CN100514805C - 栅极驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明包括：主电压检测单元，用于检测在电力开关元件的主电极之间施加的电压；控制电流源，用于根据所述主电压检测单元检测的电压，将电流注入到所述电力开关元件的栅极电极中；主电流检测单元，用于检测在所述电力开关元件的主电极之间流动的主电流；以及调整单元，用于根据所述主电流检测单元检测的主电流，调整所述控制电流源的电流。

Description

栅极驱动电路

技术领域

本发明涉及一种用于驱动电力开关元件的栅极驱动电路。

背景技术

应用了电力开关元件的电力变换器随着具有更大容量和更高速度的开关元件的发展已经稳定地扩展了其应用范围。近来，在这种电力开关元件中，IGBT和MOSFET，其是MOS栅型开关元件，尤其已经稳定地扩展了其应用范围。

IGBT和MOSFET是非锁存类型开关元件，并且其不维持其开/关状态。这些非锁存类型开关元件的主要优点在于：与诸如可控硅的锁存类型开关元件相比，通过栅极驱动，高可控性是可能的。使用这些非锁存类型开关元件，即使在导通和截止之间的开关换向期间，可以通过栅极控制抑制冲击电压和冲击电流，并且可以自由地控制在开关换向期间的电流或电压的梯度。

其中利用了这种非锁存类型开关元件的特征的应用示例包括使用有源栅极驱动技术的多路串行(multi-series)高电压变换器。该多路串行高电压变换器通过以多路串行连接的方式连接多个具有受限的耐受压力的元件，实现了可以用于诸如电力系统的高压使用的高压变换器。在多路串行变换器中，存在如下问题：由在串行连接的所述多个元件之间的开关定时的轻微差异而导致大的电压分配的分散。有源栅极驱动技术是针对该问题的计数器测量。

图1是传统栅极驱动电路的电路配置图。在日本专利申请第2005-86940号中公开了该栅极驱动电路。其是开关元件9的控制输入端子的栅极电极通过栅极电阻3连接到电压放大器5，并且还连接到控制电流源6的输出。控制电流源6的输入连接到电压放大器2的输出。开关元件9的集电极至发射极电压被施加到电压放大器2的输入，所述集电极至发射极电压由用于分压的电阻4a和4b分担。在正常工作状态下，开关元件9根据通过电压放大器5施加的栅极信号执行开/关操作。然而，在开关元件9被截止时产生冲击电压的情况下，控制电流源6的输出电流增加。由于电流从控制电流源6流入到开关元件9的栅极端子中而导致开关元件9的栅极电压上升。随此，开关元件9的集电极电流增加。因此，开关元件9的集电极电压下降。通过这种操作，抑制了开关元件9的冲击电压。

图1所示的栅极驱动电路通过对栅极驱动电路中的开关元件的主电压V_ce进行反馈控制，抑制了冲击电压的产生。除了开关元件之外，这种方法不需要任何主电路元件。因此，有如下优点：电路配置简单。然而，由于开关元件需要共享所有损耗，存在如下问题：元件损耗增加。

通过参照图2和3，以下将详细描述该问题。

在图2中，集电极电流I_c在周期T1期间开始略有下降。集电极电压与集电极电流的时间导数值成比例地上升。因此，在周期T1期间，集电极电压快速上升。当集电极电压V_ce达到特定常数值时，用于抑制峰值冲击电压的有源栅极驱动电路开始工作，并且控制集电极电压以将其抑制在常数值。将该周期定义为周期T2。由于集电极电压是恒定的，所以集电极电流的时间导数值也是常数值。因此，集电极电流线性降低。当集电极电流基本为0时，终止周期T2。在周期T3期间，集电极电流基本为0，并且集电极电压快速收敛于电源电压V_dc。

另一方面，图3示出了在未使用有源栅极的情况下集电极电流和集电极至发射极电压的波形。在此情况下，图2中的周期T2不存在。在周期T1期间，随着集电极电流I_c下降，集电极至发射极电压V_ce与集电极电流I_c的时间导数值成比例地上升。此后，集电极至发射极电压V_ce到达峰值，并且在集电极电流I_c基本到达0时快速下降，其中集电极至发射极电压V_ce是基本等于电源电压V_dc的值。此时，终止周期T1以进入周期T3。

在未使用有源栅极驱动的情况下，用于抑制该集电极至发射极电压V_ce的电路元件和控制电路不存在。因此，在主电路的电感大的情况下，集电极至发射极电压在图3的周期T1期间超过可接受的最大值，并且击穿了该开关元件。应用有源栅极驱动的目的在于，通过用于抑制该峰值电压的控制来防止开关元件被击穿。

在通过有源栅极驱动技术抑制峰值冲击电压的情况下，在抑制开关元件被截止时的冲击电压的周期期间产生过多的损耗。图2中的周期T2对应于上述周期。在周期T2期间，有源栅极电路工作，以便集电极电压可以被箝位在常数值。开关元件被截止时的集电极电压与dI_c/dt成比例，所述dI_c/dt是集电极电流I_c的时间导数值。因此，在周期T2期间的dI_c/dt，即集电极电流I_c的梯度是常数值。当该周期T2期间的集电极至发射极电压被定义为V_cep1，直流电源电压被定义为V_dc，而主电路的寄生电感的分量被定义为L_s时，形成以下关系式：

$V_{\mathrm{cepl}}-V_{\mathrm{dc}}=-L_s\×\frac{{\mathrm{dI}}_c}{\mathrm{dt}}$

因此，当假设周期T2期间的元件损耗被定义为E₂，周期T2的时间宽度被定义为t₂，集电极电流的最大值被定义为I_cp1，并且尾电流足够小时，形成以下关系式：

$E_2=\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{cep}1}\×I_{\mathrm{cp}1}\×t_2=\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{cep}1}\×{I_{\mathrm{cp}1}}^2\×\frac{L_s}{V_{\mathrm{cep}1}-V_{\mathrm{dc}}}=\frac{1}{2}{L}_s\×{I_{\mathrm{cp}1}}^2\×\frac{V_{\mathrm{cep}1}}{V_{\mathrm{cep}1}-V_{\mathrm{dc}}}$

也就是说，在周期T2期间的元件损耗与集电极电流的最大值I_cp1的平方成比例。此外，元件损耗在截止周期的集电极至发射极电压V_cep1更接近电源电压V_dc时急剧增加。

发明内容

本发明的目的是要提供一种用于在使用有源栅极驱动技术进行冲击电压抑制时，抑制元件损耗增加的栅极驱动电路。

本发明的第一方面是一种用于驱动电力开关元件的栅极电极的栅极驱动电路。所述栅极驱动电路包括：主电压检测单元，用于检测在电力开关元件的主电极之间施加的电压；控制电流源，用于根据所述主电压检测单元检测的电压，将电流注入到栅极电极中；主电流检测单元，用于检测在电力开关元件的主电极之间流动的主电流；和调整单元，用于根据所述主电流检测单元检测的主电流，调整所述控制电流源的电流；其中所述调整单元包括操作单元，用于将通过从所述主电压检测单元检测的电压中减去与所述主电流检测单元检测的主电流成比例的电压而获得的差值电压输出到所述控制电流源。

本发明的第二方面是一种用于驱动电力开关元件的栅极电极的栅极驱动电路。所述栅极驱动电路包括：主电压检测单元，用于检测在电力开关元件的主电极之间施加的电压；控制电流源，用于根据所述主电压检测单元检测的电压，将电流注入到栅极电极中；栅极电压检测单元，用于检测所述电力开关元件的栅极电极的电压；以及调整单元，用于根据所述栅极电压检测单元检测的栅极电极的电压，调整所述控制电流源的电流。

本发明的第三方面是一种用于驱动电力开关元件的栅极电极的栅极驱动电路。所述栅极驱动电路包括：主电压检测单元，用于检测在电力开关元件的主电极之间施加的电压；控制电流源，用于根据所述主电压检测单元检测的电压，将电流注入到所述栅极电极中；栅极电阻，其连接到所述电力开关元件的栅极电极；栅极电流检测单元，用于检测流经所述栅极电阻的栅极电流；以及调整单元，用于根据所述栅极电流检测单元检测的栅极电流，调整所述控制电流源的电流。

根据本发明的第一、第二和第三方面，通过应用有源栅极驱动技术，不仅施加到开关元件的冲击电压可以被抑制，而且调整单元根据在开关元件的主电极之间流动的主电流，调整控制电流源的电流。从而，可以根据调整的电流而改变冲击电压的抑制值。因此，可以抑制开关元件损耗的增加，而与有源栅极驱动技术的应用无关。

附图说明

图1是传统的栅极驱动电路的电路配置图；

图2是用于说明在传统的栅极驱动电路中的元件损耗的曲线图；

图3是用于说明在传统的栅极驱动电路中未应用有源栅极驱动的情况下元件损耗的曲线图；

图4是第一实施例的栅极驱动电路的电路配置图；

图5是第二实施例的栅极驱动电路的电路配置图；

图6是第三实施例的栅极驱动电路的电路配置图；和

图7是第四实施例的栅极驱动电路的电路配置图。

具体实施方式

通过参照附图，以下将详细描述本发明的栅极驱动电路的多个实施例。

(第一实施例)

图4是第一实施例的栅极驱动电路的电路配置图。栅极驱动电路11a驱动开关元件9。除了图1的配置之外，栅极驱动电路11a具有电压放大器13、加法器12、以及电流检测器14。

电流检测器14对应于本发明的主电流检测单元，并且其一端连接到开关元件9的发射极。电流检测器14检测流经开关元件9的集电极电流，并且将与所检测的电流成比例的电压输出到电压放大器13。电压放大器13放大从电流检测器14输出的电压，并将所产生的电压输出到加法器12的反相输入端子。

用于分压的电阻4a和4b在开关元件9的集电极和电流检测器14的另一端之间相互串连。串连的电阻4a和4b对应于本发明的主电压检测单元，并且开关元件9的集电极至发射极电压V_ce被电阻4a和4b分担，并且将该电压V_ce输出到加法器12的非反相输入端子。

加法器12对应于本发明的调整单元，并且从被电阻4a和4b分担的电压V_ce中减去来自电压放大器13的电压，将所获得的差值电压输出到电压放大器2。电压放大器2放大来自加法器12的差值电压，并且将所产生的电压输出到控制电流源6。控制电流源6根据电压放大器2放大的差值电压调整电流量，并且将电流施加到开关元件9的栅极端子。

接着，将描述如上所述配置的第一实施例的操作。电流检测器14的输出电压与开关元件9的集电极电流成比例。为此原因，开关元件9的集电极电流越大，则电压放大器13的输出电压越高。因此，通过加法器12的操作，开关元件9的集电极电流越大，则对于相同的部分压力的输出，电压放大器2的输出越小。相反，为了使控制电流源6将恒定电流注入到开关元件9的栅极，则集电极电流越大，需要集电极至发射极电压越大。

也就是，集电极电流越大，集电极电压的箝位电平越高，该箝位电平由有源栅极驱动电路确定。

因此，在第一实施例中，在集电极电流示出了诸如图6中的I_cp2的高值的情况下，采用其中集电极电压也示出了诸如V_cep2的高值的电路配置。根据公式(2)，指示了由于在V_cep2和V_dc之间的较大差值而使得元件损耗被抑制。

在传统技术的情况下，在图2中，即使在开关元件被截止时集电极电流为I_cp1或I_cp2时，集电极电压的峰值保持V_cep1。因此，在集电极电流增加的情况下损耗增加。在本发明中，集电极电压的峰值随着集电极电流增加而从V_cep1增加到V_cep2。因此，抑制了元件损耗的增加。

以此方式，根据第一实施例的栅极驱动电路，在给有源栅极驱动电路提供了抑制冲击电压的功能的同时，由于集电极电流越大，则集电极电压的箝位电平上升地越多，所以同时抑制了元件损耗的增加。

(第二实施例)

图5是第二实施例的栅极驱动电路的电路配置图。使用第一实施例的配置，由电流检测器14直接检测开关元件9的集电极电流。然而，存在如下情况：电流检测器通常非常昂贵，并且其尺寸大。在图5所示的第二实施例的栅极驱动电路的配置中，通过开关元件9的栅极电压来代替电流检测器14，而间接地检测集电极电流。

开关元件9的栅极电极对应于本发明的栅极电压检测单元，并且连接到电压放大器13的输入。电压放大器13放大开关元件9的栅极电压，并且将所产生的电压输出到加法器12的反相输入端子。

接着，将描述如上所述配置的第二实施例的操作。开关元件9的栅极电压与在开关元件被截止的换向周期的集电极电流成比例地较大。更具体地，使用相对于表示栅极电压的值的线而绘制的平方曲线来表示集电极电流的值。因此，在图5中，在元件被截止的换向周期期间，集电极电流越大，则栅极驱动电路11b内部的电压放大器13的输入/输出电压越高。因此，即使在由电阻4a和4b构成的分压器的输出相等时，加法器12的输出电压较小。也就是，集电极电流越大，则对于相同的集电极至发射极电压，控制电流源6的输入电压越低。这代表如下事实：集电极电流越大，集电极电压的箝位电平越高，该箝位电平由有源栅极驱动电路确定。

如上所述，根据第二实施例的栅极驱动电路，在给有源栅极驱动电路提供抑制冲击电压的功能的同时，由于集电极电流越大，则集电极电压的箝位电平上升地越多，所以可以同时抑制元件损耗的增加，而无需使用昂贵的电流检测器。

(第三实施例)

第二实施例的栅极驱动电路使用栅极电压间接地检测开关元件9的集电极电流。然而，在很多大的电力元件中，栅极电压采用+15V至-15V的相对较宽范围内的值。为此原因，存在为了检测栅极电压而需要有些复杂的电子电路。相反，在图6所示的第三实施例的栅极驱动电路中，不直接使用栅极电压。代替地，基于流经栅极电阻的电流，间接地检测集电极电流。

电流检测器15对应于本发明的栅极电流检测单元，并且其一端通过栅极电阻3连接到开关元件9的栅极端子。电流检测器15的另一端连接到电压放大器5的输出端子。如此，电流检测器15将与所检测的栅极电流的电流值成比例的电压输出到电压放大器13。电压放大器13放大从电流检测器15输出的电压，并且将所产生的电压输出到加法器12的反相输入端子。

接着，将描述如上所述配置的第三实施例的操作。在导致开关元件9被截止的处理中，流经栅极电阻3的较大电流导致加法器12的反相输入的电压较高，并且控制电流源6的输入电压较低。在开关元件9被截止时，电压放大器5的输出电压是最小值，其为负。为此原因，开关元件9的栅极电压越高，则流经栅极电阻3的电流越大。因此，开关元件9的集电极电流越大，则栅极电压越高并且流经栅极电阻3的电流越大。结果，控制电流源6的输出电流越小。也就是，集电极电流越大，则集电极电压的箝位电平越高，所述箝位电平由有源栅极驱动电路确定。

如上所述，根据第三实施例的栅极驱动电路，在给有源栅极驱动电路提供抑制冲击电压的功能的同时，由于集电极电流越大，则箝位电平越高，所以同时抑制了元件损耗的增加，而无需使用栅极电压检测电流。

(第四实施例)

图7是第四实施例的栅极驱动电路的电路配置图。在第一至第三实施例中，将基于所检测的开关元件9的集电极电流的电压输入到加法器12。然而，集电极电流反馈的目的在于，根据正好在开关元件9被截止之前的集电极电流的幅度，调整有源栅极的可操作电平。因此，并非通过按照在开关元件9被截止的换向周期期间的集电极电流值，而是按照正好在开关元件9被截止之前的集电极电流值，调整有源开关操作的操作电平，而使有源栅极操作更稳定。

至此，在图7所示的第四实施例的栅极驱动电路11d中，使用了跟踪/保持放大器16。跟踪/保持放大器16对应于本发明的输出跟踪/保持单元，并且通过栅极电阻3连接到开关元件9的栅极电极。跟踪/保持放大器16监控开关元件9的开/关信号。电流检测器14将与所检测的集电极电流成比例的电压输出到跟踪/保持放大器16的输入端子。跟踪/保持放大器16根据开关元件9的开/关信号，跟随或保持电流检测器14的输出电压，并且将该电压输出到加法器12的反相输入端子。

接着，将描述如上所述配置的第四实施例的操作。在将“开”信号施加到开关元件9的同时，跟踪/保持放大器16根据电压放大器5的输出电压以跟踪模式操作，并将与电流检测器14的输出电压成比例的信号输入到加法器12。当将“关”信号施加到开关元件9时，将跟踪/保持放大器16的模式改变到保持模式，并且跟踪/保持放大器16保持与在施加“关”信号时电流检测器14的输出电压成比例的信号电平。此后，跟踪/保持放大器16将该信号电平输入到加法器12。以此方式，开关元件9的集电极电流越大，则集电极电压的箝位电平上升地越多。因此，可以抑制损耗的增加。

如上所述，根据第四实施例的栅极驱动电路，即使在开关元件9处于被截止的换向周期内，跟踪/保持放大器16保持如下电压，该电压与正好在开关元件9被截止之前的主电流的幅度一致。因此，可以根据所保持的电压调整有源栅极的操作电平。因此，可以更稳定地执行有源栅极操作。

在第一至第四实施例中，例如IGBT被用作为开关元件。此外，开关元件不限于IGBT。可以将由电压控制的任何非锁存类型开关元件(例如，MOSFET等)应用于本发明。

本发明可以用于在电力变换器电路中使用的电力开关元件的栅极驱动。

Claims (6)

1、一种用于驱动电力开关元件的栅极电极的栅极驱动电路，包括：

主电压检测单元，用于检测在所述电力开关元件的主电极之间施加的电压；

控制电流源，用于根据由所述主电压检测单元检测的电压，将电流注入到所述栅极电极中；

主电流检测单元，用于检测在所述电力开关元件的主电极之间流动的主电流；和

调整单元，用于根据由所述主电流检测单元检测的主电流，调整所述控制电流源的电流；

其中所述调整单元包括操作单元，用于将通过从所述主电压检测单元检测的电压中减去与所述主电流检测单元检测的主电流成比例的电压而获得的差值电压输出到所述控制电流源。

2、根据权利要求1的栅极驱动电路，其中所述调整单元包括输出跟踪/保持单元，用于根据所述电力开关元件是导通还是截止，跟随或保持所述主电流检测单元的输出，以及将所述输出输出到所述操作单元的反相输入端子。

3、一种用于驱动电力开关元件的栅极电极的栅极驱动电路，包括：

主电压检测单元，用于检测在所述电力开关元件的主电极之间施加的电压；

控制电流源，用于根据所述主电压检测单元检测的电压，将电流注入到所述栅极电极中；

栅极电压检测单元，用于检测所述电力开关元件的栅极电极的电压；以及

调整单元，用于根据所述栅极电压检测单元检测的栅极电极的电压，调整所述控制电流源的电流。

4、根据权利要求3的栅极驱动电路，其中所述调整单元包括操作单元，用于将通过从所述主电压检测单元检测的电压中减去所述栅极电压检测单元检测的电压而获得的差值电压输出到所述控制电流源。

5、一种用于驱动电力开关元件的栅极电极的栅极驱动电路，包括：

主电压检测单元，用于检测在所述电力开关元件的主电极之间施加的电压；

控制电流源，用于根据所述主电压检测单元检测的电压，将电流注入到所述栅极电极中；

栅极电阻，其连接到所述电力开关元件的栅极电极；

栅极电流检测单元，用于检测流经所述栅极电阻的栅极电流；和

调整单元，用于根据所述栅极电流检测单元检测的栅极电流，调整所述控制电流源的电流。

6、根据权利要求5的栅极驱动电路，其中所述调整单元包括操作单元，用于将通过从所述主电压检测单元检测的电压中减去与所述栅极电流检测单元检测的栅极电流成比例的电压而获得的差值电压输出到所述控制电流源。

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