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CN107634745B - 一种用于栅控器件的栅极充放电调节电路 - Google Patents

一种用于栅控器件的栅极充放电调节电路 Download PDF

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Abstract

一种用于栅控器件的栅极充放电调节电路，属于电力电子技术领域。开关控制信号连接四个模拟开关的控制端，栅控制信号在四个模拟开关的作用下加载到正确的场效应管的栅极来控制其开启程度，从而达到调节栅驱动信号电流的目的，即调节栅控器件栅极的充放电电流以实现其开关特性和导通特性的改变，其中开关控制信号连接栅驱动模块的输入端，控制栅驱动模块产生栅驱动信号。本发明的电路通过调节栅控器件的栅极电流，实现栅控器件开关特性及导通特性的调节，具有简单、有效、功能全、可集成等优点，尤其适用于栅控器件并联均流应用。

Description

一种用于栅控器件的栅极充放电调节电路
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体的说是涉及一种用于栅控器件的栅极充放电调节电路。
背景技术
在电力电子领域，栅控器件就是压控类功率栅控器件，包括VDMOS、LDMOS、IGBT、MCT等等。随着电力电子技术的发展，以栅控器件为核心功率栅控器件的电力电子系统对其应用基础技术的要求也不断在提高，其中之一就是栅控器件的动态栅极控制技术。
动态栅极控制是对栅控器件栅驱动信号进行调整，来改善栅控器件开关特性的一种技术。该技术可以集成在栅控器件栅极驱动集成电路中，也可以在栅控器件栅极驱动电路和栅控器件的栅极之间植入。该技术通过改变栅控器件开通和关断瞬态时的集电极电流变化速率(di/dt)、电压变化速率(dv/dt)、电流过冲、电压过冲等，从而使得栅控器件的开关速率、开关损耗和开关瞬态的电磁干扰(EMI)处于最优状态。
就该技术的研究现状来看，主要有可变电流源、栅控器件栅极电压调节、动态栅电阻等几种方式，但是在实际的应用中由于其复杂程度和可用性限制了动态栅极控制技术的普及，同时也几乎未在商业化的驱动芯片中有所体现。
发明内容
本发明的目的，就是针对上述应用和需求，为推动栅控器件动态栅极控制技术的发展及普及，提出了一种用于栅控器件的栅极充放电调节的电路，该电路具有简单、有效、功能全、可集成等优点，可以很好地解决动态栅极控制的执行问题。
本发明的技术方案为：
一种用于栅控器件的栅极充放电调节电路，包括第一模拟开关S1、第二模拟开关S2、第三模拟开关S3、第四模拟开关S4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一电阻R1、第二电阻R2、第一N型场效应管M1、第二N型场效应管M2和第一P型场效应管M3，
开关控制信号连接第一模拟开关S1、第二模拟开关S2、第三模拟开关S3和第四模拟开关S4的控制端，栅驱动信号连接第一二极管D1的阳极和第四二极管D4的阴极；
第一N型场效应管M1的栅极连接第一模拟开关S1的一端和第二模拟开关S2的一端，其源极连接第一模拟开关S1的另一端、第二二极管D2的阳极和第一P型场效应管M3的栅极，其漏极连接第一二极管D1的阴极；
第二模拟开关S2的另一端和第三模拟开关S3的一端连接栅控制信号，第三模拟开关S3的另一端连接第四模拟开关S4的一端并通过第一电阻R1后接第二N型场效应管M2的栅极；
第二N型场效应管M2的源极连接第四二极管D4的阳极和第四模拟开关S4的另一端并通过第二电阻R2后接第二N型场效应管M2的栅极，其漏极连接第三二极管D3的阴极；
第一P型场效应管M3的源极连接第二二极管D2的阴极和第三二极管D3的阳极并作为所述栅极充放电调节电路的输出端，其漏极接地。
具体的，以所述开关控制信号的低电平为参考，所述第一模拟开关S1和第三模拟开关S3设置为常闭触点，第二模拟开关S2和第四模拟开关S4设置为常开触点。
具体的，所述栅驱动信号由栅驱动模块产生，所述栅驱动模块包括第一三极管Q1、第二三极管Q2和第三电阻R3，
第三电阻R3的一端作为所述栅驱动模块的输入端连接所述开关控制信号，另一端连接第一三极管Q1和第二三极管Q2的基极，第一三极管Q1的集电极接电源电压，其发射极连接第二三极管Q2的发射极并作为所述栅驱动模块的输出端输出所述栅驱动信号，第二三极管Q2的集电极接地。
本发明的有益效果为：本发明通过调节栅控器件的栅极电流，实现栅控器件开关特性及导通特性的调节，具有简单、有效、功能全、可集成等优点；尤其适合用于栅控器件并联应用时对各栅控器件支路电流的均衡控制。
附图说明
图1为本发明提供的一种用于栅控器件的栅极充放电调节的电路的结构示意图。
图2为实施例中的栅驱动模块的电路结构示意图。
图3为栅控器件为IGBT的栅电流调节电流工作状态仿真图。
图4为本发明电路中栅控制信号profile与IGBT开通时的集电极电流ICE和栅电荷QG的关系图。
图5为本发明电路中栅控制信号profile与IGBT关断时的集电极电压VCE和栅电荷QG的关系图。
图6为本发明电路对IGBT开通时的集电极电流过冲及振荡的抑制作用示意图。
图7本发明电路对IGBT关断时的集电极电压过冲及振荡的抑制作用示意图。
图8本发明电路对IGBT在导通状态下集电极电流的增大调节作用示意图。
图9本发明电路对IGBT在导通状态下集电极电流的减小调节作用示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式进行描述。
本发明基于栅控器件的物理特性及其原理，将栅控器件的开通和关断看做是对其栅极输入电容分别进行充电和放电的过程，由于充电和放电会直接影响其开关特性，本发明提出一种用于栅控器件的栅极充放电调节电路，实现了栅控器件的充电和放电电荷的调整并反映为对其栅驱动电流的调整从而实现改变栅控器件的开关特性。
如图1所示虚线框内为本发明提供的栅极充放电调节电路的结构示意图，开关控制信号为数字信号，来自外部控制器；本实施例中的栅驱动信号也由开关控制信号产生，开关控制信号连接栅驱动模块的输入端，控制栅驱动模块产生栅驱动信号；栅控制信号为模拟信号，也来自外部控制器；本发明的输出信号为调节之后的栅控器件栅电流信号，直接连接到栅控器件的栅极。开关控制信号连接四个模拟开关的控制端，对四个模拟开关进行控制，以开关控制信号的低电平为参考，第一模拟开关S1和第四模拟S3设置为常闭触点，第二模拟开关S2和第四模拟开关S4设置为常开触点，栅控制信号在四个模拟开关的作用下加载到正确的场效应管的栅极来控制其开启程度，从而达到调节栅驱动信号电流的目的，即调节栅控器件栅极的充放电电流以实现其开关特性和导通特性的改变。
如图1所示，第一二极管D1、第一N型场效应管M1、第二二极管D2和第一P型场效应管M3构成栅控器件从关断到开通状态和开通状态下栅充电电流和放电电流调节回路，控制栅控器件的开通和导通；第一P型场效应管M3、第三三极管D3、第二N型场效应管M2和第四二极管D4构成栅控器件从开通到关断状态栅放电电流调节电路，用于控制栅控器件的关断和截止，在第二N型场效应管M2的栅极配置有第一电阻R1和第二电阻R2两个分压电阻，目的是保证栅驱动信号将栅控器件栅极拉到负电压时，第二N型场效应管M2的正确开通和关断控制逻辑。
如图2所示为栅驱动模块的一种电路实现图，包括第一三极管Q1、第二三极管Q2和第三电阻R3，第三电阻R3的一端作为栅驱动模块的输入端连接开关控制信号，另一端连接第一三极管Q1和第二三极管Q2的基极，第一三极管Q1的集电极接电源电压，其发射极连接第二三极管Q2的发射极并作为栅驱动模块的输出端输出栅驱动信号，第二三极管Q2的集电极接地。
下面以栅控器件为绝缘栅双极晶体管IGBT为例详细描述本发明的工作过程。
图3中的profile为来自外部的栅控制信号，该信号由外部控制器决定，可根据特定的栅控器件应用电路，由人工进行整定并固化在外部控制器中，也可在外部控制中植入算法使其自动生成；Vswitch为IGBT开关控制信号，ICE为IGBT集电极-发射极电流，VCE为IGBT集电极-发射极电压，QG为IGBT栅电荷，VGS_M1为第一N型场效应管M1的栅源电压，VGS_M2为第二N型场效应管M2的栅源电压，VGS_M3为第一P型场效应管M3的栅源电压。
在图3中可以看出，栅控制信号profile的变化，引起第一N型场效应管M1、第二N型场效应管M2、第一P型场效应管M3的栅极电压VGS变化，从而使得IGBT栅极电荷QG发生变化(即栅极电流变化)，最终可使得栅控器件集电极电流ICE和电压VCE发生变化，特别是在栅控器件导通状态下。
当栅控器件开通时，第一模拟开关S1和第三模拟开关S3断开，第二模拟开关S2和第四模拟开关S4闭合。此时，第二模拟开关S2将栅控制信号profile加载至第一N型场效应管M1的栅极，使得第一N型场效应管M1在栅控制信号profile的作用下发生不同程度的开启；第四模拟开关S4将第二N型模拟开关M2的栅极和源极通过第一电阻R1进行短接，使得第二N型场效应管M2处于关断状态。从图3中可看出在栅控制信号profile的作用下第一N型场效应管M1的栅电压VGS_M1随栅控制信号profile电压的增加而增加，第二N型场效应管M2的栅电压VGS_M2为0，第一P型场效应管M3的栅电压VGS_M3为正，从而第一P型场效应管M3也关断，此时栅控器件的栅极处于充电状态，且充电电流的大小由栅控制信号profile决定，栅控器件集电极电流和集电极电压随栅控制信号profile的变化分别呈不同速率的增加和降低。
当栅控器件导通后，图3中的栅控制信号profile稳定了一段时间之后又逐渐降低，此时可以看出第一N型场效应管M1的栅电压VGS_M1随栅控制信号profile降低，并逐渐达到关断状态，此时第一P型场效应管M3的栅电压VGS_M3逐渐拉低到负值，由于第一P型场效应管M3为P型场效应管，其随栅控制信号profile的降低而逐渐导通，从而在栅控器件的导通状态下，使得栅极产生放电电流，从而使得栅控器件集电极电流ICE减少和栅控器件集电极电压VCE增加，此时第二N型场效应管M2任处于关断状态。
在该过程完毕后，如图3所示，同样是在驱动信号为高电平的状态下，此时的栅控制信号profile又开始增加，使得第一N型场效应管M1的栅电压VGS_M1和第一P型场效应管M3的栅电压VGS_M3分别逐渐增加，导致第一N型场效应管M1逐渐开通，第一P型场效应管M3逐渐关断，从而引起栅控器件集电极电流ICE逐渐上升，栅控器件集电极电压VCE逐渐下降，此时第二N型场效应管M2任然处于关断状态，以上过程实现了栅控器件在导通状态下其集电极电流ICE的调节。
在图3中，当开关控制信号Vswitch从高电平变为低电平时，第一模拟开关S1和第三模拟开关S3闭合，第二模拟开关S2和第四模拟开关S4断开，第三模拟开关S3将栅控制信号profile加载至第二N型场效应管M2栅极，第一模拟开关S1将第一N型场效应管M1的栅极和源极短接使得其关断，此时，设定的栅控制信号profile立即变小(可人为任意设定)，从而让第一N型场效应管M1关断，第二N型场效应管M2和第一P型场效应管M3导通，在第二N型场效应管M2和第一P型场效应管M3共同的作用下让栅极形成放电电流其大小由栅控制信号profile决定。
图4到图9分别为本发明提供的电路对开通时栅控器件集电极电流特性、关断时栅控器件集电极电流特性、开通时栅控器件集电极电流过冲和振荡抑制，关断时栅控器件集电极电压过冲和振荡抑制，导通时栅控器件集电极电流调大和导通时栅控器件集电极电流调小的波形，说明了该电路对改善栅控器件开关特性和导通特性的调节作用。
本发明所提供的电路，除了能对栅控器件开通和关断过程的栅充电和放电电流进行调节外，还可对导通状态下的栅控器件的栅极进行充电和放电电流进行调节，从而改变其集电极电流的大小，非常适合用于栅控器件并联应用时，各栅控器件支路的电流均衡控制。
本发明为栅驱动控制的执行提供了可行的方式和方法，并且在保留现有驱动的前提下，通过在驱动芯片(模块或电路等)和栅控器件栅极之间加入该电路来实现驱动调节，当然也可以集成在栅控器件驱动集成电路芯片中。因此，简单有效地解决了栅控器件开关特性及导通特性的调节问题，从而推动了栅控器件动态栅极控制技术的应用和普及，并具有简单、有效、功能全、可集成等有优点。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种用于栅控器件的栅极充放电调节电路，其特征在于，包括第一模拟开关(S1)、第二模拟开关(S2)、第三模拟开关(S3)、第四模拟开关(S4)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第一N型场效应管(M1)、第二N型场效应管(M2)和第一P型场效应管(M3)，
开关控制信号连接第一模拟开关(S1)、第二模拟开关(S2)、第三模拟开关(S3)和第四模拟开关(S4)的控制端，所述第一模拟开关(S1)和第三模拟开关(S3)设置为常闭触点或常开触点，所述第二模拟开关(S2)和第四模拟开关(S4)与所述第一模拟开关(S1)类型相反；
栅驱动信号连接第一二极管(D1)的阳极和第四二极管(D4)的阴极；
第一N型场效应管(M1)的栅极连接第一模拟开关(S1)的一端和第二模拟开关(S2)的一端，其源极连接第一模拟开关(S1)的另一端、第二二极管(D2)的阳极和第一P型场效应管(M3)的栅极，其漏极连接第一二极管(D1)的阴极；
第二模拟开关(S2)的另一端和第三模拟开关(S3)的一端连接栅控制信号，第三模拟开关(S3)的另一端连接第四模拟开关(S4)的一端并通过第一电阻(R1)后接第二N型场效应管(M2)的栅极；
第二N型场效应管(M2)的源极连接第四二极管(D4)的阳极和第四模拟开关(S4)的另一端并通过第二电阻(R2)后接第二N型场效应管(M2)的栅极，其漏极连接第三二极管(D3)的阴极；
第一P型场效应管(M3)的源极连接第二二极管(D2)的阴极和第三二极管(D3)的阳极并作为所述栅极充放电调节电路的输出端，其漏极接地。
2.根据权利要求1所述的用于栅控器件的栅极充放电调节电路，其特征在于，以所述开关控制信号的低电平为参考，所述第一模拟开关(S1)和第三模拟开关(S3)设置为常闭触点，第二模拟开关(S2)和第四模拟开关(S4)设置为常开触点。
3.根据权利要求1所述的用于栅控器件的栅极充放电调节电路，其特征在于，所述栅驱动信号由栅驱动模块产生，所述栅驱动模块包括第一三极管(Q1)、第二三极管(Q2)和第三电阻(R3)，
第三电阻(R3)的一端作为所述栅驱动模块的输入端连接所述开关控制信号，另一端连接第一三极管(Q1)和第二三极管(Q2)的基极，第一三极管(Q1)的集电极接电源电压，其发射极连接第二三极管(Q2)的发射极并作为所述栅驱动模块的输出端输出所述栅驱动信号，第二三极管(Q2)的集电极接地。
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