CN115001249A - 一种数字化可变电流源功率开关器件门极驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种数字化可变电流源功率开关器件门极驱动器，其包括核心控制器、开通电流源阵列和关断电流源阵列；所述开通电流源阵列的电流输出端与所述功率开关器件的门极相连接，所述关断电流源阵列的电流输入端与所述功率开关器件的门极相连接；所述开通电流源阵列和关断电流源阵列均包括若干个电流源子单元，所述核心控制器对其输入高电平信号或低电平信号以控制该电流源子单元的激活或非激活状态，激活状态下的电流源子单元流过预设的电流，非激活状态下的电流源子单元不流过电流。本发明可以使驱动器的输出电流动态可调，结合灵活的控制策略，可以提高功率开关器件的开关速度、降低开关损耗的同时，保证功率开关器件工作在其安全工作区内，提高***的可靠性。

Description

一种数字化可变电流源功率开关器件门极驱动器
技术领域
本发明属于功率半导体器件驱动器领域。更具体地说，涉及一种数字化可变电流源功率开关器件门极驱动器，可用来驱动Si功率开关器件和SiC功率开关器件。
背景技术
门极驱动器，也叫栅极驱动器，控制着电力电子变换器中的功率半导体器件的开通、关断状态并对其开关性能有着重要的影响。可使用门极驱动器的功率开关器件包括：金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)晶体管等功率器件。门极驱动器作为控制单元信号与被控功率开关器件之间的纽带，为功率开关器件的门极控制端子提供必要的电压电流，进而有效控制功率开关器件在功率回路中的开通和关断动作。
当功率开关器件在电力变换器中运行时，其完全导通(允许大电流流过)或完全关断(不允许大电流流过)状态是变换器所需的。但不可避免的是：功率开关器件在完全导通与完全关断状态之间存在切换过程。在切换过程中，会存在开关延时和电压电流的尖峰，严重时会造成功率开关器件的失效。同时，在切换过程的时间内，由于电流和电压的交叠，功率开关器件上会产生开关损耗，这会降低电力电子变换器的效率、增加其散热***的设计负荷。
传统的Si或SiC功率开关器件驱动器普遍是采用基于电压源的驱动方式，即通过在门极施加一定的直流电压并通过门极电阻限流的方式来驱动。驱动器驱动前述功率器件的本质是对门极结电容注入(充电)和抽出电荷(放电)来实现对功率器件开关状态的控制。由于功率器件门极结电容、密勒效应和门极回路寄生电感的影响，很难做到对门极电容的非线性充放电过程进行精准控制，即难以对开关管的瞬态开关过程进一步优化。同时，固定的驱动电压和门极电阻也使传统的驱动器限制了调控的灵活性，无法在器件运行过程中进行调节。
针对功率开关器件的单个开关周期而言，由于其开关速度快(尤其是SiC器件)，一般在数十ns至数μs时间内完成。因此需要驱动器在极短的时间内完成多次驱动电流值的切换，来主动优化该开关周期内的瞬态过程。针对功率开关器件的长期运行而言，考虑到功率器件的工作条件和全生命周期老化和健康状态在其长达数年的运行周期内是动态变化的，在应用中有针对性的调节驱动电流水平来实现长期动态优化是一个现实的需求。对以上单个开关周期和长周期运行的优化需求，现有技术无法实现。
发明内容
针对现有技术中驱动电流灵活性不足且难以满足同时减小开关损耗、降低开关延时和抑制电压电流斜率、过冲尖峰要求的问题，本发明提供了一种数字化可变电流源功率开关器件门极驱动器。本发明提供了一种基于电流源的驱动方式，从而对门极充放电电荷实现更精准的控制。同时，使用本发明的电路使门极驱动器的输出电流灵活可调，且能针对功率开关器件的瞬态开关切换过程以及全生命周期内根据老化和健康状态进行动态优化，从而实现降低开关损耗和开关延时、抑制电压电流过冲尖峰的控制效果。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种数字化可变电流源功率开关器件门极驱动器，所述驱动器包括驱动器电路单元和核心控制器；
所述驱动器电路单元包括正电源、负电源、开通电流源阵列和关断电流源阵列；
所述正电源与开通电流源阵列的电流输入端相连接，所述开通电流源阵列的电流输出端与所述功率开关器件的门极相连接，所述负电源与关断电流源阵列的电流输出端相连接，所述关断电流源阵列的电流输入端与所述功率开关器件的门极相连接；
所述开通电流源阵列和关断电流源阵列均包括若干个电流源子单元，每个电流源子单元包含一个控制信号输入端，所述核心控制器对其输入高电平信号或低电平信号以控制该电流源子单元的激活或非激活状态，激活状态下的电流源子单元流过预设的电流，非激活状态下的电流源子单元不流过电流。
进一步的，所述开通电流源阵列和/或关断电流源阵列被配置为其各个电流源子单元流过的预设电流可以大小相等。
进一步的，所述开通电流源阵列和/或关断电流源阵列被配置为其各个电流源子单元流过的预设电流也可以大小不相等。
进一步的，所述开通电流源阵列或关断电流源阵列的工作总电流为其包含的已激活的各个电流源子单元的预设电流叠加。这样，驱动器的输出电流即可实现灵活可调，能针对功率开关器件的瞬态开关切换过程以及全生命周期内根据老化和健康状态进行动态优化，从而实现降低开关损耗和开关延时、抑制电压电流过冲尖峰的控制效果。
进一步的，所述核心控制器为FPGA或者CPLD；所述驱动器被配置为通过所述核心控制器发出的多路控制电平信号来设置激活的电流子单元的数量。
进一步的，所述功率开关器件为IGBT或SiC MOSFET。
进一步的，所述电流源子单元的电路包括电流镜电路；或
所述电流源子单元的电路包括晶体管Q1、齐纳二极管D1和一个用作控制开关的晶体管Q3；或
所述电流源子单元的电路包括晶体管Q1和运算放大器OP1。
相比于现有技术，本发明的优点在于：
(1)采用本发明的可变电流源驱动电路，可以使驱动器的输出电流动态可调。结合灵活的控制策略，可以提高功率开关器件的开关速度、降低开关损耗的同时，保证功率开关器件工作在其安全工作区内，提高***的可靠性。
(2)采用本发明的基于电流源阵列的驱动电路结构，由于分散降低了单个电流源单元的负荷，可以实现纳秒级别的门极电流动态调整能力，可适应更快速的功率开关器件。且电流可调范围宽、灵活度高，可根据需要自由组合。
附图说明
图1：可变电流源驱动器***原理图；
图2：可变电流源驱动器电路原理图；
图3：电流源电路备选1；
图4：电流源电路备选2；
图5：电流源电路备选3；
图6：可变电流驱动功率开关器件的开通和关断过程。
其中：可变电流门极驱动器100、开通电流源阵列101、关断电流源阵列102、核心控制器芯片103、功率开关器件104、电力变换器***的主控制器106、带电气隔离的信号传输器105、电流源子单元201。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例进一步描述本发明的技术方案。
实施例1
如图1所示的可变电流门极驱动器***，其包括可变电流门极驱动器100、被驱动的功率开关器件104、电力变换器***的主控制器106和带电气隔离的信号传输器105。所述可变电流门极驱动器100包括开通电流源阵列101、关断电流源阵列102和核心控制器芯片103。核心控制器芯片103既可以是现场可编程逻辑门阵列(FPGA)，也可以是复杂可编程逻辑器件(CPLD)。功率开关器件104既可以是IGBT，也可以是SiC MOSFET。
图2所述的可变电流门极驱动器100包含了更多电路细节。可变电流门极驱动电路包括具有多个电流源子单元的开通电流源阵列101。基于激活的电流源子单元201的数量，可以确定门极开通电流的大小，从而控制开关管的瞬态开通过程。可以通过核心控制芯片103发出的多路控制电平信号来设置激活的子单元的数量。类似的，前述的实施方式也应用在关断电流源阵列102，用来控制门极关断电流的大小，进而控制功率开关器件104的瞬态关断过程。
开通电流源阵列101附加地包括正电源VGG+，为开通电流源阵列供电，同时设置功率开关器件104的稳态开通电压。对IGBT而言，VGG+一般为+15V；对SiC MOSFET而言，VGG+一般为+20V。
关断电流源阵列102附加地包括负电源VGG-，为关断电流源阵列供电，同时设置功率开关器件104的稳态关断电压。VGG-一般取值在-5V至-15V之间。
可变电流门极驱动器附加地包括核心控制器芯片103，为可变电流门极驱动电路中的各电流源子单元201现场提供控制信号。
在第一子实施例中，开通电流源阵列101和关断电流源阵列102中的各个子单元电流值设置为相同大小。例如，开通电流源阵列101可以包括5个子单元201，每个子单元设置为电流0.1A。当控制信号激活1个子单元时，阵列输出最小0.1A电流为门极充电；当控制信号激活5个子单元时，阵列输出最大0.5A电流为门极充电。共有5种电流大小可供选择。关断电流源阵列102同理。
第二子实施例中，开通电流源阵列101和关断电流源阵列102中的各个子单元电流值设置为不同大小。例如，开通电流源阵列101可以包括5个子单元201，各个子单元的电流可以分别设置为0.1A；0.2A；0.3A；0.4A；0.5A的组合。通过单个子单元的激活或多个子单元组合的激活，可以获得比第一子实施例中5种电流值更多的选择。关断电流源阵列102同理。
如图3所示，电流源子单元201的具体电路可以使用电流镜电路。电流源子单元201包括电流镜电路和一个用作控制开关的晶体管Q3。电流镜包括两个晶体管Q1和Q2。其工作电流大小通过电阻R3来设置。备选地，可以使用图4所示的电路。其包括晶体管Q1、齐纳二极管D1和一个用作控制开关的晶体管Q3。其工作电流大小通过齐纳二极管D1的反向电压和电阻R1来设置。备选地，可以使用图5所示的电路。其包括晶体管Q1和运算放大器OP1。其工作电流大小通过电阻R1来设置。在各备选方案中，也可以使用MOSFET来代替双极结型晶体管(BJT)。
图6示意了可变电流驱动功率开关器件的开通和关断过程：
【t0至t1阶段】：在t0时刻，功率器件由初始关断状态开始其开通瞬态过程。驱动器向功率开关器件门极端子注入门极电流IG1，其大小决定门极电压VG的上升速度。这一阶段内功率开关器件的电流I和电压V均不变化，即开通延时。设置较大的IG1即可缩短开通延时。
【t1至t2阶段】：在t1时刻，门极电压VG达到阈值电压Vth，这一阶段内功率开关器件的电流I以斜率di/dt上升。这一阶段内的电流和电压交叠会产生功率损耗，同时di/dt会导致电流过冲尖峰Ipeak。驱动器向功率开关器件门极端子注入门极电流IG2，其大小决定电流I的上升速度di/dt，进而影响损耗和电流尖峰的大小。
【t2至t3阶段】：在t2时刻，功率开关器件的电流I的切换结束，电压V开始以斜率dv/dt下降。这一阶段内的电流和电压交叠会产生功率损耗。驱动器向功率开关器件门极端子注入门极电流IG3给米勒电容充电，同时VG被钳位在米勒平台电压不变，IG3的大小决定电压V的下降速度dv/dt。设置较大的IG3即可减小开通过程的损耗。
【t3至t4阶段】：在t3时刻，功率开关器件的电压V的切换结束。驱动器继续向功率开关器件门极端子注入门极电流IG4直至VG上升到正电源电压VGG+。至此，功率开关器件的开通瞬态过程全部完成。
【t5至t6阶段】：在t5时刻，功率器件由初始开通状态开始其关断瞬态过程。驱动器从功率开关器件门极端子抽出门极电流IG5，其大小决定门极电压VG的下降速度。这一阶段内功率开关器件的电流I和电压V均不变化，即关断延时。设置较大的IG5即可缩短关断延时。
【t6至t7阶段】：在t6时刻，门极电压VG达到米勒平台电压，这一阶段内功率开关器件的电压V以斜率dv/dt上升。这一阶段内的电流和电压交叠会产生功率损耗。驱动器从功率开关器件门极端子抽出门极电流IG6给米勒电容放电，同时VG被钳位在米勒平台电压不变，IG6的大小决定电压V的上升速度dv/dt。设置较大的IG6即可减小关断过程的损耗。
【t7至t8阶段】：在t7时刻，功率开关器件的电压V的切换结束，电流I开始以斜率di/dt下降。这一阶段内的电流和电压交叠会产生功率损耗，同时di/dt会导致电压过冲尖峰Vpeak。驱动器从功率开关器件门极端子抽出门极电流IG7，其大小决定电流I的下降速度di/dt，进而影响损耗和电压尖峰的大小。
【t8至t9阶段】：在t8时刻，功率开关器件的电流I的切换结束。驱动器继续从功率开关器件门极端子抽出门极电流IG8直至VG下降到负电源电压VGG-。至此，功率器件的关断瞬态过程全部完成。
以上说明中的门极电流包括IG1至IG8均可根据优化目标动态调整，通过本发明的可变电流的功率开关器件数字化门极驱动器实现。

Claims (5)

1.一种数字化可变电流源功率开关器件门极驱动器，其特征在于：所述驱动器包括驱动器电路单元和核心控制器；
所述驱动器电路单元包括正电源、负电源、开通电流源阵列和关断电流源阵列；
所述正电源与开通电流源阵列的电流输入端相连接，所述开通电流源阵列的电流输出端与所述功率开关器件的门极相连接，所述负电源与关断电流源阵列的电流输出端相连接，所述关断电流源阵列的电流输入端与所述功率开关器件的门极相连接；
所述开通电流源阵列和关断电流源阵列均包括若干个电流源子单元，每个电流源子单元包含一个控制信号输入端，所述核心控制器对其输入高电平信号或低电平信号以控制该电流源子单元的激活或非激活状态，激活状态下的电流源子单元流过预设的电流，非激活状态下的电流源子单元不流过电流。
2.根据权利要求1所述的一种数字化可变电流源功率开关器件门极驱动器，其特征在于：
所述开通电流源阵列和/或关断电流源阵列被配置为其各个电流源子单元流过的预设电流可以设置为大小相等，也可以设置为大小不相等；
所述开通电流源阵列或关断电流源阵列的工作总电流为其包含的已激活的各个电流源子单元的预设电流叠加。
3.根据权利要求1所述的一种数字化可变电流源功率开关器件门极驱动器，其特征在于：
所述核心控制器为FPGA或者CPLD；所述驱动器被配置为通过所述核心控制器发出的多路控制电平信号来设置激活的电流子单元的数量。
4.根据权利要求1所述的一种数字化可变电流源功率开关器件门极驱动器，其特征在于：
所述功率开关器件为Si或SiC功率开关器件。
5.根据权利要求1所述的一种数字化可变电流源功率开关器件门极驱动器，其特征在于：
所述电流源子单元的电路包括电流镜电路；或所述电流源子单元的电路包括晶体管Q1、齐纳二极管D1和一个用作控制开关的晶体管Q3；或所述电流源子单元的电路包括晶体管Q1和运算放大器OP1。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117060689A (zh) * 2023-08-23 2023-11-14 浙江大学 电机与门极驱动器的控制装置、电机驱动设备及电机***

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