳位。
直接反馈到栅极的有源钳位电路如图1所示，图中A点-集电极、B点-TVS二极管阳极、C点-IGBT栅极、D点-推挽三极管发射极、E点-IGBT发射极(驱动电源地电位)、F点-驱动电源负。在栅极关断过程，Q1关断、Q2开通，导致栅极D点电位≈F点电位。当V(AB)＝V(AE)-V(CE)-V(BC)＞TVS管最低击穿电压时，产生击穿电流路径如图所示，则栅极V(CE)放电电流减小，关断过程中的di/dt减小。因栅极电阻较小，故一般所需钳位电流较高且若再生能量导致V(AB)在正常状态也高于TVS管最低击穿电压，则TVS管持续击穿，直至IGBT开通。
直接反馈到栅极的有源钳位在某些特定的情况下反应太慢，需要深度钳位。否则直到栅极电压降低到门槛电压以下才起作用，会带来再次开通IGBT的风险，这种现象有可能损坏IGBT。为了减少关断过程中的di/dt，并防止再次开通IGBT，必须产生大电流。故电路选取的TVS二极管和阻断二极管需满足这些脉冲电流的需求，这类功能强大的二极管价格较贵。
反馈到驱动控制的有源钳位电路如图2所示，图中A点-集电极、B点-TVS二极管阳极、C点-推挽三极管基极、D点-驱动信号输出、E点-驱动电源负、F点-推挽三极管发射极。在栅极关断过程，D点电位≈E点电位。当V(AB)＝V(AE)-V(CE)-V(BC)＞TVS管最低击穿电压时，击穿电流路径如图所示，则推挽三极管基极V(CE)放电电流减小，关断过程中的di/dt减小。因基极电阻较大，故一般所需钳位电流较低。但与1相同若再生能量导致V(AB)在正常状态也高于TVS管最低击穿电压，则TVS管持续击穿，直至IGBT开通。
反馈到驱动控制的有源钳位是更加简单的方案，把信号反馈到可控栅极驱动的栅极，只需较低的钳位深度，因前级推挽驱动电阻比IGBT栅极电阻高很多，所以只需一小部分电流就能产生足够的电压来打开前级推挽驱动，改善关断过电压。因为通过二极管的电流很低，可以用更便宜的二极管，且电路反应快。
但与直接反馈到栅极的有源钳位电路相同，在某些特定工况下，当直流母线电压值升高以致超过TVS二极管的击穿电压，仍低于IGBT阻断电压时，存在IGBT损坏风险。例如：当变频器用于电机控制系统在直流母线断路的条件下，停止工作会导致母线支撑电容电压泵升，再生能量无法耗散，通过有源钳位TVS二极管的电流可能会过载且导致IGBT驱动器的损坏。因此在类似的应用中，需要确保有源钳位不被持续激活，IGBT不会以一种不可控的方式偏置而开通。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种新型有源钳位功能电路，能够阻断直流电压分量，保护IGBT免受损坏。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是：提供一种新型有源钳位功能电路，包括NPN推挽三极管Q1、PNP推挽三极管Q2、IGBT、TVS二极管Z1、防反二极管D1、推挽前级驱动电阻R1、栅极驱动电阻R2、滤波电阻R3、电容C1—C3、PWM信号发生器；
所述NPN推挽三极管Q1的基极与PNP推挽三极管Q2的基极并联，推挽前级驱动电阻R1的一端与PWM信号发生器的输出端连接、另一端与NPN推挽三极管Q1的基极连接，NPN推挽三极管Q1的集电极连接电源正极、发射极与栅极驱动电阻R2的一端连接，PNP推挽三极管Q2的集电极连接电源负极、发射极与NPN推挽三极管Q1的发射极连接，栅极驱动电阻R2的另一端与IGBT的门极连接；
所述IGBT的集电极与门极之间串联有TVS二极管Z1、电容C1、防反二极管D1，电容C1的两端分别连接TVS二极管Z1与防反二极管D1的正极，IGBT的门极与发射极之间连接有由滤波电阻R3与电容C2组成的RC滤波电路，电容C3的一端连接PNP推挽三极管Q2的集电极、另一端连接IGBT的发射极。
在本实用新型一个较佳实施例中，所述电容C1为隔直电容。
本实用新型的有益效果是：
(1)本实用新型电路原理简单，反应速度快，降低有源钳位电路使用风险，提高功能电路的有效性，相比于传统的有源钳位，将会更早地重新打开栅极，改善关断大电流时的过电压明显；
(2)当再生能量导致直流母线电压泵升，进而导致IGBT正常工作时会激活有源钳位，该电路通过在二极管链中加入一个电容来阻断直流电压分量，当电容两端未发生电压瞬变时，不会导致IGBT不可控而开通；
(3)因为电容两端瞬变产生的位移电流主要与电容量及电压变化率相关，故不需要深度钳位，亦没有减弱有源钳位的有效性。
附图说明
图1是所述直接反馈到栅极的有源钳位电路图；
图2是所述反馈到驱动控制的有源钳位电路图；
图3是本实用新型一种新型有源钳位功能电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图3，本实用新型实施例包括：
一种新型有源钳位功能电路，主要应用于电机控制领域，包括NPN推挽三极管Q1、PNP推挽三极管Q2、IGBT、TVS二极管Z1、防反二极管D1、推挽前级驱动电阻R1、栅极驱动电阻R2、滤波电阻R3、电容C1—C3、PWM信号发生器。
所述NPN推挽三极管Q1的基极与PNP推挽三极管Q2的基极并联，推挽前级驱动电阻R1的一端与PWM信号发生器的输出端OUT连接、另一端与NPN推挽三极管Q1的基极连接，NPN推挽三极管Q1的集电极连接电源正极、发射极与栅极驱动电阻R2的一端连接，PNP推挽三极管Q2的集电极连接电源负极、发射极与NPN推挽三极管Q1的发射极连接，栅极驱动电阻R2的另一端与IGBT的门极连接；
所述IGBT的集电极与门极之间串联有TVS二极管Z1、电容C1、防反二极管D1，电容C1的两端分别连接TVS二极管Z1与防反二极管D1的正极，IGBT的门极与发射极之间连接有由滤波电阻R3与电容C2组成的RC滤波电路，电容C3的一端连接PNP推挽三极管Q2的集电极、另一端连接IGBT的发射极。
进一步的，所述电容C1为隔直电容。
图中A点-集电极、B点-TVS二极管阳极、C点-防反二极管阳极、D点-IGBT栅极、E点-推挽三极管发射极、F点-IGBT发射极、G点-驱动电源负。在栅极关断过程，E点电位≈G点电位。当V(AB)＝V(AF)-V(DF)-V(BC)-V(CD)＞TVS管最低击穿电压时，B-C点电压瞬变产生位移电流路径如图所示，则IGBT栅极V(DF)放电电流减小，关断过程中的di/dt减小。此位移电流与电容值及电压变化率相关。与直接反馈到栅极的有源钳位电路、反馈到驱动控制的有源钳位电路不同，若再生能量导致V(AB)在正常状态也高于TVS管最低击穿电压，但电容阻断了直流电压分量，未产生电压变化瞬变，不会导致IGBT不可控而开通。
该电路的电路原理简单，就是在负载电流明显降低之前，保持MOS通道开通，允许自由电子和空穴电流通过。改进的主要内容为防止IGBT持续性开通，需要在二极管链中加入一个电容来阻断直流电压分量，在不减弱有源钳位有效性的基础上保护IGBT免受损坏。
当IGBT集电极-发射极间电压超过TVS二极管的击穿电压时，由于电容的作用，电压瞬变dVce/dt产生位移电流，Iac＝Cac*(dVce/dt)。这种情况下，一旦达到触发电压，相比传统有源钳位，将会更早地打开IGBT栅极且钳位深度较浅。当出现直流母线电压泵升的工况，虽达到TVS二极管触发电压，但是电容两端未出现高斜率电压瞬变，隔断直流分量，确保IGBT未不可控开通。由于需要隔断直流电压，所以电容必须要有足够的绝缘等级，容量可在nf级别。
以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
Claims (2)
1.一种新型有源钳位功能电路，其特征在于，包括NPN推挽三极管Q1、PNP推挽三极管Q2、IGBT、TVS二极管Z1、防反二极管D1、推挽前级驱动电阻R1、栅极驱动电阻R2、滤波电阻R3、电容C1—C3、PWM信号发生器；
所述NPN推挽三极管Q1的基极与PNP推挽三极管Q2的基极并联，推挽前级驱动电阻R1的一端与PWM信号发生器的输出端连接、另一端与NPN推挽三极管Q1的基极连接，NPN推挽三极管Q1的集电极连接电源正极、发射极与栅极驱动电阻R2的一端连接，PNP推挽三极管Q2的集电极连接电源负极、发射极与NPN推挽三极管Q1的发射极连接，栅极驱动电阻R2的另一端与IGBT的门极连接；
所述IGBT的集电极与门极之间串联有TVS二极管Z1、电容C1、防反二极管D1，电容C1的两端分别连接TVS二极管Z1与防反二极管D1的正极，IGBT的门极与发射极之间连接有由滤波电阻R3与电容C2组成的RC滤波电路，电容C3的一端连接PNP推挽三极管Q2的集电极、另一端连接IGBT的发射极。
2.根据权利要求1所述的一种新型有源钳位功能电路，其特征在于，所述电容C1为隔直电容。
Priority Applications (1)
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| CN201921362192.5U CN210167814U (zh) | 2019-08-21 | 2019-08-21 | 一种新型有源钳位功能电路 |
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| CN201921362192.5U CN210167814U (zh) | 2019-08-21 | 2019-08-21 | 一种新型有源钳位功能电路 |
Publications (1)
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ID=69796033
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| CN201921362192.5U Active CN210167814U (zh) | 2019-08-21 | 2019-08-21 | 一种新型有源钳位功能电路 |
Country Status (1)
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| CN (1) | CN210167814U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118100380A (zh) * | 2024-04-29 | 2024-05-28 | 华羿微电子股份有限公司 | 一种bms有源钳位保护电路及芯片 |
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2019
- 2019-08-21 CN CN201921362192.5U patent/CN210167814U/zh active Active
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