CN221227369U - 一种基于温度反馈的自适应优化有源门极驱动电路 - Google Patents
一种基于温度反馈的自适应优化有源门极驱动电路 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型提供了一种基于温度反馈的自适应优化有源门极驱动电路，包括驱动模块、功率器件结温检测单元、信号转换单元以及信号放大单元，所述驱动模块的输出接于功率器件结温检测单元的输入端，所述功率器件结温检测单元的输出接于信号转换单元的输入端，所述信号转换单元的输出接于信号放大单元的输入端，所述信号放大单元的输出接于驱动模块的输入端。本实用新型通过信号的转换得到功率器件工作时结温与其栅极驱动电压之间的大致关系，由于不同类型的功率器件具有不同的特性和响应行为，可利用此关系进行调节以此降低功率器件的损耗且不会限制于设备特性；通过改变栅源电压的大小来降低损耗有助于提高功率器件的最大使用电流。
Description
技术领域
本实用新型涉及功率半导体器件驱动技术领域，尤其涉及一种基于温度反馈的自适应优化有源门极驱动电路。
背景技术
随着大功率变流技术在风电、光伏发电、机车牵引、电动汽车驱动等工业领域的推广应用，功率变流器的可靠性问题越来越得到人们的广泛关注。功率器件作为变流器***的核心部件，对***的安全可靠运行起着举足轻重的作用，而变流器经常运行于功率大范围波动的环境使得功率模块内部结温高且剧烈波动。器件结温越高，使用寿命越短，结温变化幅度越大，使用寿命也越短。器件的结温与功率器件的损耗之间存在关联，MOSFET底部冷却功率器件的等效热网络由上到下依次连接为裸片、基板、底座、导热油、散热片五个部分。其中每一部分都存在与之对应的热阻抗，工作时便会产生损耗，总功率损耗与热阻抗的积与环境温度相加即为器件的结温Tj。由此可见，当环境温度无变化时，功率损耗与Tj成正比。因此，需要一些方式来降低损耗进而控制结温在正常范围内波动，保证器件的可持续使用。
实际研究表明，MOSFET总功率损耗包括开关损耗和通态损耗且通态损耗与稳态电流成正比、开关损耗与开关频率和开关能量损耗成正比，MOSFET随着栅极驱动电压升高，开通速度越快，开通损耗和通态损耗都越低，反之亦然。所以，VGS与功率器件的损耗之间存在关联，VGS是MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)等功率器件中控制导通的重要参数。适当调整VGS可以控制功率器件的导通特性，从而间接影响功率器件的损耗，可以间接降低功率器件的结温。而传统的结温控制方法限制于设备特性，需要对功率器件的特性和行为有一定的了解，并针对具体器件进行优化。不同类型的功率器件具有不同的特性和响应行为，通用的结温控制方法可能无法适用于所有器件。因此，当结温变化时，若能对应得到栅源电压对应的变化关系，可以利用此关系进行调节以此降低功率器件的损耗且不会限制于设备特性，进而使功率器件保持在适当的工作温度范围内，提高功率器件的最大使用电流。可根据需要来选择适当的栅极驱动电压，进而实现器件损耗控制和结温的自适应调节。
实用新型内容
本实用新型旨在提供一种基于温度反馈的自适应优化有源门极驱动电路克服上述问题或者至少部分地解决上述问题。
为达到上述目的，本实用新型的技术方案具体是这样实现的：
本实用新型的提供了一种基于温度反馈的自适应优化有源门极驱动电路，包括驱动模块、功率器件结温检测单元、信号转换单元以及信号放大单元，所述驱动模块的输出接于功率器件结温检测单元的输入端，所述功率器件结温检测单元的输出接于信号转换单元的输入端，所述信号转换单元的输出接于信号放大单元的输入端，所述信号放大单元的输出接于驱动模块的输入端。
所述驱动模块包括DSP、光耦隔离器、CMOS管、反相器、驱动电阻Rd、碳化硅功率MOSFET，所述DSP输出的PWM信号经光耦隔离器后接于反相器的输入，所述反相器输出接于CMOS管输入端，所述CMOS管中PMOS管源极接于输出电压VCC，NMOS管源极接于输入电压VEE，所述CMOS管输出端经驱动电阻Rd接于碳化硅功率MOSFET的栅极。
所述功率器件结温检测单元包括功率模块内部附有的负温度系数热敏电阻NTC。
所述信号转换单元包括LDO低压线性稳压单元。
所述信号放大单元包括运算放大器、电压源V1、电阻Rx、电阻R3、电阻R4和电阻Rf。
作为本实用新型进一步的方案，所述驱动模块还包括电感Ls，所述电感Ls为碳化硅功率MOSFET的寄生电感。
作为本实用新型进一步的方案，所述LDO低压差线性稳压器包括电阻电路R2以及稳压器，所述电阻电路R2由输入电容Cin、输出电容Cout、前馈电容Cf、高端电阻R1以及负温度系数热敏电阻NTC组成。
作为本实用新型进一步的方案，所述稳压器采用AP2127系列ADJTRG1，最大输出电压为4.75V，最大电流仅为300mA。
作为本实用新型更进一步的方案，所述输入电容Cin为1μF的陶瓷电容器，且输入电容Cin连接在Vin引脚和GND引脚之间。
作为本实用新型更进一步的方案，所述输出电容Cout为4.7μF的陶瓷电容器，且输出电容Cout靠近Vout引脚和GND引脚。
作为本实用新型更进一步的方案，所述负温度系数热敏电阻NTC组成的电阻电路使电路总电阻在5kΩ至200kΩ内调整。
作为本实用新型更进一步的方案，所述运算放大器选择的型号为AD8038。
本实用新型提供了一种基于温度反馈的自适应优化有源门极驱动电路，有益效果在于：
1、本实用新型通过信号的转换得到功率器件工作时结温与其栅极驱动电压之间的大致关系，由于不同类型的功率器件具有不同的特性和响应行为，可利用此关系进行调节以此降低功率器件的损耗且不会限制于设备特性；
2、本实用新型通过改变栅源电压的大小来降低损耗有助于提高功率器件的最大使用电流，有利于更好的利用器件。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本实用新型的整体框图。
图2为本实用新型中驱动模块的原理图。
图3为本实用新型中LDO低压线性稳压单元的原理图。
图4为本实用新型中负温度系数热敏电阻NTC组成的电阻电路图。
图5为本实用新型中信号放大单元的原理图。
图6为本实用新型中输出电压VCC与温度T的关系曲线。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
参见图1，一种基于温度反馈的自适应优化有源门极驱动电路整体框架图。包括：驱动模块、碳化硅功率MOSFET功率器件、功率器件结温检测单元、LDO低压差线性稳压器、信号放大单元。
首先确定主电路中的碳化硅功率MOSFET功率器件的开启电压VGS，通过驱动模块提供合适的驱动信号使主电路中的碳化硅功率MOSFET功率器件导通，碳化硅功率MOSFET功率器件导通，结温升高，随后通过功率器件结温检测单元将碳化硅功率MOSFET功率器件结温信息采集，其中功率器件结温检测单元在绝大多数功率模块中带有负温度系数热敏电阻NTC，确保更准确的温度测量，通过结温检测单元中的负温度系数热敏电阻NTC电阻与温度的特性曲线得到负温度系数热敏电阻NTC阻值与结温的关系，随后直接将由负温度系数热敏电阻NTC组成的电阻电路R2接入LDO低压差线性稳压器中，替换Vout引脚与ADJ引脚之间的电阻分压器，当负温度系数热敏电阻NTC的阻值随结温升高而降低，V0UT也会随之升高，进而使VGS升高，降低碳化硅功率MOSFET功率器件的损耗，提高器件的最大使用电流，使结温控制在正常波动范围。
如图2所示，驱动模块由DSP、光耦隔离器、反相器、CMOS管和驱动电阻Rd组成。
由DSP产生PWM信号经光耦隔离器后到buffer缓冲电路，buffer电路是由反相器、CMOS管组成，光耦合器的结构相当于把发光二极管和光敏三极管封装在一起，光耦隔离电路输入端与输出端存在高低电压差，光耦隔离主要实现信号的单向传输，使输入端与输出端完全实现了电气隔离,其次是使被隔离的两部分电路之间没有电的直接连接，防止因有电的连接而引起的干扰，buffer本质上就是一个反相器，用MOS管设计他的版图，得到buffer是一个宽长比远远高于普通反相器的特殊反相器，宽长比加大本质上是提高了MOSFET的开关电流可以显著提高后级驱动能力，使信号的上升下降沿更快，本实例中，buffer选用型号为IXD_614，其电源电压即输出电压VCC在-0.3V至40V范围内变化，所以要控制信号放大单元的输出电压控制在此范围内可保证正常工作，驱动电阻Rd根据需要选取合适的阻值即可，碳化硅功率MOSFET选用C3M系列的C3M0015065D，其VGS栅极阈值电压典型值为2.3V，LDO输出电压经运算放大器放大后的电压接在输出电压VCC，输入电压VEE接-5V，当反相器输入为1，输出为0，对应buffer的输入为0，此时buffer缓冲电路CMOS管中的PMOS管导通，CMOS管中的NMOS管关断，碳化硅功率MOSFET的栅极驱动电压即为输出电压VCC，碳化硅功率MOSFET导通，当反相器输入为0，输出为1，对应buffer的输入为1，此时buffer缓冲电路CMOS管中的PMOS管关断，CMOS管中的NMOS管导通，碳化硅功率MOSFET关断，通过找到的关系调节输出电压VCC的大小即可降低碳化硅功率MOSFET的损耗。
如图3所示，LDO低压差线性稳压器，由电阻电路(R2)和稳压器组成，且电阻电路(R2)由输入电容Cin、输出电容Cout、前馈电容Cf、高端电阻R1和负温度系数热敏电阻NTC组成。
其中将低端电阻R2替换为由负温度系数热敏电阻NTC组成的电阻电路，通过公式可知，Vref为基准电压，当结温升高，负温度系数热敏电阻NTC阻值减小，Vout升高，由此得到Vout与Tj成正比。
当给LDO低压差线性稳压器一个输入电压Vin，将由负温度系数热敏电阻NTC组成的电阻电路替换LDO低压差线性稳压器的电阻分压器，LDO低压差线性稳压器的输出电压会随着负温度系数热敏电阻NTC阻值的变换而变化，进而得到结温与输出电压的关系；当结温温度升高，负温度系数热敏电阻NTC阻值越小，V0UT输出的电压就越高；需要注意的是，LDO低压差线性稳压器要选用可调式，即选用有电阻分压器的芯片,可以通过改变阻值来改变输出电压的大小，输出电压可通过公式得出其中，内部基准电压Vref＝0.8V。其次，由于LDO低压差线性稳压器的输出功率较小，需要采用运算放大器等方法根据需要将信号放大；在本实例中，稳压器采用AP2127系列ADJTRG1，其最大输出电压(可调)为4.75V，电压调节范围较小，最大电流仅为300mA，因此，需要放大电压信号以满足导通条件，其输出功率较小需要一定措施将其输出功率放大，至少达到1-2W。在Vout引脚和ADJ引脚之间放置一个前馈电容是为了提高可调版本的稳定性并降低噪声水平，前馈电容值计算公式为/>在Vin引脚和GND引脚之间连接一个1μF陶瓷电容器作为输入电容，以去耦输入电源毛刺和噪声，电容的量可以无限制地增加，该输入电容必须尽可能靠近器件，以确保输入稳定性和噪声较小。输出电容用来稳定并帮助LDO的瞬态响应且输出电容要放置在尽可能靠近Vout引脚和GND引脚的位置，并使引线尽可能短，低端(R2)的电阻可在5kΩ至200kΩ范围内选择，由负温度系数热敏电阻NTC组成的电阻电路使电路总电阻在5kΩ至200kΩ内调整，由负温度系数热敏电阻NTC组成的电阻电路如图4所示。
如图5所示，信号放大单元是由运算放大器AD8038、电压源V1、电阻Rx、电阻R3、电阻R4和电阻Rf组成的一个带分压电路的同向比例运算电路。
运算放大器优选是AD8038，具有低功耗、低成本等特点，能以极低静态电流和低噪声工作，带分压电路的同相比例运算电路中输出与输入的关系为为实现此比例关系需要设置同向输入端电阻R4＝Rf、Rx＝R3，欲实现电压信号的放大作用，可根据碳化硅功率MOSFET的栅极导通电压VGS的大小，将Rf设为K*Rx，K为大于1的数，为方便控制可利用变阻器代替Rf，便于控制倍数来改变输出电压VCC，进而改变VGS。
在本实施例中，当LDO低压线性稳压器中高端电阻R1取150kΩ，信号放大单元Rf＝10Rx，即K＝10，此时输出电压VCC与电阻电路R2成反比关系。R2中Rm取90kΩ，Rn取100kΩ，此时/>当R2阻值在5kΩ至200kΩ范围内变化时，VGS＝VCC与负温度系数热敏电阻NTC阻值关系为反比即当NTC阻值下降时，输出电压VCC上升。利用负温度系数热敏电阻NTC阻值与温度计算关系，R(NTC)＝R*EXP(B*(1/T1-1/T2))，其中T1和T2指的是K度，即开尔文温度，Rt是热敏电阻在T1温度下的阻值。R是热敏电阻在T2常温下的标称阻值。B值是热敏电阻的重要参数。在本实施例中，DBC上的负温度系数热敏电阻NTC选用NTCSMELFE3，工作温度变化范围在-40℃至150℃之间，其B值为3977，T2＝(273.15+25),T＝T1-273.15，R为100kΩ，将R(NTC)代入R2中，通过上述公式得出输出电压VCC与温度T的关系曲线如图6所示。由此，在负温度系数热敏电阻NTC阻值随结温Tj的升高而降低时，栅极驱动电压VGS随结温的升高而增加，上限为20V，温度大于0℃时输出电压VCC下限15V上下。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (8)
1.一种基于温度反馈的自适应优化有源门极驱动电路，其特征在于，包括驱动模块、功率器件结温检测单元、信号转换单元以及信号放大单元，所述驱动模块的输出接于功率器件结温检测单元的输入端，所述功率器件结温检测单元的输出接于信号转换单元的输入端，所述信号转换单元的输出接于信号放大单元的输入端，所述信号放大单元的输出接于驱动模块的输入端；
所述驱动模块包括DSP、光耦隔离器、CMOS管、反相器、驱动电阻Rd、碳化硅功率MOSFET，所述DSP输出的PWM信号经光耦隔离器后接于反相器的输入，所述反相器输出接于CMOS管输入端，所述CMOS管中PMOS管源极接于输出电压VCC，NMOS管源极接于输入电压VEE，所述CMOS管输出端经驱动电阻Rd接于碳化硅功率MOSFET的栅极；
所述功率器件结温检测单元包括功率模块内部附有的负温度系数热敏电阻NTC；
所述信号转换单元包括LDO低压线性稳压单元；
所述信号放大单元包括运算放大器、电压源V1、电阻Rx、电阻R3、电阻R4和电阻Rf。
2.根据权利要求1所述的一种基于温度反馈的自适应优化有源门极驱动电路，其特征在于，所述驱动模块还包括电感Ls，所述电感Ls为碳化硅功率MOSFET的寄生电感。
3.根据权利要求1所述的一种基于温度反馈的自适应优化有源门极驱动电路，其特征在于，所述LDO低压差线性稳压器包括电阻电路R2以及稳压器，所述电阻电路R2由输入电容Cin、输出电容Cout、前馈电容Cf、高端电阻R1以及负温度系数热敏电阻NTC组成。
4.根据权利要求3所述的一种基于温度反馈的自适应优化有源门极驱动电路，其特征在于，所述稳压器采用AP2127系列ADJTRG1，最大输出电压为4.75V，最大电流仅为300mA。
5.根据权利要求4所述的一种基于温度反馈的自适应优化有源门极驱动电路，其特征在于，所述输入电容Cin为1μF的陶瓷电容器，且输入电容Cin连接在Vin引脚和GND引脚之间。
6.根据权利要求5所述的一种基于温度反馈的自适应优化有源门极驱动电路，其特征在于，所述输出电容Cout为4.7μF的陶瓷电容器，且输出电容Cout靠近Vout引脚和GND引脚。
7.根据权利要求6所述的一种基于温度反馈的自适应优化有源门极驱动电路，其特征在于，所述负温度系数热敏电阻NTC组成的电阻电路使电路总电阻在5kΩ至200kΩ内调整。
8.根据权利要求1所述的一种基于温度反馈的自适应优化有源门极驱动电路，其特征在于，所述运算放大器选择的型号为AD8038。
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