專(zhuān)利名稱(chēng)：全橋電路中大功率igbt的門(mén)極驅(qū)動(dòng)方法及電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種全橋硬開(kāi)關(guān)PWM DC/DC變換器中主控開(kāi)關(guān)IGBT關(guān)斷技術(shù)，更具體地涉及全橋硬開(kāi)關(guān)PWM DC/DC變換器中主控開(kāi)關(guān)IGBT的門(mén)極驅(qū)動(dòng)方法及電路。
現(xiàn)有全橋硬開(kāi)關(guān)PWM DC/DC變換器以其拓樸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、控制方式簡(jiǎn)單而得以廣泛應(yīng)用。

圖1是現(xiàn)階段普遍采用的全橋PWMDC/DC變換器主電路。該電路包括第一主控開(kāi)關(guān)V1、第二主控開(kāi)關(guān)V2、第三主控開(kāi)關(guān)V3、第四主控開(kāi)關(guān)V4、電容103、主變壓器104，其中，第一主控開(kāi)關(guān)V1與第二主控開(kāi)關(guān)V2的集電極與輸入電源正極101相連；第一主控開(kāi)關(guān)V1的發(fā)射極與第三主控開(kāi)關(guān)V3的集電極相連，并與電容103的一端相連；電容103的另一端與主變壓器104的原邊繞組105一端相連；主變壓器104的原邊繞組105的另一端與第二主控開(kāi)關(guān)V2的發(fā)射極及第四主控開(kāi)關(guān)V4的集電極相連；第三主控開(kāi)關(guān)V3與第四主控開(kāi)關(guān)V4的發(fā)射極均與輸入電源負(fù)極102相連。圖2a-2d是現(xiàn)有全橋硬開(kāi)關(guān)PWM中通用的門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形。從圖2中可以看出，在某一時(shí)間t201，第一主控開(kāi)關(guān)V1、第四主控開(kāi)關(guān)V4的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電平DV1、DV4同時(shí)為高電平使第一主控開(kāi)關(guān)V1、第四主控開(kāi)關(guān)V4同時(shí)導(dǎo)通；根據(jù)輸出負(fù)載的變化，通過(guò)采樣反饋控制在第二時(shí)間t202使DV1、DV4同時(shí)變?yōu)榈碗娖?，從而控制第四主控開(kāi)關(guān)V4和第一主控開(kāi)關(guān)V1同時(shí)硬關(guān)斷；在第三時(shí)間t203，第二主控開(kāi)關(guān)V2和第三主控開(kāi)關(guān)V3的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電平DV2、DV3同時(shí)為高電平使第二主控開(kāi)關(guān)V2、第三主控開(kāi)關(guān)V3同時(shí)導(dǎo)通；根據(jù)輸出負(fù)載的變化，通過(guò)采樣反饋控制在第四時(shí)間使DV2、DV3同時(shí)變?yōu)榈碗娖?，從而控制第二主控開(kāi)關(guān)V2和第三主控開(kāi)關(guān)V3同時(shí)硬關(guān)斷。而采用IGBT作為主控開(kāi)關(guān)時(shí)，在圖2的這種驅(qū)動(dòng)方式下，因IGBT關(guān)斷時(shí)的電流拖尾造成極大關(guān)斷損耗，如圖3a-3d所示。圖3a為第一主控開(kāi)關(guān)V1的門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)；圖3b為第四主控開(kāi)關(guān)V4的門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)；圖3c中I01為第一主控開(kāi)關(guān)V1的集電極電流波形；圖3c中V01為第一主控開(kāi)關(guān)V1和第四主控開(kāi)關(guān)V4的集電極與發(fā)射極間的電壓波形；圖3d為第一主控開(kāi)關(guān)V1和第四主控開(kāi)關(guān)V4的功率損耗波形P01。第二主控開(kāi)關(guān)V2和第三主控開(kāi)關(guān)V3的情況與此相似。圖4是現(xiàn)階段全橋硬開(kāi)關(guān)PWM DC/DC變換器的主控開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路。從圖4可以看出，圖2中的DV1、DV4信號(hào)加載到輸入端子401、402上，通過(guò)隔離驅(qū)動(dòng)電路405、406驅(qū)動(dòng)V1、V4；圖2中的DV2、DV3信號(hào)加載到另一輸入端子403、404上，通過(guò)隔離驅(qū)動(dòng)電路407、408驅(qū)動(dòng)V2、V3。從圖3、圖4中可以看出，在某一時(shí)間t301，DV1、DV4同時(shí)變?yōu)楦唠娖剑筕1、V4飽和導(dǎo)通，V1、V4的集電極與發(fā)射極間的電壓V01由高變?yōu)榱悖娏鱅01則逐漸增大，當(dāng)在t302時(shí)間，DV1、DV4同時(shí)變?yōu)榈碗娖胶螅捎贗GBT器件的特性及主變壓器104的漏感等原因，使V1、V4上的V01由低慢慢變高，而I01慢慢變小，造成V1、V4在t302之后某一時(shí)間出現(xiàn)一個(gè)功率損耗P01的尖峰，即造成IGBT的關(guān)斷損耗較大，特別是在高電壓輸入、大電流輸出的情況下，關(guān)斷損耗急劇增加，使得IGBT全橋式電源效率、體積、重量等指標(biāo)都難以提高。要解決IGBT關(guān)斷拖尾損耗問(wèn)題，最好是進(jìn)行零電流關(guān)斷。現(xiàn)有的零電流諧振變換器雖可實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，但其控制電路復(fù)雜，對(duì)功率開(kāi)關(guān)管的電流，電壓參數(shù)要求較高，且零電流關(guān)斷范圍依賴(lài)輸入電壓范圍和負(fù)載范圍。
本發(fā)明的目的是提供一種克服現(xiàn)有全橋硬開(kāi)關(guān)PWM DC/DC變換器中主控開(kāi)關(guān)IGBT關(guān)斷拖尾損耗，具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單得多、效果更好的驅(qū)動(dòng)方法及電路。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過(guò)改變IGBT全橋變換器中的主控開(kāi)關(guān)的門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，實(shí)現(xiàn)了其中兩只IGBT無(wú)損關(guān)斷。其驅(qū)動(dòng)方法依次包括以下步驟第一步，在某一時(shí)刻，使全橋電路中一對(duì)角臂上的兩只主控開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通；第二步，通過(guò)反饋輸出電壓及電流的變化使所述對(duì)角臂上的兩只主控開(kāi)關(guān)之一在某一時(shí)刻硬關(guān)斷；第三步，從所述對(duì)一角臂上的另一主控開(kāi)關(guān)電流降為零時(shí)起，直到使另一對(duì)角臂上的兩只主控開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)止的這段時(shí)間關(guān)斷所述另一主控開(kāi)關(guān)；第四步，在全橋電路中所述一對(duì)角臂上的兩只主控開(kāi)關(guān)都關(guān)斷后某一時(shí)刻，使全橋電路中另一對(duì)角臂上的兩只主控開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通；第五步，通過(guò)反饋輸出電壓及電流的變化使全橋電路中所述另一對(duì)角臂上的兩只主控開(kāi)關(guān)之一在某一時(shí)刻硬關(guān)斷；第六步，從所述另一對(duì)角臂上的兩只主控開(kāi)關(guān)中的另一主控開(kāi)關(guān)電流降為零時(shí)起，直到全橋電路中所述一對(duì)角臂上的兩只主控開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)止的這段時(shí)間關(guān)斷全橋電路中所述另一對(duì)角臂上的所述另一主控開(kāi)關(guān)，從而達(dá)到使主控開(kāi)關(guān)的關(guān)斷損耗為零。
實(shí)現(xiàn)上述本發(fā)明方法的電路為在現(xiàn)有全橋硬開(kāi)關(guān)PWMDC/DC變換器中的一對(duì)角臂上的兩主控開(kāi)關(guān)中之一的隔離驅(qū)動(dòng)電路前增加一關(guān)斷延時(shí)電路，同時(shí)在現(xiàn)有全橋硬開(kāi)關(guān)PWM DC/DC變換器中的另一對(duì)角臂上的兩主控開(kāi)關(guān)中之一的隔離驅(qū)動(dòng)電路前也增加一關(guān)斷延時(shí)電路。該延時(shí)電路可由電阻、電容和二極管組成。其所述兩延時(shí)電路的關(guān)斷延時(shí)時(shí)間范圍為1μS至5μS。
由此可見(jiàn)，本發(fā)明通過(guò)改變?nèi)珮蜃儞Q器中主控開(kāi)關(guān)管IGBT的門(mén)極驅(qū)動(dòng)方法，只需在原驅(qū)動(dòng)電路上增加兩個(gè)關(guān)斷延時(shí)電路即可簡(jiǎn)單易行地實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，并獲得兩個(gè)主控開(kāi)關(guān)管IGBT的關(guān)斷損耗降為零的極佳效果，從而提高了整機(jī)的效率；同時(shí)大大降低了整機(jī)的溫升，實(shí)驗(yàn)證明在相同環(huán)境條件下，整機(jī)溫升可降低攝氏20度左右；由此可延長(zhǎng)各功率器件的壽命、提高其可靠性，也即提高了全橋硬開(kāi)關(guān)PWM DC/DC變換器的可靠性，同時(shí)可減小散熱器的體積，而散熱器在整機(jī)的體積和重量中所占的比重較大，因此也就等于減小了整機(jī)的體積和重量。
下面，結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。附圖中同一標(biāo)號(hào)表示為同一部分。
圖1為現(xiàn)有技術(shù)的全橋PWM DC/DC主變換器電路圖2a-2d分別表示圖1所示電路中的四個(gè)主控開(kāi)關(guān)的門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)；圖3a-3d為圖1所示電路中一對(duì)對(duì)角臂的主控開(kāi)關(guān)的門(mén)極驅(qū)動(dòng)波形及其集電極和發(fā)射極間電壓電流波形和功率損耗波形；圖4為圖1所示電路中各主控開(kāi)關(guān)的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路；圖5a-5d為說(shuō)明本發(fā)明方法構(gòu)思的IGBT的門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)；圖6a-6d為本發(fā)明電路中對(duì)角臂上的一對(duì)主控開(kāi)關(guān)的門(mén)極驅(qū)動(dòng)波形以及其中零電流關(guān)斷主控開(kāi)關(guān)的集電極和發(fā)射極間電壓電流波形和功率損耗波形；圖7a-7d為說(shuō)明實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的主控開(kāi)關(guān)門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路的方框圖；圖8為本發(fā)明電路中的關(guān)斷延時(shí)電路的具體實(shí)施例；圖9a-9b為本發(fā)明電路中的關(guān)斷延時(shí)電路的替換方案示意圖。
由圖5a-5d所示本發(fā)明采用的門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形可見(jiàn)，在t1時(shí)間，第一主控開(kāi)關(guān)V1和第四主控開(kāi)關(guān)V4的門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)DV1、DV4同時(shí)變?yōu)楦唠娖?，在t2時(shí)間，使第四主控開(kāi)關(guān)V4的門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)DV4先變?yōu)榈碗娖?，?jīng)過(guò)延時(shí)一段時(shí)間即從t2到t4時(shí)刻，使第一主控開(kāi)關(guān)V1的門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)DV1也變?yōu)榈碗娖?，同理，在t5時(shí)間，使第二主控開(kāi)關(guān)V2和第三主控開(kāi)關(guān)V3的門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)DV2、DV3同時(shí)變?yōu)楦唠娖剑趖6時(shí)間，使第三主控開(kāi)關(guān)V3的門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)DV3先變?yōu)榈碗娖?，?jīng)過(guò)延時(shí)一段時(shí)間即從t6到t8時(shí)刻，使第二主控開(kāi)關(guān)V2的門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)DV2也變?yōu)榈碗娖?，即第一主控開(kāi)關(guān)V1比第四主控開(kāi)關(guān)V4的門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)延時(shí)一段時(shí)間(t＝t4-t2)變?yōu)榈碗娖?；第二主控開(kāi)關(guān)V2比第三主控開(kāi)關(guān)V3的門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)延時(shí)一段時(shí)間(t＝t8-t6)變?yōu)榈碗娖?。圖6a-6d為使用本發(fā)明方法時(shí)，全橋電路中對(duì)角上兩只主控開(kāi)關(guān)IGBT的門(mén)極驅(qū)動(dòng)波形DV1和DV4及第一主控開(kāi)關(guān)V1的集電極、發(fā)射極的電流電壓波形I02、V02和功率損耗波形P02。如圖6所示，當(dāng)?shù)谒闹骺亻_(kāi)關(guān)V4門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)DV4從高電平變?yōu)榈碗娖胶?，第一主控開(kāi)關(guān)V1的電流從大變到小，直到t3時(shí)間變?yōu)榱?，而在t3時(shí)間之后的t4時(shí)間，第一主控開(kāi)關(guān)V1的門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)DV1從高電平變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)，V1關(guān)斷的功率損耗P02為零。由圖7a-7d可見(jiàn)，本發(fā)明電路是在原門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路(圖4)的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加兩路關(guān)斷延時(shí)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)圖5a-5d的門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的。其中，從圖7a中可以看出，原門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)DV1/DV4(圖2)進(jìn)入端子401、402，分成兩路信號(hào)，一路直接輸入V4的隔離驅(qū)動(dòng)電路406驅(qū)動(dòng)V4，另一路輸入到延時(shí)電路705，然后通過(guò)隔離驅(qū)動(dòng)電路405驅(qū)動(dòng)V1；同樣，原門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)DV2/DV3(圖2)進(jìn)入端子403、404，分成兩路信號(hào)，一路直接輸入V3的隔離驅(qū)動(dòng)電路408驅(qū)動(dòng)V3，另一路輸入到延時(shí)電路705A，然后通過(guò)隔離驅(qū)動(dòng)電路407驅(qū)動(dòng)V2，從而使V1、V2分別比V4、V3延時(shí)一段時(shí)間被關(guān)斷。從圖7b-7d中可見(jiàn)，以上述同樣的方式即可實(shí)現(xiàn)V1、V3分別比V4、V2延時(shí)一段時(shí)間被關(guān)斷；V4、V2分別比V1、V3延時(shí)一段時(shí)間被關(guān)斷；V4、V3分別比V1、V2延時(shí)一段時(shí)間被關(guān)斷。圖8是圖7a中關(guān)斷延時(shí)電路705、705A的具體實(shí)施例。從圖8中可看出，二極管D1的陽(yáng)極作為所述關(guān)斷延時(shí)電路的輸入端801，二極管D1的陰極作為所述關(guān)斷延時(shí)電路的輸出端803，電容C1的一端與所述關(guān)斷延時(shí)電路的輸出端803相連，電容C1的另一端作為所述關(guān)斷延時(shí)電路的另一輸入端802，所述關(guān)斷延時(shí)電路的另一輸出端804也與電容C1的所述另一端相連。所述關(guān)斷延時(shí)電路的關(guān)斷延時(shí)時(shí)間由電容C1和所述隔離驅(qū)動(dòng)電路的輸入阻抗共同決定。圖9a是本發(fā)明電路中的關(guān)斷延時(shí)電路的一種替換方案。從圖9a中可以看出，圖9a所示關(guān)斷延時(shí)電路為在圖8所示電路中增加一個(gè)與電容C1并聯(lián)的電阻901。所述關(guān)斷延時(shí)電路的關(guān)斷延時(shí)時(shí)間由電容C1、電阻901和所述隔離驅(qū)動(dòng)電路的輸入阻抗共同決定。圖9b是本發(fā)明電路中的延時(shí)電路的另一種替換方案。從9b中可以看出，圖9b所示關(guān)斷延時(shí)電路為在圖9a所示電路中增加一個(gè)與二極管D1并聯(lián)的電阻902。所述關(guān)斷延時(shí)電路的關(guān)斷延時(shí)時(shí)間由電容C1、電阻901、902和所述隔離驅(qū)動(dòng)電路的輸入阻抗共同決定。以上所述關(guān)斷延時(shí)時(shí)間最佳范圍在1μS與5μS之間。
雖然以上已以最佳實(shí)施方式詳細(xì)描述了本發(fā)明的主要技術(shù)特征和優(yōu)點(diǎn)，但本發(fā)明的保護(hù)范圍顯然并不局限于以上實(shí)施例，而是包括本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)上述創(chuàng)造構(gòu)思可能作出的各種顯而易見(jiàn)的替換方案。
權(quán)利要求
1.全橋電路中大功率IGBT的門(mén)極驅(qū)動(dòng)方法第一步，在某一時(shí)刻(T1)，使全橋電路中一對(duì)角臂上的兩只主控開(kāi)關(guān)同時(shí)開(kāi)通；接著僅僅使上述對(duì)角臂上的兩只主控開(kāi)關(guān)之一在某一時(shí)刻(T2)硬關(guān)斷；第二步，然后從所述對(duì)角臂上的另一主控開(kāi)關(guān)電流降為零時(shí)(T3)起，直到使另一對(duì)角臂上的兩只主控開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)(T4)止的這段時(shí)間關(guān)斷所述另一主控開(kāi)關(guān)；第三步，在全橋電路中所述一對(duì)角臂上的兩只主控開(kāi)關(guān)都關(guān)斷后某一時(shí)刻(T5)，使全橋電路中另一對(duì)角臂上的兩只主控開(kāi)關(guān)同時(shí)開(kāi)通；第四步，接著僅僅使全橋電路中所述另一對(duì)角臂上的兩只主控開(kāi)關(guān)之一在某一時(shí)刻(T6)硬關(guān)斷；第五步，從上述對(duì)角臂上的兩只主控開(kāi)關(guān)中的另一主控開(kāi)關(guān)電流降為零時(shí)(T7)起，直到全橋電路中一對(duì)角臂上的兩只主控開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)(T8)止的這段時(shí)間關(guān)斷全橋電路中所述另一對(duì)角臂上的所述另一主控開(kāi)關(guān)，其特征在于分別使全橋電路中兩對(duì)角臂上的其中一只主控開(kāi)關(guān)相對(duì)另一只主控開(kāi)關(guān)延時(shí)一段時(shí)間ΔT關(guān)斷。
2.一種實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1所述方法的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路，包括隔離驅(qū)動(dòng)電路(405，406，407，408)，其特征在于還包括分別設(shè)置在所述隔離驅(qū)動(dòng)電路和所述門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路的輸入端之間的關(guān)斷延時(shí)電路(705，705A)。
3.按照權(quán)利要求2所述的驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于所述關(guān)斷延時(shí)電路(705；705A)包括一陽(yáng)極與所述關(guān)斷延時(shí)電路的輸入端之一(801)相連而其陰極與所述關(guān)斷延時(shí)電路的輸出端之一(803)相連的二極管(D1)和并聯(lián)于所述關(guān)斷延時(shí)電路的兩輸出端(803；804)之間的電容(C1)。
4.按照權(quán)利要求3所述的驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于所述關(guān)斷延時(shí)電路(705；705A)還包括與所述電容(C1)并聯(lián)的電阻(901)。
5.按照權(quán)利要求4所述的驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于所述關(guān)斷延時(shí)電路(705；705A)還包括與所述二極管(D1)并聯(lián)的電阻(902)。
6.按照權(quán)利要求2-5任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于所述關(guān)斷延時(shí)電路的最佳延時(shí)時(shí)間范圍為1μS至5μS。
全文摘要
全橋電路IGBT的門(mén)極驅(qū)動(dòng)方法及其電路。該方法是使全橋電路中一支對(duì)角臂上的其中一只主控開(kāi)關(guān)相對(duì)另一只主控開(kāi)關(guān)延時(shí)△T關(guān)斷;使全橋電路中另一支對(duì)角臂上的其中一只主控開(kāi)關(guān)也相對(duì)另一只主控開(kāi)關(guān)延時(shí)△T關(guān)斷。這只需分別在現(xiàn)有全橋硬開(kāi)關(guān)PWM DC/DC變換器中的每一對(duì)角臂上的兩只主控開(kāi)關(guān)之一的隔離驅(qū)動(dòng)電路前增加一關(guān)斷延時(shí)電路便可實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明具有實(shí)施電路簡(jiǎn)單可靠、成本低,效果顯著等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02M3/00GK1171649SQ9710881
公開(kāi)日1998年1月28日 申請(qǐng)日期1997年1月20日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月20日
發(fā)明者張群, 王創(chuàng)社, 童永勝 申請(qǐng)人:深圳市華為通信股份有限公司