一种通过调节栅极电压提高功率器件过载的栅极驱动电路 |
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| 申请号 | CN202310311223.9 | 申请日 | 2023-03-28 | 公开(公告)号 | CN116366044B | 公开(公告)日 | 2024-04-30 |
| 申请人 | 重庆大学; | 发明人 | 蒋华平; 廖瑞金; 胡浩伟; 钟笑寒; 汤磊; 肖念磊; 赵柯; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种通过调节栅极 电压 提高功率器件过载的栅极驱动 电路 ，它包括 电流 传感器 、 控制器 、继电器、驱动芯片、脉冲发生器、开通栅极电压源VGSon1和VGSon2、两个栅极 电阻 以及被控器件；脉冲发生器与驱动芯片连接，驱动芯片通过两个栅极电阻与被控器件的栅极连接，被控器件的漏极与电流传感器连接，电流传感器与控制器连接，驱动芯片和继电器公共触点连接，继电器动断常闭触点与开通栅极电压源VGSon1连接，继电器动合常开触点与开通栅极电压源VGSon2连接，控制器控制继电器状态。本发明通过分阶段调控或者连续调控两种方式来抬升被控器件栅极电压，降低导通电阻RDS和被控器件的导通损耗，提高被控器件短时过载能 力 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种通过调节栅极电压提高功率器件过载的栅极驱动电路，其特征在于：它包括电流传感器、控制器、继电器、驱动芯片、脉冲发生器、开通栅极电压源VGSon1和VGSon2、两个栅极电阻以及被控器件； |
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| 说明书全文 | 一种通过调节栅极电压提高功率器件过载的栅极驱动电路技术领域[0001] 本发明涉及功率器件技术领域，尤其涉及一种通过调节栅极电压提高功率器件过载的栅极驱动电路。 背景技术[0002] 随着世界各国对节能环保的重视，以风力发电、光伏发电和新能源汽车为代表的新能源产业近年来得到了迅速发展。而在新能源的利用中，能够将各种能源高效率地变换成为高质量的电能的电力电子技术起着重要作用，因而电力电子相关应用也越来越广泛，电力电子变换器不仅在信息通信、家用电器等领域起着关键性的作用，而且已经应用到了现实生活中的方方面面，其可靠性对电力电子系统安全可靠运行至关重要。 [0003] 电力电子系统中，存在短时过载工况。例如：电网系统黑启动模式下的浪涌电流为额定电流的3倍且持续4.4s；电动汽车在满载启动和加速爬坡阶段，加速爬坡阶段，电机输出转矩大，为了保证电机的动态性能，电机控制器此时可能直接处于1.5倍持续10s甚至更长时间的短时过载状态。如果过载状态持续时间很短，器件是可以承受的。但是，由于发生过载时，漏极电流增大，导通损耗加大，器件结温迅速升高，可能发生热击穿，失效风险急剧增大。因此，功率器件短时过载能力对电力电子系统安全可靠运行具有重要意义。 [0004] 针对功率器件的短时过载需求，现有技术主要有两个解决方向。一是进行结温调控，提升过载耐受力；通过在在传统功率模块中填充相变材料的方法提升其短时过载能力。二是针对多芯片布局进行分析和优化，提高并联均流能力。现有提出一种串联小电阻均流方法，该方法通过串联小电阻弥补不同支路间阻抗差异，实现方法简单，成本低廉，而且只在器件完全导通后才发挥作用。同时还有一种已提出的有源驱动方案来实现并联均流，通过调节门极驱动信号的延迟时间来达到并联芯片的均流。有源驱动检测到并联支路间电流的差异后控制各个器件在开关通过程的延迟时间，从而将并联器件的电流调控到尽可能一致。 [0005] 在短时过载期间若不进行相应调控处理，器件损耗会增加，引起结温急剧升高，失效风险急剧增大。上述方法在传统功率模块中填充相变材料，工艺难度大，所需相变材料成本高，制作成本高。串联小电阻均流会引入额外损耗，降低功率变换效率。有源驱动方案对高精度、低时延、高速的电流传感器等硬件的依赖性较高。 [0006] 需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息只用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。 发明内容[0007] 本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种通过调节栅极电压提高功率器件过载的栅极驱动电路，解决了针对功率器件的短时过载现有技术存在的问题。 [0008] 本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种通过调节栅极电压提高功率器件过载的栅极驱动电路，它包括电流传感器、控制器、继电器、驱动芯片、脉冲发生器、开通栅极电压源VGSon1和VGSon2、两个栅极电阻以及被控器件； [0009] 所述脉冲发生器与驱动芯片连接，驱动芯片通过两个栅极电阻与被控器件的栅极连接，被控器件的漏极与电流传感器连接，电流传感器与控制器连接，驱动芯片和继电器公共触点连接，继电器动断常闭触点与开通栅极电压源VGSon1连接，继电器动合常开触点与开通栅极电压源VGSon2连接，控制器与继电器电磁铁线圈连接，控制继电器公共触点连接状态；电流传感器用于监测主回路电流情况，控制器将电流传感器反馈信号进行分析处理，当负载发生短时过载时，控制器通过控制继电器工作状态，短暂抬升被控器件的栅极电压，降低导通电阻RDS，降低被控器件的导通损耗，提高被控器件短时过载能力。 [0010] 所述工作状态包括正常工作状态和过载调控状态； [0011] 正常工作状态时，继电器电磁铁线圈电流小于继电器动作值Iop，继电器公共触点与继电器动断常闭触点连接，被控器件栅极通过驱动芯片连接开通栅极电压源VGSon1； [0012] 当由正常状态转变为过载调控状态时，继电器电磁铁线圈电流大于继电器动作值Iop，继电器公共触点与继电器动合常开触点连接，被控器件栅极通过驱动芯片连接开通栅极电压源VGSon2，此时开通栅极电压源VGSon2大于正常工作状态时的开通栅极电压源VGSon1，此时继电器连接的是电压更高的开通栅极电压源VGSon2，进而抬升了被控器件的栅极电压，降低导通电阻RDS，降低被控器件的导通损耗，提高被控器件短时过载能力。 [0013] 所述工作状态还包括短时的过载无调控状态，其位于正常工作状态与过载调控状态之间，此时继电器电磁铁线圈电流小于继电器动作值Iop，继电器公共触点与继电器动断常闭触点连接，被控器件栅极通过驱动芯片连接开通栅极电压源VGSon1。 [0014] 所述工作状态还包括无过载调控状态，其位于所述过载调控状态之后，此时继电器电磁铁线圈电流小于继电器动作电流值Iop，大于继电器返回电流值Ire，继电器公共触点仍与继电器动合常开触点连接，被控器件栅极通过驱动芯片连接开通栅极电压源VGSon2，此时开通栅极电压源VGSon2大于正常工作状态时的开通栅极电压源VGSon1，此时负载经过过载调控状态后提高了被控器件的短时过载能力，再经过短时间的无过载调控状态，进一步降低被控器件的导通损耗。 [0015] 一种通过调节栅极电压提高功率器件过载的栅极驱动电路，它包括电流传感器、控制器、继电器、驱动芯片、脉冲发生器、可调直流电压源VGSon、两个栅极电阻以及被控器件； [0016] 所述脉冲发生器与驱动芯片连接，驱动芯片通过两个栅极电阻与被控器件的栅极连接，被控器件的漏极与电流传感器连接，电流传感器与控制器连接，驱动芯片和继电器公共触点连接，继电器动断常闭触点和动合常开触点均与可调直流电压源VGSon连接，控制器控制继电器公共触点连接状态；电流传感器用于监测主回路电流情况，控制器将电流传感器反馈信号进行分析处理，当负载发生短时过载时，控制器通过控制继电器工作状态，控制可调直流电压源VGSon工作状态，输出连续变化的开通栅极电压VGSon，抬升被控器件的栅极电压，降低导通电阻RDS，降低被控器件的导通损耗，提高被控器件短时过载能力。 [0017] 所述工作状态包括正常工作状态和过载调控状态； [0018] 正常工作状态时，继电器电磁铁线圈电流小于继电器动作值Iop，继电器公共触点与继电器动断常闭触点连接，此时被控器件栅极通过驱动芯片连接的可调直流电压源VGSon为低电压状态； [0019] 当由正常状态转变为过载调控状态时，继电器电磁铁线圈电流大于继电器动作值Iop，继电器公共触点与继电器动合常开触点连接，此时被控器件栅极通过驱动芯片连接的可调直流电压源VGSon的电压由低电压状态逐渐增大，进而逐渐抬升被控器件的栅极电压，降低导通电阻RDS，降低被控器件的导通损耗，提高被控器件短时过载能力。 [0020] 所述工作状态还包括短时的过载无调控状态，其位于正常工作状态与过载调控状态之间，此时继电器电磁铁线圈电流小于继电器动作值Iop，继电器公共触点与继电器动断常闭触点连接，此时被控器件栅极通过驱动芯片连接的可调直流电压源VGSon为低电压状态。 [0021] 所述工作状态还包括无过载调控状态，其位于所述过载调控状态之后，此时继电器公共触点仍与继电器动合常开触点连接，可调直流电压源VGSon的电压持续增加，继电器电磁铁线圈电流大于继电器返回电流Ire，此时负载经过过载调控状态后提高了被控器件的短时过载能力，再经过短时间的无过载调控状态，进一步降低被控器件的导通损耗。 [0022] 本发明具有以下优点：一种通过调节栅极电压提高功率器件过载的栅极驱动电路，通过分阶段调控或者连续调控两种方式来抬升被控器件栅极电压，以降低导通电阻RDS，降低被控器件的导通损耗，提高被控器件短时过载能力。附图说明 [0023] 图1为短时过载发生时栅极电压调控状态示意图； [0024] 图2为短暂抬升栅极电压调控波形图；其中，图(a)为分阶段调控方式示意图；图(b)为连续调控方式示意图； [0025] 图3为本发明分阶段调控方式的栅极驱动电路结构图； [0026] 图4为继电器结构示意图； [0027] 图5为控制器过电流判断原理示意图； [0028] 图6为分阶段调控方式的正常工作状态和过载无调控状态信号通路示意图； [0029] 图7为分阶段调控方式的过载调控状态和无过载调控状态信号通路示意图； [0030] 图8为连续调控方式的栅极驱动电路结构图； [0031] 图9为连续调控方式的正常工作状态和过载无调控状态信号通路示意图； [0032] 图10为连续调控方式的过载调控状态和无过载调控状态信号通路示意图。 具体实施方式[0033] 为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。下面结合附图对本发明做进一步的描述。 [0034] 本发明具体涉及一种通过调节栅极电压提高功率器件过载能力的栅极驱动电路，当负载发生短时过载时，本发明方案通过调节栅极电压以降低导通损耗。如图1所示，调控过程分为四个阶段：正常运行状态、过载无调控状态、过载调控状态、无过载调控状态。过载无调控阶段的开通和关断栅极电压都与正常运行状态相同。过载无调控阶段持续时间越短越好，实施中视情况确定其持续时间，在一些特殊情况下，可以去除过载无调控阶段。过载调控阶段和无过载调控阶段都属于调控阶段，其开通栅极电压高于正常运行状态，其关断栅极电压与正常运行状态相同。无过载调控阶段有助于降低导通损耗，但该阶段并非必须，其持续时间视情况确定。 [0035] 本发明通过当负载发生短时过载时，短暂抬升栅极电压，降低导通电阻RDS，降低功率器件导通损耗，提高功率器件短时过载能力。但由于栅极电压过大可能损坏栅极氧化层，故在实际应用过程中需要顾及可靠性，合理设置栅极电压值和开通栅极电压VGSon抬升时间。MOSFET通态损耗计算公式如下： [0036] [0037] RDS＝RCH+RJFET+Repi+Rsub [0038] [0039] 式中PDC为MOSFET通态损耗，VDSon为导通状态下漏极电压，ID为MOSFET的漏极电流，D是占空比，RDS为导通电阻，RCH为沟道电阻，RJFET为JFET电阻，Repi为外延电阻，Rsub为衬底电阻，LCH是沟道长度，Z是与横截面正交沟道宽度，μni是反型层电子迁移率，COX是栅极MOS结构的单位面积电容，VGS是栅极电压，VTH是阈值电压。上述公式表明，栅极电压VGS增大，沟道电阻RCH减小，导通电阻RDS减小，从而通态损耗PDC减小。类似地，对于IGBT而言，若栅极电压VGE增大，导通压降VCE下降，通态损耗减小。 [0040] 短暂抬升栅极电压调控波形图如图2所示，Inom是器件标称电流，ID是实际电流，VGSon是开通栅极电压，ID/Inom是负载实际工作电流与器件标称电流的比值，比值越大过载越严重。正常工作状态时，实际电流ID与器件标称电流相等Inom，ID/Inom＝1，此时控制器控制可调直流电压源VGSon输出电压VGSon＝15V。发生过载时，负载电流增大，超过正常范围，ID/Inom>1，驱动电路进入过载无调控状态，可调直流电压源VGSon输出电压VGSon＝15V。因为该阶段开通栅极电压和关断栅极电压都与正常运行状态相同，未进行相应调控处理，功率器件损耗会增加，持续时间不宜过长，应控制在几个毫秒内。过载调控状态时，负载电流大于器件标称电流，ID/Inom>1，控制器控制可调直流电压源VGSon进行栅极电压调控。如图2所示，当采用分阶段调控方式时开通栅极电压波形如图2(a)所示，输出电压VGSon＝20V，当采用连续调控方式时开通栅极电压波形如图2(b)所示。无过载调控状态时，负载电流为正常工作范围，ID/Inom＝1，此时执行器输出与过载调控阶段相同。该阶段有助于降低导通损耗，但该阶段并非必须，其持续时间视情况确定。 [0041] 实施方式1 [0042] 该实施方式采用图2(a)的分阶段调控方式，如图3所示，它由一个电流传感器，一个控制器，一个继电器，一个驱动芯片，一个脉冲发生器(输出矩形波)，两个栅极电阻(开通栅极电阻RGon、关断栅极电阻RGoff)，一个被控器件(DUT)，四个直流电压源(两个开通栅极电压源VGSon1和VGSon2，一个关断栅极电压源VGSoff，一个控制器直流供电电压源VCC)和两个接地端(GND1和GND2)组成。继电器内包含公共触点、动断常闭触点(K＝0时开关接触的触点)、动合常开触点(K＝0时开关不接触的触点)。继电器结构示意图如图4所示，动断常闭触点外接开通栅极电压VGSon1(VGSon1＝15V)，动合常开触点外接开通栅极电压VGSon2(VGSon2＝20V)，公共触点连接驱动芯片VGSon输入端。 [0043] 继电器的公共端触点通过导线与驱动芯片VGSon端口相连，继电器的常闭触点(K＝0时开关接触的触点)与开通栅极电压VGSon1相连，继电器的常开触点(K＝0时开关不接触的触点)与开通栅极电压VGSon2相连；驱动芯片一个端口与驱动脉冲发生器相连，一个端口与GND1相连，VGSon端口与继电器VGSon输出端口相连，VGSoff端口与直流电压源VGSoff相连，on端口与栅极开通电阻RGon一端相连，off端口与栅极关断电阻RGoff一端相连，GND2端口与被控器件源极(S)相连同时接地(GND2)。 [0044] 当电流I大于由过电流继电器的安装位置和工作任务而预先给定的动作值Iop时，比较环节有输出，如图5所示，输出信号再经控制器处理、放大后输入继电器线圈。当线圈通电后，铁心中产生磁通，在电磁吸力的作用下衔铁克服弹簧反力带动触点系统动作，动断常闭触点断开，动合常开触点闭合，信号通路如图7所示，实现开通栅极电压由VGSon1到VGSon2的切换。由于需要靠电磁力驱动机械触点的转动与闭合，需要一定的功率和时间，继电器有自身固有动作时间(几毫秒)，一般的干扰不会造成误动作。线圈失电或线圈通过的电流显著降低，小于能使过电流继电器返回原先状态的返回电流Ire(Ire [0045] 该实施方式中，驱动电路处于不同工作状态下，继电器工作状态如下表所示： [0046]驱动电路工作状态 继电器公共触点K的吸合状态 继电器电磁铁线圈电流状态正常工作状态 0 小于动作值Iop 过载无调控状态 0 小于动作值Iop 过载调控状态 1 大于动作值Iop 无过载调控状态 1 大于返回电流Ire [0047] 如图6所示，当驱动电路处于正常工作状态和过载无调控状态时，继电器电磁铁线圈电流小于继电器动作值Iop，继电器公共触点K吸合在0号触点，驱动芯片的栅极开通电压为VGSon1。 [0048] 如图7所示，当驱动电路处于过载调控状态时，继电器电磁铁线圈电流大于继电器动作值Iop，继电器公共触点K吸合在1号触点。当驱动电路处于无过载调控状态时，继电器电磁铁线圈电流大于继电器返回电流Ire，继电器公共触点仍吸合在1号触点。在这两种工作状态下，驱动芯片的栅极开通电压为VGSon2。 [0049] 本实施方式中，开通栅极电压(VGSon)为正电压，典型值大于等于10V且小于等于20V；关断栅极电压(VGSoff)为负电压，典型值大于等于‑10V且小于等于‑2V；开通栅极电压(VGSon)包含开通栅极电压1(VGSon1)和开通栅极电压2(VGSon2)两种电压状态，典型值分别为 15V和20V，关断栅极电压VGSoff为负电压，典型值为‑5V。 [0050] 实施例2 [0051] 如图8所示，本实施例中短暂抬升栅极电压方式驱动电路采用连续调控方式，它由一个电流传感器，一个控制器，一个继电器，三个直流电压源(一个可调直流电压源VGSon，一个关断栅极电压源VGSoff，一个控制器直流供电电压源VCC)，一个驱动芯片，一个脉冲发生器，两个栅极电阻(开通栅极电阻RGon，关断栅极电阻RGoff)，一个被控器件(DUT)和两个接地端(GND1和GND2)组成。电流传感器用于监测主回路电流情况。控制器对电流传感器反馈信号进行分析处理，控制继电器工作状态从而控制可调直流电压源VGSon工作状态，输出连续变化的开通栅极电压VGSon。 [0052] 电流传感器一次侧串连进入主回路，二次侧与控制器相连；控制器一个端口与电流传感器相连，一个端口与继电器电磁铁线圈相连，一个端口与控制器直流供电电压源VCC相连；可调直流电压源VGSon一个端口与继电器动断常闭触点(K＝0时开关接触的触点)相连，一个端口与继电器动合常开触点(K＝0时开关不接触的触点)相连，一个端口接地(GND2)；继电器的公共端触点通过导线与驱动芯片VGSon端口相连，继电器的常闭触点(K＝0时开关接触的触点)和继电器的常开触点(K＝0时开关不接触的触点)与可调直流电压源VGSon的两个不同输出端口相连；驱动芯片其中一个端口与驱动脉冲发生器相连，一个端口接地(GND1)，VGSon端口与继电器公共触点端口相连，on端口与开通栅极电阻RGon一端相连，off端口与关断栅极电阻RGoff一端相连，GND2端口与被控器件源极(S)相连并接地(GND2)，VGSoff端口与直流电压源VGSoff相连；开通栅极电阻RGon一端与驱动芯片on端口相连，另一端与被控器件的栅极(G)相连；关断栅极电阻RGoff一端与驱动芯片off端口相连，另一端与被控器件的栅极(G)相连。 [0053] 如图9所示，当驱动电路处于正常工作状态和过载无调控状态时，继电器电磁铁线圈电流小于继电器动作值Iop，继电器公共触点K吸合在0号触点，驱动芯片的栅极开通电压为低电压状态。 [0054] 如图10所示，当驱动电路处于过载调控状态时，继电器电磁铁线圈电流大于继电器动作值Iop，继电器公共触点K吸合在1号触点，VGSon电源输出逐渐增大的电压。当驱动电路处于无过载调控状态时，继电器电磁铁线圈电流大于继电器返回电流Ire，继电器公共触点仍吸合在1号触点。在这两种工作状态下，驱动芯片的栅极开通电压为逐渐增大且连续变化状态。 [0055] 本实施方式中，可调直流电压源VGSon为正电压，典型值大于等于10V且小于等于25V，关断栅极电压(VGSoff)为负电压，典型值大于等于‑10V且小于等于‑2V。 |
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