一种IGBT模块的驱动电路及其驱动方法与流程

一种igbt模块的驱动电路及其驱动方法
技术领域
1.本发明涉及电子电路技术领域，具体涉及一种igbt模块的驱动电路及其驱动方法。


背景技术：

2.igbt过压击穿失效是工程应用中最为常见的失效机理之一，igbt芯片关断过程中产生的di/dt和应用回路中的寄生电感ls相乘(ls×
di/dt)得到关断过电压
△
v，该电压叠加到母线电压上，如果超过芯片的击穿电压，芯片过压失效，如图1所示。关断过电压失效在igbt过流及短路状态关断时最为严重，较大的电流关断使得di/dt很大，关断过电压
△
v很高，很容易导致igbt芯片过压失效。
3.igbt芯片击穿电压和温度成正比例关系，温度越低，击穿电压越低。相关测试表明，对于6500v等级的igbt芯片，温度每降低1℃，击穿电压降低10v，因此对于额定击穿电压为6500v(@25℃)的igbt芯片，在-55℃时击穿电压降低到5800v(@-55℃)，因此低温时极易出现关断过电压击穿失效现象。igbt芯片关断过程中的di/dt和温度关联不大，可以通过栅极关断电阻r
g(off)
进行调节，通常栅极电阻越大，关断速度越慢，di/dt越小，损耗越大。应用中栅极关断电阻r
g(off)
选择需要综合考虑关断损耗、关断过电压等参数，应用中为了降低关断损耗，栅极电阻通常选用较小值，以降低芯片工作结温，防止igbt芯片过温失效。然而较小的栅极电阻使得igbt在低温关断，特别是低温启停过程中极易出现关断过电压失效的风险。
4.如图2所示，现有igbt模块的驱动栅极电阻的开通电阻r
g(on)
及关断电阻r
g(off)
分开，其中开通电阻值为r
g1
及g
r2
并联，关断电阻为r
g1
，开通及关断电阻均为单级，未考虑关断电阻和温度的关系。因而，现有igbt模块栅极关断使用一级电阻，需要在关断损耗和关断过电压两方面进行折中考虑，很难同时满足极限温度的应用要求，降低了igbt模块的环境适用性，具有以下缺点：
5.1.高温应用中，igbt芯片过温失效风险增加，击穿电压升高，因此可以使用小的栅极关断电阻提高关断di/dt，降低关断损耗，降低芯片过热失效风险；
6.2.低温应用中，igbt芯片击穿电压降低，无过热失效风险，因此需要使用大的栅极关断电阻降低关断di/dt，降低关断过电压，降低芯片关断过压失效风险；
7.3.使用一级关断电阻，不考虑热敏电阻进行调节，这样很难同时满足高温低关断损耗，低温低关断过电压的要求，igbt模块温度适用性降低。
8.综上，行业内急需研发这一种能满足igbt芯片高温低关断损耗，低温低关断过电压的应用要求，温度适用性好的igbt模块驱动电路。


技术实现要素：

9.本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种igbt模块的驱动电路及其驱动方法，其通过热敏电阻反馈出的igbt结温对igbt模块栅极关断电阻进行一级
或者多级调节，使得igbt芯片高温低关断损耗，低温低关断过电压。
10.本发明的目的通过以下的技术方案实现：
11.一种igbt模块的驱动电路包括：热敏分压模块和n级相同的比较驱动模块，热敏分压模块、n级比较驱动模块均连接，n级比较驱动模块的输出端连接igbt模块；n≥1；热敏分压模块包括相连接的热敏电阻ntc和电阻ra；比较驱动模块包括比较器a1和三极管t；热敏电阻ntc的一端连接电源端vcc，电阻ra的另一端连接至地；热敏电阻ntc的另一端通过电阻r’连接比较器a1的同相输入端，比较器a1的反相输入端通过电阻r”连接电源端v
ref1
，比较器a1的输出端连接三极管t的基极，三极管t的集电极连接电源端v
pwm
，三极管t的集电极还连接电阻r的一端，三极管t的发射极通过电阻r1连接电阻r的另一端，电阻r的另一端连接igbt模块。
12.优选地，igbt模块包括：igbt芯片和二极管frd；igbt芯片的栅极g连接电阻r的另一端，igbt芯片的集电极c连接二极管frd的阴极，igbt芯片的发射极e连接二极管frd的阳极。
13.一种igbt模块的驱动电路包括：传感器模块和m级相同的温度驱动模块，传感器模块、m级温度驱动模块相连接，m级温度驱动模块的输出端连接igbt模块；m≥1；传感器模块包括温度传感器和微控制器，温度驱动模块包括三极管t；温度传感器连接微控制器，微控制器还连接三极管t的基极，三极管t的集电极连接电源端v
pwm
，三极管t的集电极还连接电阻r的一端，三极管t的发射极通过电阻r1连接电阻r的另一端，电阻r的另一端连接igbt模块。
14.一种igbt模块的驱动方法包括：热敏电阻ntc和电阻ra对电源端vcc的电压进行分压，经分压后的电压输入n级比较驱动模块的比较器中的同相输入端；温度低时，热敏电阻ntc的阻值大，此时比较器中同相输入端的输入电压低于反相输入端的输入电压，比较器输出低电平，三极管t保持截止状态，igbt模块的关断电阻为电阻r；温度高时，热敏电阻nt的c阻值小，此时比较器中的同相输入端的输入电压高于反相输入端的输入电压，比较器输出高电平，三极管t开通，igbt模块的关断电阻为电阻r、电阻r1…
电阻rn并联后的电阻。
15.优选地，n＝1，所述的驱动方法为一级调节，此时，温度低时，igbt模块的关断电阻为电阻r；温度高时，igbt模块的关断电阻为电阻r、电阻r1并联后的电阻。
16.优选地，n＞1，所述的驱动方法为多级调节，此时，温度低时，igbt模块的关断电阻为电阻r；温度高时，igbt模块的关断电阻为电阻r、电阻r1…
电阻rn并联后的电阻。
17.本发明相对于现有技术具有如下优点：
18.本发明基于igbt模块中的热敏电阻反馈出的igbt结温对igbt模块栅极关断电阻进行一级或者多级调节。热敏电阻值越大，表明igbt芯片结温越低，需要使用大的关断电阻以降低关断di/dt，降低igbt芯片关断过电压失效的风险。热敏电阻值越小，表明igbt芯片结温越高，需要使用小的关断电阻来提高关断di/dt，降低igbt芯片损耗，防止igbt芯片过温失效，提高igbt模块温度适应性。
附图说明
19.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
20.图1为igbt关断过电压的波形图。
21.图2为现有igbt模块的驱动电路的电路图。
22.图3(a)为igbt模块的热敏电阻的电路图。
23.图3(b)为igbt模块的热敏电阻与温度的关系图。
24.图4为本发明的igbt模块的驱动电路的电路图。
具体实施方式
25.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
26.图4为本发明的igbt模块的驱动电路的电路图。如图4所示，一种igbt模块的驱动电路包括：热敏分压模块和n级相同的比较驱动模块，热敏分压模块、n级比较驱动模块均连接，n级比较驱动模块的输出端连接igbt模块；n≥1；热敏分压模块包括相连接的热敏电阻ntc和电阻ra；比较驱动模块包括比较器a1和三极管t；热敏电阻ntc的一端连接电源端vcc，电阻ra的另一端连接至地；热敏电阻ntc的另一端通过电阻r’连接比较器a1的同相输入端，比较器a1的反相输入端通过电阻r”连接电源端v
ref1
，比较器a1的输出端连接三极管t的基极，三极管t的集电极连接电源端v
pwm
，三极管t的集电极还连接电阻r的一端，三极管t的发射极通过电阻r1连接电阻r的另一端，电阻r的另一端连接igbt模块。
27.本发明的热敏电阻值越大，表明igbt芯片结温越低，需要使用大的关断电阻以降低关断di/dt，降低igbt芯片关断过电压失效的风险。热敏电阻值越小，表明igbt芯片结温越高，需要使用小的关断电阻来提高关断di/dt，降低igbt芯片损耗，防止igbt芯片过温失效，提高igbt模块温度适应性。
28.igbt模块的驱动电路中的热敏电阻ntc用于温度采样，可以间接的反应出igbt模块的igbt芯片的结温，如图3(a)中8脚及9脚，实现igbt模块的过温保护。如图3(b)所示，通常热敏电阻阻值呈负温度关系，温度越高，阻值越小。本发明基于igbt模块中的热敏电阻反馈出的igbt结温对igbt模块栅极关断电阻进行一级或者多级调节。热敏电阻值越大，表明igbt芯片结温越低，需要使用大的关断电阻以降低关断di/dt，降低igbt芯片关断过电压失效的风险。热敏电阻值越小，表明igbt芯片结温越高，需要使用小的关断电阻来提高关断di/dt，降低igbt芯片损耗，防止igbt芯片过温失效。因此，本发明的igbt模块的驱动电路实现了igbt芯片结温对栅极关断电阻阻值的调节。实际应用电路中的具体参数选择可根据igbt特性及温度进行优化。
29.在本实施例，n＝1,本实施例基于igbt模块中的热敏电阻反馈出的igbt结温对igbt模块栅极关断电阻进行一级调节，可满足极限温度的栅极电阻调节。作为其它实施例，n＞1，可以增加比较器及三极管t的级数来实现对igbt关断电阻的多级调节，实现不同igbt芯片结温时的igbt芯片关断di/dt最优控制。
30.在本实施例，igbt模块包括：igbt芯片和二极管frd；igbt芯片的栅极g连接电阻r的另一端，igbt芯片的集电极c连接二极管frd的阴极，igbt芯片的发射极e连接二极管frd的阳极。
31.上述一种igbt模块的驱动方法，包括：热敏电阻ntc和电阻ra对电源端vcc的电压进行分压，经分压后的电压输入n级比较驱动模块的比较器中的同相输入端；温度低时，热敏电阻ntc的阻值大，此时比较器中同相输入端的输入电压低于反相输入端的输入电压，比
较器输出低电平，三极管t保持截止状态，igbt模块的关断电阻为电阻r；温度高时，热敏电阻nt的c阻值小，此时比较器中的同相输入端的输入电压高于反相输入端的输入电压，比较器输出高电平，三极管t开通，igbt模块的关断电阻为电阻r、电阻r1…
电阻rn并联后的电阻。
32.当n＝1，所述的驱动方法为一级调节，此时，温度低时，igbt模块的关断电阻为电阻r；温度高时，igbt模块的关断电阻为电阻r、电阻r1并联后的电阻。
33.当n＞1，所述的驱动方法为多级调节，此时，温度低时，igbt模块的关断电阻为电阻r；温度高时，igbt模块的关断电阻为电阻r、电阻r1…
电阻rn并联后的电阻。
34.作为另一可实施例，所述的igbt模块的驱动电路包括：传感器模块和m级相同的温度驱动模块，传感器模块、m级温度驱动模块相连接，m级温度驱动模块的输出端连接igbt模块；m≥1；传感器模块包括温度传感器和微控制器，温度驱动模块包括三极管t；温度传感器连接微控制器，微控制器还连接三极管t的基极，三极管t的集电极连接电源端v
pwm
，三极管t的集电极还连接电阻r的一端，三极管t的发射极通过电阻r1连接电阻r的另一端，电阻r的另一端连接igbt模块。传感器模块包括温度传感器，微控制器为stm32。采用igbt模块外部的温度传感器实现对环境温度的监测，实现不同环境温度时的栅极关断电阻多级调节。
35.综上，本发明基于igbt模块已有热敏电阻ntc(如图3(a)中8脚及9脚)，提出了一种一级或者多级关断电阻的igbt模块的驱动电路，通过热敏电阻ntc反馈的温度对igbt关断电阻进行调节，以满足igbt模块高温应用低关断损耗，低温应用低关断过电压的要求，保证了igbt模块温度适应性，提高模块可靠性。同时，本发明驱动电路还具有如下有益效果：
36.1.满足不同芯片结温时对关断di/dt的要求。低芯片结温时降低igbt关断速度，降低芯片关断过电压(di/dt
×
ls)，降低芯片关断过电压风险。高芯片结温时提高igbt关断速度，降低igbt芯片关断损耗，降低芯片过温失效风险；
37.2.igbt芯片结温与自身关断速度的多级调节，实现温度的自反馈调节。热敏电阻ntc间接反应igbt芯片结温，通过驱动电路对栅极关断电阻调节，形成反馈调节；
38.3.基于igbt模块中的热敏电阻ntc实现igbt芯片关断电阻的多级调节，实现不同温度时的igbt芯片关断di/dt最优控制；
39.4.该方式同样适用于si mosfet模块及sic mosfet模块等。
40.上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。