CN111431395A - 一种基于门极驱动器的开关振铃抑制电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于门极驱动器的开关振铃抑制电路及其控制方法，属于电力电子器件与控制领域。包括驱动电路、ADC采样电路、主控单元，其中驱动电路包含可编程数字电压源、扩流电路，主控单元包含数据检测器、驱动波形发生器、功率开关控制器。主控单元中驱动波形发生器输出信号传输至可编程数字电压源，功率开关控制器输出信号传输至扩流电路，数据检测器接收并处理采样电路发送的数据。采样电路测量流经被测功率开关管的电流，与其集电极/漏极相连。本发明通过调节驱动波形的方式抑制功率开关管的振铃现象，对于不同型号的功率开关管或者不同的负载条件，只需通过程序调节振铃抑制的电压值；本发明抑制振铃现象而不改变变换器的结构，提高变换器的可靠性。

Description

一种基于门极驱动器的开关振铃抑制电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于门极驱动器的开关振铃抑制电路及其控制方法，属于电力电子器件与控制领域。
背景技术
在电力电子变换器中占据主导地位的是电压型变换器，其特点是直流侧电压极性不变和电流双向导通。电压型变换器通常采用不对称可关断功率器件与一个同等容量的二极管反并联构成变换器的开关阀，二极管的反向恢复特性以及变换器电路中的寄生参数会引起开关阀导通时出现振铃现象，产生电磁干扰问题，影响设备中的高速信号，严重降低了功率器件和变换器的可靠性。
振铃现象本质是一种阻尼振荡，虽然在硬件层面上已经开发了许多技术来减少这种振铃现象，例如并联RLC吸收电路、减小母线寄生电感、驱动回路中串接大电阻等。但是RLC吸收电路的电容过大会导致功率器件发热，发生热击穿，电容过小对于振铃的吸收能力不足。紧凑的线路布局能够减小母线的寄生电感，但也会导致变换器在长期工作下热积累。在驱动回路增加电阻使得信号的上升时间变缓，导致半桥电路的死区时间增大，增加额外损耗，降低变换器效率。并且上述三种方法对每个不同的功率晶体管都要进行定制设计，增加开发成本和设计时间。
发明内容
本发明提供一种基于门极驱动器的振铃抑制电路及其控制方法，能够抑制振铃现象而不改变变换器的结构，以期能够提高变换器的可靠性。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于门极驱动器的开关振铃抑制电路，其主电路包含：驱动电路1、采样电路2以及主控单元3，其中，驱动电路1包括可编程数字电压源4、扩流电路5，主控单元3包括数据检测器6、驱动波形发生器7和功率开关控制器8。所述的主控单元3中驱动波形发生器7输出信号传输至驱动电路1中的可编程数字电压源4，功率开关控制器8输出信号传输至驱动电路1中的扩流电路5，数据检测器6接收并处理采样电路2发送的数据。所述的驱动电路1中可编程数字电压源4以及负电源VEE连接扩流电路5为其供电，驱动电路1输出的驱动波形经过驱动电阻Rg的后，控制被测功率开关管。采样电路2测量流经被测功率开关管的电流iC，与其集电极/漏极相连。
所述的可编程数字电压源4，主要由正电源Ui、负电源VEE、储能电容C、电阻R、三极管Q0、开关管Q1和Q2以及可控精密稳压源D1和D2构成，主要作用是在功率开关管开通过程中调节驱动电压，抑制振铃产生。所述正电源Ui与负电源VEE为驱动电路1的供电电源，正电源Ui正极接三极管Q0，正电源Ui负极连接地线，储能电容C与正电源Ui并联，储能电容C的上端连接电源正极，下端连接电源负极。所述开关管Q1与Q2的发射极分别与可控精密稳压源D1与D2的阴极相连，可控精密稳压源D1与D2的阳极接地，开关管Q1与Q2的集电极并连接三极管Q0的门极。所述电阻R的左端连接三极管Q0集电极，右端连接三极管Q0门极。所述三极管Q0的发射极与地线之间的电压为输出电压UO。所述的可编程数字电压源4的电路是在输入直流电压和负载之间串联入一个三极管Q0，当输入正电源Ui或负载阻值变化引起输出电压UO变化时，UO的变化将反映到三极管Q0的发射结电压上，引起三极管导通电压变化，从而调整UO，以保持输出电压的基本稳定。任一开关管Q1或Q2开通，其输出电压均为相应可控精密稳压源的电压值。电阻R两端电压等于输入正电源Ui与输出电压UO之差。可控精密稳压源的稳压值小于输入正电源Ui，即输出电压UO小于正电源Ui电压。
所述的扩流电路5，该电路包含施密特触发器T1、NPN三极管以及PNP三极管。扩流电路5的作用是将数字信号(低电平0V，高电平3.3V)变换为交流方波(负电压-15V，正电压+15V)，并放大驱动能力。所述的施密特触发器、NPN三极管与PNP三极管对输入信号的响应速度要大于受控功率开关管的开关速度。所述NPN三极管与PNP三极管的基极连接施密特触发器T1的输出端；NPN三极管的集电极连接三极管Q0的发射极，而PNP三极管的集电极连接负电源VEE；NPN三极管与PNP三极管的发射极连接驱动电阻Rg的左端。驱动电阻Rg的右端连接被测功率开关管的基极/门极。所述主控单元3输出多路控制信号分别控制Q1、Q2、NPN和PNP开通与关断，以及可控精密稳压源D1与D2的钳位电压值，根据需要进行电路实现或编程实现。
所述采样电路2利用采样芯片对被测功率开关管的电流iC实时采样并完成模/数转换，转换为控制芯片可以接受的数字信号，通过并口数据通讯与主控单元3通信。采样芯片的采样间隔不能高于电流上升时间(从负载电流的10％到负载电流的90％)的一半。
所述数据检测器6被配置成在功率开关控制器8输出信号由低电平跳变至高电平时开始工作，与采样电路2通信并采集流过功率开关管的电流iC。
所述驱动波形发生器7被配置成当数据检测器6采集到的电流数据达到设定值后触发，输出串行信号控制可编程数字电压源4。
所述功率开关控制器8产生PWM驱动波形，由驱动电路1的扩流电路5放大后为变换器中的功率开关管提供驱动信号。
一种基于门极驱动器的开关振铃抑制电路控制方法，包括以下步骤：
步骤一：设定初始可控精密稳压源D1和D2电压值。
步骤二：功率开关控制器8输出低电平，驱动波形发生器7输出两路串行信号控制可控精密稳压源D1和D2分别钳位设定的电压值。
步骤三：功率开关控制器8输出高电平启动被测功率开关管以及数据检测器6，同时可编程数字电压源4的开关管Q1导通，Q2关断。
步骤四：当数据检测器6检测到ADC采样电路2采集到电流值达到负载电流时，可编程数字电压源4的开关管Q2导通，Q1关断。
步骤五：当数据检测器6检测到ADC采样电路2采集到电流值达到第一个峰值时，可编程数字电压源4的开关管Q1导通，Q2关断。
步骤六：利用数据检测器6判断流过功率开关管的电流iC是否存在振铃。若存在，降低可控精密稳压源D2的设定电压值；若不存在，保持可控精密稳压源D2的设定电压值。
步骤七：对于被测开关管的下一个开关周期重复步骤二至步骤六。
本发明的有益效果是：通过调节驱动波形的方式抑制功率开关管的振铃现象。对于不同型号的功率开关管或者不同的负载条件，只需通过程序调节振铃抑制的电压值。本发明降低了变换器成本低，不需要根据不同设备设计合理的变换器电路布局以及吸收电路，同时避免了并联吸收电路产生额外功率损耗。
附图说明
图1是本发明的开关振铃抑制电路框图；
图2是本发明的驱动电路示意图；
图3是本发明基于电流信号得到的输出驱动波形示意图；图3(a)为流经被测功率开关管的电流波形iC示意图，图3(b)为开关振铃抑制电路输出驱动电压vg时序图；
图4是本发明的开关振铃抑制控制方法流程图；
图5是本发明实施例中振铃抑制前后的电流波形图；
图中：1驱动电路；2采样电路；3主控单元；4可编程数字电压源；5扩流电路；6数据检测器；7驱动波形发生器；8功率开关控制器。
具体实施方法
下面结合附图对本发明的实施方法进行详细描述。
图1是本发明的开关振铃抑制电路框图。图2是本发明的驱动电路示意图。图3是本发明基于电流信号得到的输出驱动波形示意图。图4是本发明的开关振铃抑制控制方法流程图。图5是本发明实施例中振铃抑制前后的电流波形图。
图1的开关振铃抑制电路框图包括驱动电路1，ADC采样电路2以及主控单元3，其中驱动电路1包含可编程数字电压源4以及扩流电路5，主控单元3包含数据检测器6，驱动波形发生器7以及功率开关控制器8。
主控单元3中驱动波形发生器7输出信号给驱动电路1中的可编程数字电压源4，功率开关控制器8输出信号给驱动电路1中的扩流电路5，数据检测器6接收并处理采样电路2发送的数据。驱动电路1中可编程数字电压源4以及负电源VEE连接扩流电路5为其供电，驱动电路1输出的驱动波形经过驱动电阻Rg的后，控制被测功率开关管。采样电路2测量流经被测功率开关管的电流iC，与其集电极/漏极相连。
图2的驱动电路示意图中，正电源Ui与负电源VEE为驱动电路1的供电电源，正电源Ui正极接三极管Q0，正电源Ui负极连接地线，储能电容C与输入电源Ui并联，储能电容C的上端连接电源正极，下端连接电源负极。开关管Q1与Q2的发射极分别与可控精密稳压源D1与D2的阴极相连，可控精密稳压源D1与D2的阳极接地，开关管Q1与Q2的集电极并连接三极管Q0的门极。电阻R的左端连接三极管Q0集电极，电阻右端连接三极管Q0门极。三极管Q0的发射极与地线之间的电压为输出电压UO。NPN三极管与PNP三极管的基极连接施密特触发器T1的输出端；NPN三极管的集电极连接三极管Q0的发射极，而PNP三极管的集电极连接负电源VEE；NPN三极管与PNP三极管的发射极连接驱动电阻Rg的左端。驱动电阻Rg的右端连接被测功率开关管的基极/门极。主控单元3输出多路控制信号分别控制Q1、Q2、NPN和PNP开通与关断，以及可控精密稳压源D1与D2的钳位电压值，可以根据需要进行电路实现或编程实现。
图3为是本发明的开关振铃抑制电路输出波形示意图中，在t0时刻，开关振铃抑制电路输出电压vg由VEE变换为正电压；在t1时刻，即流过功率开关管的电流iC达到负载电流IL时，电路输出的电压值改变；在t2时刻，即流过功率开关管的电流iC达到电流最大值IP时，电路输出的电压值恢复为t0到t1之间电压。
图4为本发明的控制方法，包括以下步骤：
步骤一：设定初始可控精密稳压源D1和D2电压值均为15V。
步骤二：功率开关控制器8输出低电平，驱动电路1输出VEE，驱动波形发生器7输出两路串行信号控制可控精密稳压源D1和D2分别钳位设定的电压值。
步骤三：功率开关控制器8在t0时刻输出高电平启动被测功率开关管以及数据检测器6，同时可编程数字电压源4的开关管Q1导通，Q2关断。在此阶段需要为功率开关管的门极提供大电压，使得输入电容快速充电。
步骤四：在t1时刻数据检测器6检测到采样电路2采集到电流值达到负载电流IL时，可编程数字电压源4的开关管Q2导通，Q1关断。在此阶段需要降低门极电流的充电速度。
步骤五：在t2时刻数据检测器6检测到采样电路2采集到电流值达到第一个峰值时，可编程数字电压源4的开关管Q1导通，Q2关断。在此阶段功率开关管的门极恢复大电压，继续为输入电容快速充电。
步骤六：利用数据检测器6判断流过功率开关管的电流iC是否存在振铃。若存在，可控精密稳压源D2的设定电压值降低1V；若不存在，保持可控精密稳压源D2的设定电压值。
步骤七：对于被测开关管的下一个开关周期重复步骤二至步骤六。
图5为第一个开关周期以及第十个开关周期的电流iC，从图中可知，在第一个开关周期(图5虚线所示)，振铃的最大幅值为22.5A；在经过十个开关周期控制后(图5虚线所示)，振铃现象消失。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于门极驱动器的开关振铃抑制电路，其特征在于，所述开关振铃抑制电路的主电路包括驱动电路(1)、采样电路(2)、主控单元(3)，其中，驱动电路(1)包括可编程数字电压源(4)、扩流电路(5)，主控单元(3)包括数据检测器(6)、驱动波形发生器(7)、功率开关控制器(8)；所述的驱动波形发生器(7)输出信号传输至可编程数字电压源(4)，功率开关控制器(8)输出信号传输至扩流电路(5)，数据检测器(6)接收并处理采样电路(2)发送的数据；所述的可编程数字电压源(4)以及负电源VEE连接扩流电路(5)为其供电；采样电路(2)测量流经被测功率开关管的电流，与其集电极/漏极相连；
所述的可编程数字电压源(4)主要由正电源Ui、负电源VEE、储能电容C、电阻R、三极管Q0、开关管Q1和Q2以及可控精密稳压源D1和D2构成，用于在功率开关管开通过程中调节驱动电压，抑制振铃产生；所述正电源Ui与负电源VEE为驱动电路(1)的供电电源，正电源Ui正极接三极管Q0，正电源Ui负极连接地线，储能电容C与正电源Ui并联，储能电容C的上端连接电源正极，下端连接电源负极；所述开关管Q1与Q2的发射极分别与可控精密稳压源D1与D2的阴极相连，可控精密稳压源D1与D2的阳极接地，开关管Q1与Q2的集电极并连接三极管Q0的门极；所述电阻R的左端连接三极管Q0集电极，右端连接三极管Q0门极；所述三极管Q0的发射极与地线之间的电压为输出电压UO；所述的可编程数字电压源(4)的电路是在输入直流电压和负载之间串联入一个三极管Q0，当输入正电源Ui或负载阻值变化引起输出电压UO变化时，UO的变化将反映到三极管Q0的发射结电压上，引起三极管导通电压变化，从而调整UO，以保持输出电压的基本稳定；任一开关管Q1或Q2开通，其输出电压均为相应可控精密稳压源的电压值；电阻R两端电压等于输入正电源Ui与输出电压UO之差；可控精密稳压源的稳压值小于输入正电源Ui，即输出电压UO小于正电源Ui电压；
所述的扩流电路(5)包括施密特触发器T1、NPN三极管以及PNP三极管；扩流电路(5)的作用是将数字信号变换为交流方波，并放大驱动能力；所述NPN三极管与PNP三极管的基极连接施密特触发器T1的输出端；NPN三极管的集电极连接三极管Q0的发射极，而PNP三极管的集电极连接负电源VEE；NPN三极管与PNP三极管的发射极连接驱动电阻Rg的左端；驱动电阻Rg的右端连接被测功率开关管的基极/门极；所述主控单元(3)输出多路控制信号分别控制Q1、Q2、NPN和PNP开通与关断，以及可控精密稳压源D1与D2的钳位电压值，根据需要进行电路实现或编程实现；
所述采样电路(2)利用采样芯片对被测功率开关管的电流iC实时采样并完成模/数转换，转换为控制芯片可以接受的数字信号，通过并口数据通讯与主控单元(3)通信；
所述数据检测器(6)被配置成在功率开关控制器(8)输出信号由低电平跳变至高电平时开始工作，与采样电路(2)通信并采集流过功率开关管的电流iC；
所述驱动波形发生器(7)被配置成当数据检测器(6)采集到的电流数据达到设定值后触发，输出串行信号控制可编程数字电压源(4)；
所述功率开关控制器(8)产生PWM驱动波形，由驱动电路(1)的扩流电路(5)放大后为变换器中的功率开关管提供驱动信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于门极驱动器的开关振铃抑制电路，其特征在于，所述的施密特触发器、NPN三极管与PNP三极管对输入信号的响应速度要大于受控功率开关管的开关速度。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于门极驱动器的开关振铃抑制电路，其特征在于，所述采样电路(2)的采样芯片的采样间隔不能高于电流上升时间的一半，其中电流上升时间为从负载电流的10％到负载电流的90％的时间。
4.根据权利要求1或2或3任一所述的一种基于门极驱动器的开关振铃抑制电路的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：设定初始可控精密稳压源D1和D2电压值；
步骤二：功率开关控制器(8)输出低电平，驱动波形发生器(7)输出两路串行信号控制可控精密稳压源D1和D2分别钳位设定的电压值；
步骤三：功率开关控制器(8)输出高电平启动被测功率开关管以及数据检测器(6)，同时可编程数字电压源(4)的开关管Q1导通，Q2关断；
步骤四：当数据检测器(6)检测到ADC采样电路(2)采集到电流值达到负载电流时，可编程数字电压源(4)的开关管Q2导通，Q1关断；
步骤五：当数据检测器(6)检测到ADC采样电路(2)采集到电流值达到第一个峰值时，可编程数字电压源(4)的开关管Q1导通，Q2关断；
步骤六：利用数据检测器(6)判断流过功率开关管的电流iC是否存在振铃；若存在，降低可控精密稳压源D2的设定电压值；若不存在，保持可控精密稳压源D2的设定电压值；
步骤七：对于被测开关管的下一个开关周期重复步骤二至步骤六。
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