CN106571794A - 一种功率开关器件的闭环控制电路及方法 - Google Patents

一种功率开关器件的闭环控制电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种功率开关器件的闭环控制电路及方法；闭环控制电路包括：电压微分电路，比较器电路，延时电路和电流驱动电路；比较器电路的第一输入端连接至电压微分电路的输出端，比较器电路的第二输入端用于连接参考电压；延时电路的输入端连接至比较器电路的输出端，电流驱动电路的第一输入端连接至延时电路的输出端，电流驱动电路的第二输入端接收PWM信号，电流驱动电路的输出端连接至功率开关器件的控制端；通过微分电路检测电压变化速率dv/dt信号，当dv/dt信号大于参考电压，则控制电流驱动电路，提供瞬时电流，减小门级驱动电流，从而维持电压超调基本不变；本发明可以精确控制驱动电路输出电压和电流，加快关断速度，减小关断损耗。

Description

一种功率开关器件的闭环控制电路及方法
技术领域
本发明属于电力电子领域，更具体地，涉及一种功率开关器件的闭环控制电路及方法。
背景技术
功率开关器件被广泛的应用于各种电力电子设备中，每一个功率开关器件都需要驱动芯片对其进行驱动，传统的驱动芯片采用开环控制电路，无法通过反馈回路实现门极驱动电流的实时控制。
传统控制电路采用开环控制，使用电压型结构，通过调整门级电阻Rg的大小来控制开关速度。减小Rg，可以增大器件门极电流，加快开关速度，减少开关损耗，但同时会造成电压超调量的增加，带来电磁干扰(EMI)问题，甚至造成器件的过压损坏；增大Rg，可以减小门极电流，减小电压超调量，但会减慢开关速度，使开关损耗增加，造成发热等不良效果。传统开环控制电路，无法依靠调整Rg，解决电压超调和开关损耗的矛盾。
传统开环控制电路下，功率开关器件的门级电流受门级电阻Rg和门级电压Vge共同影响，无法对门级电流实现精确控制，没有反馈回路，无法根据反馈信号对门级电流实现实时控制。
开关损耗在功率开关器件总损耗中占比较大，而传统开环控制电路无法解决电压超调和开关损耗的矛盾，发明一种新的控制电路来解决电压超调和开关损耗的矛盾有很大的市场需求。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于通过所述闭环控制电路，对功率开关器件关断过程门极驱动电流实现分阶段实时控制，在维持电压超调量基本不变的情况下，加快关断速度，减小关断损耗。本发明旨在解决现有技术由于采用开环控制电路，单纯依靠调整门极电阻来实现电压超调量和开关损耗的折中，导致功耗大、速度慢的问题。
本发明提供了一种功率开关器件的闭环控制电路，包括：电压微分电路，比较器电路，延时电路和电流驱动电路；电压微分电路的输入端用于连接功率开关器件的输出端，所述比较器电路的第一输入端连接至所述电压微分电路的输出端，所述比较器电路的第二输入端用于连接参考电压Vref；所述延时电路的输入端连接至所述比较器电路的输出端，所述电流驱动电路的第一输入端连接至所述延时电路的输出端，所述电流驱动电路的第二输入端用于接收PWM信号，所述电流驱动电路的输出端用于连接至所述功率开关器件的控制端；电压微分电路用于实时检测关断过程中的电压微分信号并输出，所述比较器电路用于将所述电压微分信号与所述参考电压Vref进行比较，并根据比较结果输出第一控制信号Vout；所述延时电路用于将所述第一控制信号Vout延时一定时间后输出第二控制信号Vout_delay；所述电流驱动模块根据所述第二控制信号Vout_delay决定是否开启反馈电流。
更进一步地，所述电压微分电路包括：电阻R和电容C；所述电阻R和所述电容C串联后连接到功率开关器件的输出端。
更进一步地，延时电路包括：电阻R0和电容C0；所述电阻R0的一端作为所述延时电路的输入端，所述电阻R0的另一端作为所述延时电路的输出端，所述电容C0的一端连接在所述电阻R0的另一端，所述电容C0的另一端接地。
更进一步地，工作时，电流驱动电路采用最大允许电流驱动功率开关器件使其加快关断速度；当电压微分电路检测的电压微分信号大于参考电压Vref时，比较器输出控制信号，并控制电流驱动电路为功率开关器件提供瞬时正向充电电流，减小关断过程中的电压超调。
本发明还提供了一种功率开关器件的闭环控制方法，包括下述步骤：
(1)实时采集IGBT关断过程中的电压微分值；
(2)将采集的电压微分值与比较器预设的参考电压进行比较，并输出比较结果；
(3)将比较结果经过一定延时后控制电流驱动模块的工作状态，并在IGBT关断过程中提供大小可控的驱动电流。
更进一步地，当电压微分值大于比较器预设参考电压时，比较器输出的控制信号使得电流驱动模块对IGBT器件栅极提供正向充电电流，减小IGBT栅极总的反向放电电流，以减缓IGBT器件两端电压上升的趋势，降低电压超调；当电压微分值再次小于比较器预设参考电压时，反馈回路关闭，电流驱动模块也随之关闭，器件继续使用大电流放电，实现快速关断。
更进一步地，比较器预设的参考电压在0～Vdd之间，通常为Vdd/2，Vdd为电源电压。
更进一步地，在步骤(3)中，延时电路所提供延时时间根据所测电压尖峰的波形来调节，当所测电压尖峰波形出现双峰时，则调整延时模块电阻R0和电容C0的值，加大延时时间，减慢反馈速度；当所测电压尖峰波形在尖峰之后有明显下凹，则调整延时模块电阻R0和电容C0的值，减小延时模块，加快反馈速度。
更进一步地，所述延时时间为10ns到15ns。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于采用闭环控制电路，可以分阶段实时控制功率开关器件门极电流，相比于传统开环控制电路使用的恒定较小电流驱动，闭环控制电路可以采用更大的电流驱动，在电压尖峰产生阶段，通过反馈回路，减小门极驱动电流，从而取得在维持电压超调量基本不变的情况下，加快关断速度，减小关断损耗的有益效果。
附图说明
图1为现有技术提供的器件关断过程中传统开环控制电路和闭环控制电路波形对比图；
图2为本发明提供的能够降低关断损耗的功率开关器件的闭环控制电路框图；
图3为本发明提供的能够降低关断损耗的功率开关器件的闭环控制电路中电压微分电路的原理图；
图4为本发明提供的能够降低关断损耗的功率开关器件的闭环控制电路中比较器电路的原理图；
图5为本发明提供的能够降低关断损耗的功率开关器件的闭环控制电路中延时电路的原理图；
图6为本发明提供的能够降低关断损耗的功率开关器件的闭环控制电路中电流驱动电路的原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了解决前述功率开关器件传统开环控制电路速度慢、功耗大的问题，本发明提供一种采用电流源模式直接控制驱动电流的闭环控制电路，通过电流驱动电路、电压微分电路、比较器电路和延时电路实现门级驱动电流的闭环实时控制，将整个关断过程分为三个阶段。第一阶段使用器件最大允许电流进行驱动，加快关断速度，第二阶段，通过反馈回路减小驱动电流，从而减小超调电压，第三阶段，反馈回路关闭，器件门级驱动电流恢复最大值，加快关断速度。相较于传统开环控制电路，电压超调量基本不变，而关断速度加快，关断损耗减小。
本发明提供的能够降低关断损耗的功率开关器件的闭环控制电路包括：电压微分电路，比较器电路，延时电路，电流驱动电路。电压微分电路，用于实时检测关断过程中的dv/dt信号，并传递给比较器电路，比较器电路将接受到的dv/dt信号与所接参考电压Vref进行比较，并输出控制信号Vout，延时电路，将Vout延时一定时间后的输出信号Vout_delay传递给电流驱动模块，电流驱动模块根据所接收到的Vout_delay信号决定是否开启反馈电流。
图1为现有技术提供的器件关断过程中传统开环控制电路和闭环控制电路波形对比图，图中实线代表传统开环控制电路下功率开关器件关断过程中的波形图，虚线表示本发明所述闭环控制电路下功率开关器件关断过程中的波形图。第一阶段，本发明所述闭环控制电路对功率开关器件门级提供器件最大允许电流进行驱动，相比于传统开环控制电路使用的恒定较小电流驱动，Vce斜率升高，电流下降速度更快，关断时间更小；第二阶段，对功率开关器件的门级电流实行闭环控制，通过电压微分电路检测电压变化速率dv/dt信号，与比较器的参考电压Vref进行比较，当dv/dt信号大于Vref时，则控制电流驱动电路，提供瞬时电流，减小门级驱动电流，从而维持电压超调基本不变；第三阶段，当电压微分电路检测到的dv/dt信号小于比较器参考电压时，则反馈回路中电流驱动电路不提供瞬时电流，功率开关器件门级驱动电流恢复最大值，加快关断速度。相较于传统开环控制电路，本发明所提出的功率开关器件闭环控制电路，可以实现在维持电压超调基本不变的情况下，加快功率开关器件关断速度，减小关断损耗。
本发明提供的功率开关器件的闭环控制电路中，通过电流驱动电路、电压微分电路、比较器电路和延时电路实现门级驱动电流的闭环实时控制。以功率开关器件IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)为例，所述电压微分电路通过电容电阻串联检测IGBT开关过程中的电压微分信号，并传递给比较器，所述比较器电路将检测到的电压微分信号与参考电压进行比较，并输出控制信号，所述延时电路，将比较器输出的控制信号进行一定的延时，并输出到电流驱动电路，所述电流驱动电路根据比较器输出的控制信号，提供IGBT关断过程中所需的瞬时电流。
在本发明实施例中，电压微分电路通过电容C和电阻R串联检测IGBT关断过程中的dv/dt信号。将电阻R和电容C串联后连接到IGBT的集电极，在IGBT开关过程中，集电极电压发生改变，使得电容C有充放电现象发生，故有电流流过与之串联的电阻R，将电阻R上的电压取出，即为检测到的dv/dt信号，通过改变电容C和电阻R的值，可以改变检测到的dv/dt信号的值，在Vref不变的情况下可以改变反馈回路开启的时间。
在本发明实施例中，比较器电路将dv/dt信号限制在一个固定的电压范围内，超出此范围则输出控制信号使反馈回路工作。当电压微分电路检测到器件关断过程中的dv/dt信号大于比较器的参考电压Vref时，比较器电路输出控信号Vout，经由延时电路，传递到电流驱动电路，从而提供正向充电电流，即相当于减小总的放电电流，从而控制电压超调。当dv/dt信号小于参考电压Vref时，反馈回路关闭。通过改变参考电压Vref的值，也能够改变反馈回路开启的时间。
在本发明实施例中，延时电路将比较器输出的控制信号，经过一定的延时后，传输给电流驱动电路，从而调整整个反馈回路的延时，满足电路设计的要求。延时电路采用RC延时电路，通过调整电阻R0和电容C0的值，可以改变延时，进而改变反馈信号起作用的时间。
在本发明实施例中，可以通过调整电压微分电路中的R、C值，比较器电路中Vref的值和延时电路中的R0、C0值，来控制反馈回路的延时，从而使电流驱动电路在适当的时间提供正向充电电流，达到减小电压超调的目的。
在本发明实施例中，电流驱动电路提供正向充电电流和反向放电电流，并通过反馈回路调节来控制门极总的驱动电流大小。
下面结合附图对本发明闭环控制电路的具体实施方式作进一步说明：
图2为本发明的原理框图，一种能够降低关断损耗的功率开关器件的闭环控制电路，具体包括电流驱动电路、电压微分电路、比较器电路和延时电路组成的闭环控制回路。以功率开关器件IGBT为例，电压微分电路通过电阻电容串联来检测IGBT开关过程中的dv/dt信号，然后将该信号传输到比较器输入端，与比较器的参考电压进行比较，输出控制信号，通过延时模块接到电流驱动电路，控制电流驱动电路输出瞬态电流，电流驱动电路接在IGBT的门级。IGBT关断过程分为三个阶段，第一阶段使用器件最大允许电流进行驱动，加快关断速度；第二阶段，当电压微分电路检测到的dv/dt信号大于比较器参考电压Vref时，比较器输出控制信号控制电流驱动电路为其提供的瞬时正向充电电流，减小关断过程中的电压超调；第三阶段，反馈回路关闭，器件门级驱动电流恢复最大值，加快关断速度。相较于传统开环控制电路，本发明所提出的功率开关器件闭环控制电路，可以实现在维持电压超调基本不变的情况下，加快功率开关器件关断速度，减小关断损耗。
图3为本发明实施例使用的电压微分电路原理图，以功率开关器件IGBT为例，将电阻R和电容C串联后连接到IGBT的集电极，在IGBT开关过程中，集电极电压发生改变，使得电容C有充放电现象发生，故有电流流过与之串联的电阻R，将电阻R上的电压取出，即为检测到的dv/dt信号。通过改变电容C和电阻R的值，可以改变检测到的dv/dt信号的值，在Vref不变的情况下可以改变反馈回路开启的时间。
图4为本发明实施例使用的比较器电路原理图，其中参考电压Vref接同相输入端，dv/dt信号接反向输入端，当检测到的dv/dt信号大于参考电压Vref时，比较器输出信号Vout为低电平，控制电流驱动电路提供正向充电电流，减小IGBT门极总的反向关断电流，减小电压超调，当dv/dt信号小于Vref时，比较器输出信号Vout为高电平，反馈回路不工作。通过调整预设参考电压Vref的值，可以改变反馈回路开启的时间。
图5为本发明实施例使用的延时电路原理图，延时电路采用RC延时电路，输入端口接比较器的输出Vout，输出端口为Vout_delay，其目的在于将比较器输出的控制信号，经过一定的延时后，传输给电流驱动电路，从而调整整个反馈回路的延时，满足电路设计的要求。通过调整电阻R0和电容C0的值，可以改变延时时间，进而改变反馈信号起作用的时间。延时电路所提供延时时间的确定与反馈回路整体延时和反馈回路开启的时间有关，延时时间具体根据所测电压尖峰的波形调节，当所测电压尖峰波形出现双峰时，则调整延时模块电阻R0和电容C0的值，加大延时时间，减慢反馈速度，当所测电压尖峰波形在尖峰之后有明显下凹，则调整延时模块电阻R0和电容C0的值，减小延时模块，加快反馈速度，通常延时模块提供的延时为10ns到15ns。
图6为本发明实施例使用的电流驱动电路原理图，整个驱动电路可看作由MOS管组成的受控电流源。当PWM信号为低电平时，电流源下管NMOS导通，为IGBT门极提供反向关断电流，IGBT开始关断，当电压微分电路检测到的dv/dt信号大于比较器的参考电压Vref时，比较器输出信号Vout为低电平，则延时模块输出信号Vout_delay为低电平时，电流源上管PMOS导通，为IGBT门极提供正向充电电流，减小IGBT门极总的反向关断电流，减小电压尖峰。当dv/dt信号小于Vref时，则反馈回路停止工作。
本发明还提供了一种功率开关器件的闭环控制方法，包括下述步骤：
(1)实时采集IGBT关断过程中的电压微分值；
(2)将采集的电压微分值与比较器预设的参考电压进行比较，并输出比较结果；
(3)将比较结果经过一定延时后控制电流驱动模块的工作状态，并在IGBT关断过程中提供大小可控的驱动电流。
其中，当电压微分值大于比较器预设参考电压时，比较器输出的控制信号使得电流驱动模块对IGBT器件栅极提供正向充电电流，减小IGBT栅极总的反向放电电流，以减缓IGBT器件两端电压上升的趋势，降低电压超调；当电压微分值再次小于比较器预设参考电压时，反馈回路关闭，电流驱动模块也随之关闭，器件继续使用大电流放电，实现快速关断。
其中，比较器预设的参考电压在0～Vdd之间，通常为Vdd/2，Vdd为电源电压。
其中，在步骤(3)中，延时电路所提供延时时间的确定与反馈回路整体延时和反馈回路开启的时间有关，延时时间具体根据所测电压尖峰的波形调节，当所测电压尖峰波形出现双峰时，则调整延时模块电阻R0和电容C0的值，加大延时时间，减慢反馈速度，当所测电压尖峰波形在尖峰之后有明显下凹，则调整延时模块电阻R0和电容C0的值，减小延时模块，加快反馈速度，通常延时模块提供的延时为10ns到15ns。
本发明所述闭环控制方法，通过电压微分电路，比较器电路，延时电路和电流驱动电路构成闭环控制回路，实现对功率开关器件门极电流的分阶段实时控制，相比于传统开环控制电路使用的恒定较小电流驱动，闭环控制电路可以采用更大的电流驱动，在电压尖峰产生阶段，通过反馈回路，减小门极驱动电流，从而取得在维持电压超调量基本不变的情况下，加快关断速度，减小关断损耗的有益效果。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种功率开关器件的闭环控制电路，其特征在于，包括：电压微分电路，比较器电路，延时电路和电流驱动电路；
所述电压微分电路的输入端用于连接功率开关器件的输出端，所述比较器电路的第一输入端连接至所述电压微分电路的输出端，所述比较器电路的第二输入端用于连接参考电压Vref；所述延时电路的输入端连接至所述比较器电路的输出端，所述电流驱动电路的第一输入端连接至所述延时电路的输出端，所述电流驱动电路的第二输入端用于接收PWM信号，所述电流驱动电路的输出端用于连接至所述功率开关器件的控制端；
所述电压微分电路用于实时检测关断过程中的电压微分信号并输出，所述比较器电路用于将所述电压微分信号与预设参考电压Vref进行比较，并根据比较结果输出第一控制信号Vout；所述延时电路用于将所述第一控制信号Vout延时一定时间后输出第二控制信号Vout_delay；所述电流驱动模块根据所述第二控制信号Vout_delay决定是否开启反馈电流。
2.如权利要求1所述的闭环控制电路，其特征在于，所述电压微分电路包括：电阻R和电容C；所述电阻R和所述电容C串联后连接到功率开关器件的输出端。
3.如权利要求1所述的闭环控制电路，其特征在于，所述延时电路包括：电阻R0和电容C0；所述电阻R0的一端作为所述延时电路的输入端，所述电阻R0的另一端作为所述延时电路的输出端，所述电容C0的一端连接在所述电阻R0的另一端，所述电容C0的另一端接地。
4.如权利要求1所述的闭环控制电路，其特征在于，工作时，电流驱动电路采用最大允许电流驱动功率开关器件使其加快关断速度；当电压微分电路检测的电压微分信号大于参考电压Vref时，比较器输出控制信号，并控制电流驱动电路为功率开关器件提供瞬时正向充电电流，减小关断过程中的电压超调。
5.一种功率开关器件的闭环控制方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)实时采集IGBT关断过程中的电压微分信号；
(2)将采集的电压微分值与比较器预设的参考电压进行比较，并输出比较结果；
(3)将比较结果经过一定延时后控制电流驱动模块的工作状态，并在IGBT关断过程中提供大小可控的驱动电流。
6.如权利要求5所述的闭环控制方法，其特征在于，当采集的电压微分信号大于比较器预设参考电压时，比较器输出的控制信号使得电流驱动模块对IGBT器件栅极提供正向充电电流，减小IGBT栅极总的反向放电电流，以减缓IGBT器件两端电压上升的趋势，降低电压超调；当电压微分值再次小于比较器预设参考电压时，反馈回路关闭，电流驱动模块也随之关闭，器件继续使用大电流放电，实现快速关断。
7.如权利要求5所述的闭环控制方法，其特征在于，比较器预设的参考电压在0～Vdd之间，通常为Vdd/2，Vdd为电源电压。
8.如权利要求5所述的闭环控制方法，其特征在于，在步骤(3)中，延时电路所提供延时时间根据所测电压尖峰的波形来调节，当所测电压尖峰波形出现双峰时，则调整延时模块电阻R0和电容C0的值，加大延时时间，减慢反馈速度；当所测电压尖峰波形在尖峰之后有明显下凹，则调整延时模块电阻R0和电容C0的值，减小延时模块，加快反馈速度。
9.如权利要求8所述的闭环控制方法，其特征在于，所述延时时间为10ns到15ns。
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