一种IGBT关断电压尖峰抑制电路及相关设备

摘要

本申请公开了一种IGBT关断电压尖峰抑制电路及相关设备，可用于IGBT关断电压尖峰抑制技术领域，该电路包括：信号处理模块，电阻模块，绝缘栅双极型晶体管IGBT以及电压比较模块；信号处理模块、电阻模块、绝缘栅双极型晶体管IGBT以及电压比较模块串联。该电路可以针对绝缘栅双极型晶体管IGBT关断过程中的不同阶段提供不同的阻抗，控制绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极电流下降速度，从而达到控制绝缘栅双极型晶体管IGBT的关断速度，抑制绝缘栅双极型晶体管IGBT关断过程中的电压尖峰的效果，降低由于IGBT关断尖峰导致IGBT被过压击穿的可能，提高IGBT的可靠性。

权利要求

1.一种IGBT关断电压尖峰抑制电路，其特征在于，所述电路包括：信号处理模块，电阻模块，绝缘栅双极型晶体管IGBT以及电压比较模块；

所述信号处理模块、所述电阻模块、所述绝缘栅双极型晶体管IGBT以及所述电压比较模块串联；

所述信号处理模块，用于基于获取到的关断信号，控制所述电阻模块接入所述IGBT关断电压尖峰抑制电路的阻抗；所述关断信号包括第一关断信号、第二关断信号以及第三关断信号；当获取到所述第二关断信号时，所述信号处理模块开始进行计时，当所述计时的时长等于预设时长时，触发所述第三关断信号；所述预设时长大于或等于所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的关断过程中电压尖峰持续时长；

所述电压比较模块，用于比较所述绝缘栅双极型晶体管IGBT发射极与集电极间的电压与预设参考电压的大小，若所述绝缘栅双极型晶体管IGBT发射极与集电极间的电压大于所述预设参考电压，则向所述信号处理模块输入触发信号；所述触发信号用于触发所述第二关断信号；

所述电阻模块，包括：第一电阻单元和第二电阻单元；所述第一电阻单元的第一端和所述第二电阻单元的第一端连接所述信号处理模块，所述第一电阻单元的第二端和所述第二电阻单元的第二端连接所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极；

所述第一电阻单元，用于当所述信号处理模块接收到所述第一关断信号或所述第三关断信号时，响应于所述信号处理模块的控制接入所述IGBT关断电压尖峰抑制电路；

所述第二电阻单元，用于当所述信号处理模块接收到所述第二关断信号或所述第三关断信号时，响应于所述信号处理模块的控制接入所述IGBT关断电压尖峰抑制电路；

所述第一电阻单元提供的阻抗小于所述第二电阻单元提供的阻抗。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一电阻单元，包括：第一电阻和第一开关；

所述第一开关的第一端连接所述信号处理模块的第一端，所述第一开关的第二端连接所述第一电阻的第一端，所述第一电阻的第二端连接所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第二电阻单元，包括：第二电阻和第二开关；

所述第二开关的第一端连接所述信号处理模块的第二端，所述第二开关的第二端连接所述第二电阻的第一端，所述第二电阻的第二端连接所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电压比较模块，包括：电压比较器、电压源和保护单元；

所述电压比较器的第一输入端连接所述电压源的第一端，所述电压源的第二端接地，所述电压比较器的第二输入端连接所述保护单元的第一端，所述保护单元的第二端连接所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极；

所述保护单元，用于保护所述电压比较器；

所述电压源，用于提供预设参考电压；

所述电压比较器，用于比较所述绝缘栅双极型晶体管IGBT发射极与集电极间的电压与所述预设参考电压的大小，若所述绝缘栅双极型晶体管IGBT发射极与集电极间的电压大于所述预设参考电压，则向所述信号处理模块输入触发信号；所述触发信号用于触发所述第二关断信号。

5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述保护单元，包括：电流源和二极管；

所述二极管的正极连接所述电压比较器的第一输入端，所述二极管的负极连接所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极，所述电流源连接所述二极管的正极。

6.一种变频器，其特征在于，所述变频器包括所述权利要求1至5中任一项所述的IGBT关断电压尖峰抑制电路。

说明书

一种IGBT关断电压尖峰抑制电路及相关设备

技术领域

[0001] 本申请涉及IGBT关断电压尖峰抑制技术领域，特别是涉及一种IGBT关断电压尖峰抑制电路及相关设备。

背景技术

[0002] 随着工业自动化程度的不断提高，变频器得到了非常广泛的应用，而IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)作为变频器的核心器件也越来越受到关注。

[0003] IGBT关断过程中，回路中的杂散电感无法避免，而正是由于杂散电感的存在，使得IGBT关断的过程中会存在感生电压，该感生电压与母线电压相互叠加形成电压尖峰，并作用在IGBT的集电极和发射极之间，当电压尖峰超出器件的安全工作区时，器件应用过程会因为电应力过高而存在失效风险。

[0004] 目前，常采用瞬态二极管（Transient Voltage Suppressor, TVS）有源钳位的方式抑制IGBT关断电压尖峰。然而，由于TVS损耗大，选型困难，当钳位电压设计不合理时会引起的误操作与失去钳位作用等问题，无法有效抑制IGBT关断电压尖峰。

[0005] 由此，如何提供一种可以有效抑制IGBT关断电压尖峰的电路，提高IGBT的可靠性，是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

[0006] 基于上述问题，本申请提供了一种IGBT关断电压尖峰抑制电路及相关设备，可以有效抑制IGBT关断电压尖峰，提高IGBT的可靠性。

[0007] 本申请实施例公开了如下技术方案：

[0008] 第一方面，本申请提供了一种IGBT关断电压尖峰抑制电路，所述电路包括：信号处理模块，电阻模块，绝缘栅双极型晶体管IGBT以及电压比较模块；

[0009] 所述信号处理模块、所述电阻模块、所述绝缘栅双极型晶体管IGBT以及所述电压比较模块串联；

[0010] 所述信号处理模块，用于基于获取到的关断信号，控制所述电阻模块接入所述IGBT关断电压尖峰抑制电路的阻抗；所述关断信号包括第一关断信号、第二关断信号以及第三关断信号；

[0011] 所述电压比较模块，用于比较所述绝缘栅双极型晶体管IGBT发射极与集电极间的电压与预设参考电压的大小，若所述绝缘栅双极型晶体管IGBT发射极与集电极间的电压大于所述预设参考电压，则向所述信号处理模块输入触发信号；所述触发信号用于触发所述第二关断信号。

[0012] 可选地，所述电阻模块，包括：第一电阻单元和第二电阻单元；

[0013] 所述第一电阻单元的第一端和所述第二电阻单元的第一端连接所述信号处理模块，所述第一电阻单元的第二端和所述第二电阻单元的第二端连接所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极；

[0014] 所述第一电阻单元，用于当所述信号处理模块接收到所述第一关断信号或所述第三关断信号时，响应于所述信号处理模块的控制接入所述IGBT关断电压尖峰抑制电路；

[0015] 所述第二电阻单元，用于当所述信号处理模块接收到所述第二关断信号或所述第三关断信号时，响应于所述信号处理模块的控制接入所述IGBT关断电压尖峰抑制电路。

[0016] 可选地，所述第一电阻单元，包括：第一电阻和第一开关；

[0017] 所述第一开关的第一端连接所述信号处理模块的第一端，所述第一开关的第二端连接所述第一电阻的第一端，所述第一电阻的第二端连接所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极。

[0018] 可选地，所述第二电阻单元，包括：第二电阻和第二开关；

[0019] 所述第二开关的第一端连接所述信号处理模块的第二端，所述第二开关的第二端连接所述第二电阻的第一端，所述第二电阻的第二端连接所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极。

[0020] 可选地，所述第一电阻单元提供的阻抗小于所述第二电阻单元提供的阻抗。

[0021] 可选地，所述电压比较模块，包括：电压比较器、电压源和保护单元；

[0022] 所述电压比较器的第一输入端连接所述电压源的第一端，所述电压源的第二端接地，所述电压比较器的第二输入端连接所述保护单元的第一端，所述保护单元的第二端连接所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极；

[0023] 所述保护单元，用于保护所述电压比较器；

[0024] 所述电压源，用于提供预设参考电压；

[0025] 所述电压比较器，用于比较所述绝缘栅双极型晶体管IGBT发射极与集电极间的电压与所述预设参考电压的大小，若所述绝缘栅双极型晶体管IGBT发射极与集电极间的电压大于所述预设参考电压，则向所述信号处理模块输入触发信号；所述触发信号用于触发所述第二关断信号。

[0026] 可选地，所述保护单元，包括：电流源和二极管；

[0027] 所述二极管的正极连接所述电压比较器的第一输入端，所述二极管的负极连接所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极，所述电流源连接所述二极管的正极。

[0028] 第二方面，本申请提供了一种变频器，所述变频器包括上述第一方面中任一项所述的IGBT关断电压尖峰抑制电路。

[0029] 相较于现有技术，本申请具有以下有益效果：

[0030] 本申请提供了一种IGBT关断电压尖峰抑制电路，该电路包括：信号处理模块，电阻模块，绝缘栅双极型晶体管IGBT以及电压比较模块；信号处理模块、电阻模块、绝缘栅双极型晶体管IGBT以及电压比较模块串联；信号处理模块，用于基于获取到的关断信号，控制电阻模块接入IGBT关断电压尖峰抑制电路的阻抗；关断信号包括第一关断信号、第二关断信号以及第三关断信号；电压比较模块，用于比较绝缘栅双极型晶体管IGBT发射极与集电极间的电压与预设参考电压的大小，若绝缘栅双极型晶体管IGBT发射极与集电极间的电压大于预设参考电压，则向信号处理模块输入触发信号；触发信号用于触发第二关断信号。由此，可以针对绝缘栅双极型晶体管IGBT关断过程中的不同阶段提供不同的阻抗，控制绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极电流下降速度，从而达到控制绝缘栅双极型晶体管IGBT的关断速度，抑制绝缘栅双极型晶体管IGBT关断过程中的电压尖峰的效果，降低由于IGBT关断尖峰导致IGBT被过压击穿的可能，提高IGBT的可靠性。

附图说明

[0031] 为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，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。

[0032] 图1为本申请实施例提供的一种IGBT关断电压尖峰抑制电路示意图；

[0033] 图2为本申请实施例提供的另一种IGBT关断电压尖峰抑制电路示意图；

[0034] 图3为本申请实施例提供的又一种IGBT关断电压尖峰抑制电路示意图；

[0035] 图4为本申请实施例提供的再一种IGBT关断电压尖峰抑制电路示意图。

具体实施方式

[0036] 本申请实施例提供了一种IGBT关断电压尖峰抑制电路及相关设备，可以有效抑制IGBT关断电压尖峰，提高IGBT的可靠性。

[0037] 在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

[0038] 当然，上述术语的解释仅为方便理解而做出，而不具有任何限制含义。

[0039] 正如前文描述，目前常采用瞬态二极管（Transient Voltage Suppressor, TVS）有源钳位的方式抑制IGBT关断电压尖峰。然而，由于TVS损耗大，选型困难，当钳位电压设计不合理时会引起的误操作与失去钳位作用等问题，无法有效抑制IGBT关断电压尖峰。

[0040] 有鉴于此，本申请提供了一种IGBT关断电压尖峰抑制电路，该电路包括：信号处理模块，电阻模块，绝缘栅双极型晶体管IGBT以及电压比较模块；其中，信号处理模块，用于基于获取到的关断信号，控制电阻模块接入IGBT关断电压尖峰抑制电路的阻抗；关断信号包括第一关断信号、第二关断信号以及第三关断信号；电压比较模块，用于比较绝缘栅双极型晶体管IGBT发射极与集电极间的电压与预设参考电压的大小，若绝缘栅双极型晶体管IGBT发射极与集电极间的电压大于预设参考电压，则向信号处理模块输入触发信号；触发信号用于触发第二关断信号。由此，可以针对绝缘栅双极型晶体管IGBT关断过程中的不同阶段提供不同的阻抗，控制绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极电流下降速度，从而达到控制绝缘栅双极型晶体管IGBT的关断速度，抑制绝缘栅双极型晶体管IGBT关断过程中的电压尖峰的效果。

[0041] 为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

[0042] 参见图1，该图为本申请实施例提供的一种IGBT关断电压尖峰抑制电路示意图，该电路包括：信号处理模块，电阻模块，绝缘栅双极型晶体管IGBT以及电压比较模块。

[0043] 信号处理模块、电阻模块、绝缘栅双极型晶体管IGBT以及电压比较模块串联。

[0044] 示例性地，电阻模块的第一端以及电压比较模块的第二端连接信号处理模块，电阻模块的第二端连接绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极，绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极连接电压比较模块的第一端。

[0045] 信号处理模块，用于基于获取到的关断信号，控制电阻模块接入IGBT关断电压尖峰抑制电路的阻抗。

[0046] 示例性地，关断信号可以包括第一关断信号、第二关断信号以及第三关断信号。其中，第一关断信号可以是处理器向信号处理模块输入的脉冲宽度调制（Pulse width modulation, PWM）信号由高电平变为低电平的信号，用于指示开始执行绝缘栅双极型晶体管IGBT的关断，此时，可以控制电阻模块接入IGBT关断电压尖峰抑制电路的阻抗为第一阻抗；第二关断信号可以被电压比较模块输入的触发信号触发，此时绝缘栅双极型晶体管IGBT发射极与集电极间的电压大于预设参考电压，可以控制电阻模块接入IGBT关断电压尖峰抑制电路的阻抗为第二阻抗；第三关断信号可以在第二关断信号被触发后经过一定时间自动触发，此时可以认为IGBT关断电压尖峰已结束，可以控制电阻模块接入IGBT关断电压尖峰抑制电路的阻抗为第三阻抗。

[0047] 电压比较模块，用于比较绝缘栅双极型晶体管IGBT发射极与集电极间的电压与预设参考电压的大小，若绝缘栅双极型晶体管IGBT发射极与集电极间的电压大于预设参考电压，则向信号处理模块输入触发信号。

[0048] 示例性地，触发信号用于触发第二关断信号。第一阻抗接入IGBT关断电压尖峰抑制电路后，绝缘栅双极型晶体管IGBT发射极与集电极间的电压VCE将开始升高。电压比较模块中可以预先设定一参考电压VCE_REF，示例性地，VCE_REF可以设定为母线电压，也可以根据实际需求进行其他设定。

[0049] IGBT关断过程中，绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极由正电压降至0或负电压，这时，器件内的导电沟道会慢慢消失，其栅极的电流逐渐减小，发射极与集电极间的电压VCE将在一段时间内先持续升高再降低，形成电压尖峰，而电压尖峰的大小与电流的下降速率有关，电流的下降速率主要与关断速度有关。为避免由于第一阻抗较小使得关断速度过快，继而VCE过大导致绝缘栅双极型晶体管IGBT被过压击穿，当电压比较模块检测到VCE大于VCE_REF时，电压检测模块向信号处理模块输入触发信号，触发信号用于触发第二关断信号，触发第二关断信号可以控制电阻模块接入IGBT关断电压尖峰抑制电路的阻抗为第二阻抗，第二阻抗可以大于第一阻抗，从而实现减缓IGBT关断速度。

[0050] 作为示例，信号处理模块中可以预先配置预设时长，在信号处理模块获取第二关断信号或控制电阻模块接入IGBT关断电压尖峰抑制电路的阻抗为第二阻抗时开始进行计时，经过预设时长，可以控制电阻模块接入IGBT关断电压尖峰抑制电路的阻抗为第三阻抗。其中，第三阻抗可以小于第二阻抗，预设时长可以大于或等于预测的电压尖峰持续时长。

[0051] 由此，本申请实施例提供了一种IGBT关断电压尖峰抑制电路，可以针对绝缘栅双极型晶体管IGBT关断过程中的不同阶段提供不同的阻抗，控制绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极电流下降速度，从而达到控制绝缘栅双极型晶体管IGBT的关断速度，抑制绝缘栅双极型晶体管IGBT关断过程中的电压尖峰的效果，降低由于IGBT关断尖峰导致IGBT被过压击穿的可能，提高IGBT的可靠性。

[0052] 参见图2，该图为本申请实施例提供的另一种IGBT关断电压尖峰抑制电路示意图，该电路中，电阻模块可以包括第一电阻单元和第二电阻单元，电压比较模块可以包括电压比较器、电压源和保护单元。

[0053] 第一电阻单元的第一端和第二电阻单元的第一端连接信号处理模块，第一电阻单元的第二端和第二电阻单元的第二端连接绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极；电压比较器的第一输入端连接电压源的第一端，电压源的第二端接地，电压比较器的第二输入端连接保护单元的第一端，保护单元的第二端连接绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极。

[0054] 示例性地，第一电阻单元，用于当信号处理模块接收到第一关断信号或第三关断信号时，响应于信号处理模块的控制接入IGBT关断电压尖峰抑制电路；第二电阻单元，用于当信号处理模块接收到第二关断信号或第三关断信号时，响应于信号处理模块的控制接入IGBT关断电压尖峰抑制电路。

[0055] 具体地，第一电阻单元可以包括第一电阻R1和第一开关Q1，第一开关的第一端连接信号处理模块的第一端，第一开关的第二端连接第一电阻的第一端，第一电阻的第二端连接绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极。第二电阻单元可以包括第二电阻R2和第二开关Q2，第二开关的第一端连接信号处理模块的第二端，第二开关的第二端连接第二电阻的第一端，第二电阻的第二端连接绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极。

[0056] 当信号处理模块获取到第一关断信号时，控制第一电阻接入IGBT关断电压尖峰抑制电路，提供第一阻抗；当信号处理模块获取到第二关断信号时，控制第二电阻接入IGBT关断电压尖峰抑制电路，提供第二阻抗，第二阻抗大于第一阻抗；当信号处理模块获取到第三关断信号时，控制第一电阻和第二电阻同时接入IGBT关断电压尖峰抑制电路，第一电阻和第二电阻并联，提供第三阻抗，第三阻抗小于第二阻抗。

[0057] 可选地，第一开关可以为MOS管或三极管，第二开关可以为MOS管或三极管。由此，信号处理模块可以通过将第一开关Q1的门极控制信号GQ1拉高使得第一电阻接入IGBT关断电压尖峰抑制电路；通过将第二开关Q2的门极控制信号GQ2拉高使得第二电阻接入IGBT关断电压尖峰抑制电路；通过在第二电阻已接入IGBT关断电压尖峰抑制电路的情况下，再次将第一开关Q1的门极控制信号GQ1拉高，使得第一电阻和第二电阻同时接入IGBT关断电压尖峰抑制电路。

[0058] 示例性地，保护单元，用于保护电压比较器；电压源DC，用于提供预设参考电压；电压比较器U1，用于比较绝缘栅双极型晶体管IGBT发射极与集电极间的电压与预设参考电压的大小，若绝缘栅双极型晶体管IGBT发射极与集电极间的电压大于预设参考电压，则向信号处理模块输入触发信号；触发信号用于触发第二关断信号。

[0059] 参见图3，该图为本申请实施例提供的又一种IGBT关断电压尖峰抑制电路示意图，该电路中，保护单元可以包括：电流源iS1和二极管D1。

[0060] 二极管的正极连接电压比较器的第一输入端，二极管的负极连接绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极，电流源连接二极管的正极。

[0061] 具体地，由于HV+和HV‑是有高压的，假设HV+和HV‑之间的电压差为1000V；而图示中两个绝缘栅双极型晶体管IGBT是轮流导通的，即Q3和Q4是轮流导通的。当Q4导通、Q3截止时，Q3的VCE电压时1000V，这样，二极管D1可以起到阻断高压的作用，保护电压比较器U1不被高压击穿；当Q4截止、Q3导通时，Q3的VCE电压为饱和压降VCE_sat，电压比较器的输入电压VCE_DE即为二极管压降VF_D1与Q3的VCE电压VCE_sat之和，从而可以在Q3的关断过程中检测Q3的VCE电压。

[0062] 参见图4，该图为本申请实施例提供的再一种IGBT关断电压尖峰抑制电路示意图，该电路中，保护单元可以包括：保护电阻。

[0063] 具体地，保护电阻可以包括第一保护电阻R3和第二保护电阻R4，R3与R4串联后，与Q3并联。其起保护作用的原理具体可以参照上述二极管起保护作用的原理。

[0064] 本申请还提供了一种变频器，该变频器包括上述IGBT关断电压尖峰抑制电路。

[0065] 需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于变频器这一实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的变频器这一实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元提示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

[0066] 以上所述，仅为本申请的一种具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。