CN101697454A - 绝缘栅器件的栅极驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及绝缘栅器件的栅极驱动电路及其工作方法，一种绝缘栅器件的栅极驱动电路，其特征在于，包括依次相连的控制器、同步电平移位电路、电流驱动器及绝缘栅器件接口电路；同时与电流驱动器相连的正稳压电源、负稳压电源，该负稳压电源还与同步电平移位电路相连；所述控制器和绝缘栅器件接口电路分别接地；本发明具有负偏压驱动、保持驱动脉冲同步、可正负大电流驱动、电路简洁的特点。可广泛应用于绝缘栅器件的栅极驱动电路中，特别是用于解决有源功率因数校正电路中绝缘栅器件的有效驱动问题。

Description

绝缘栅器件的栅极驱动电路
技术领域
本发明属于功率变换产品技术领域，特别涉及绝缘栅器件的栅极驱动电路设计。
背景技术
目前，电力电子技术和产品的发展日新月异，特别是绿色节能环保产品和新能源产品等，例如：有源功率因数校正(APFC)通信电源系统、不间断电源(UPS)系统、太阳能发电系统、风能发电系统等，这些产品中的功率变换器件普遍采用了绝缘栅器件，“绝缘栅器件”是指一类器件，包括，但不限于场效应晶体管(FET)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体(MOS)控制的晶闸管(MCT)等，这些开关绝缘栅器件的特点是：工作频率高、安全工作区宽、易于驱动、高dv/dt和di/dt、高电流容量、低导通电阻等，一方面，高工作频率，带来了产品的高功率密度和高转换效率，这正是电力电子技术发展的方向；另一方面，高工作频率，要求对绝缘栅器件进行负偏压大电流同步驱动，理论和实践证明，在关断周期期间，采用负偏压能够显著减少绝缘栅器件的关断时间，并能消除绝缘栅器件的误导通。
现有的驱动绝缘栅器件工作的控制器，如：脉冲宽度调制(PWM)控制器、脉冲频率调制(PFM)控制器、脉冲移相调制(PSM)控制器、以及以离散元件设计的调制控制器等，均为正电源供电，因此其输出的调制驱动脉冲也为正电平脉冲，由这个正电平脉冲直接驱动绝缘栅器件工作，这存在以下缺陷：1.绝缘栅器件很容易产生误导通，造成绝缘栅器件和控制器失效。由于绝缘栅器件极间存在电容，栅极开通电压较低(约3V)，在漏极(IGBT为集电极)的干扰脉冲会通过漏极和栅极间电容到达栅极，并建立起较高的足以使绝缘栅器件开通的正脉冲电压，进而导致绝缘栅器件误导通并失效，同时，高电压会通过栅极到达控制器，造成控制器失效。2.控制器直接驱动绝缘栅器件方式不能有效驱动大功率绝缘栅器件工作。大功率变换器产品中，必须选择大电流绝缘栅器件，相应地，其栅极和源极间的电容也很大，直接驱动方式驱动电流小，不能有效驱动绝缘栅器件工作，更不能使绝缘栅器件高频化工作，甚至导致绝缘栅器件失效。
发明内容
本发明的目的是针对已有技术产生的绝缘栅器件误导通失效和不能有效驱动大功率绝缘栅器件问题，提供了一种绝缘栅器件的栅极驱动电路，本发明具有负偏压驱动、保持驱动脉冲同步、可正负大电流驱动、电路简洁的特点。
本发明提出的绝缘栅器件的栅极驱动电路，其特征在于，包括依次相连的控制器、同步电平移位电路、电流驱动器及绝缘栅器件接口电路；同时与电流驱动器相连的正稳压电源、负稳压电源，该负稳压电源还与同步电平移位电路相连；所述控制器和绝缘栅器件接口电路分别接地；其中：
所述的控制器，是将与被驱动器件有关的各种取样信号进行处理并调制，最终输出用于驱动绝缘栅器件的调制正驱动脉冲；
所述的同步电平移位电路，用于生成与调制正驱动脉冲同步、电平下移的正负脉冲；
所述的电流驱动器，用于将正负脉冲进行功率放大，并产生负偏压大电流的正负同步脉冲；
绝缘栅器件接口电路，将接收到的正负同步脉冲用于控制绝缘栅器件工作；
正稳压电源，用于为电流驱动器提供稳定的正电压及驱动电流；
负稳压电源，用于为同步电平移位电路和电流驱动器提供稳定的负电压及驱动电流。
本发明的特点及有益效果：
本发明的控制器输出的调制正驱动脉冲经同步电平移位电路后，产生正负脉冲，并与输入正驱动脉冲同步，此正负脉冲经电流驱动器后产生负偏压大电流的正负脉冲，驱动绝缘栅器件工作。本电路与传统正驱动脉冲直接驱动绝缘栅器件方式相比，负偏压消除了绝缘栅器件的误导通；同步驱动有效保证了开关电路中电压调节环和电流调节环工作的稳定性；电流驱动器可以驱动大功率绝缘栅器件的高频化工作，解决了绝缘栅器件驱动电流不足的问题。
本发明可广泛应用于绝缘栅器件的栅极驱动电路中，特别是用于解决有源功率因数校正电路中绝缘栅器件的有效驱动问题。
附图说明
图1是本发明的结构框图。
图2是本发明的一个绝缘栅器件的具体的栅极驱动电路实施例。
图3是图2中各点脉冲电平及其时序图。
图4是一个带有有源功率因数校正变换器的单端拓扑型开关电源的具体电原理图，本电路依据本发明的原理而构建。
图5是一个带有有源功率因数校正变换器的桥式拓扑型开关电源的具体电原理图，本电路依据本发明的原理而构建。
具体实施方式
下面结合各附图对本发明的内容及具体实施方式作进一步详细地描述。
本发明的栅极驱动电路可以用于驱动其它任何一类器件，包括但不限于场效应晶体管(FET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)以及金属氧化物半导体(MOS)控制的晶闸管(MCT)，另外，一个栅极驱动电路能够驱动一只或多只绝缘栅器件(例如，多只并联工作的绝缘栅器件)。
本发明的一种绝缘栅器件的栅极驱动电路结构如图1所示，包括依次相连的控制器、同步电平移位电路、电流驱动器及绝缘栅器件接口电路；同时与电流驱动器相连的正稳压电源、负稳压电源，该负稳压电源还与同步电平移位电路相连；所述的控制器和绝缘栅器件接口电路分别接地；其中：
所述的控制器，是将与被驱动器件有关的各种取样信号进行处理并调制，最终输出用于驱动绝缘栅器件的调制正驱动脉冲；
所述同步电平移位电路，用于生成与调制正驱动脉冲同步、电平下移的正负脉冲；
所述电流驱动器，用于将正负脉冲进行功率放大，并产生负偏压大电流的正负同步脉冲，；
绝缘栅器件接口电路，将接收到的正负同步脉冲用于控制绝缘栅器件工作；
正稳压电源，用于为电流驱动器提供稳定的正电压及驱动电流；
负稳压电源，用于为同步电平移位电路和电流驱动器提供稳定的负电压及驱动电流。
本发明的工作原理为：
本发明的控制器输出的调制正驱动脉冲经同步电平移位电路后，产生正负脉冲，并与输入正驱动脉冲同步，此正负脉冲经电流驱动器后产生负偏压大电流的正负脉冲，驱动绝缘栅器件工作。具体说明如下：
本发明电路构成一条同步电平转换通路和下移负电平转换通路，本通路是从所述的控制器输出端，经所述的同步电平移位电路、到所述的负稳压电源，由于本通路中不存在相移元件，所以，在时序上，所述的稳压二极管的阳极输出的下移负电平和所述的驱动脉冲源始终保持同步，这有效保证了开关电路中电压调节环和电流调节环工作的稳定性，同时所述的同步电平移位电路输出端输出下移负电平，作为电流驱动器的输入。
本发明电路还构成一条负偏压通路，本通路是从所述的绝缘栅器件的栅极，经绝缘栅器件接口电路、电流驱动器输出端，到所述的负稳压电源，当所述的绝缘栅器件从开通状态转换到关断状态时，本负偏压通路接通，这样，就为所述的绝缘栅器件的栅极提供了一条关断负偏压通路，避免了所述的绝缘栅器件的误导通；
本发明电路同时构成一条同步驱动通路，本通路是从所述的控制器的驱动脉冲源、经同步电平移位电路、电流驱动器、到绝缘栅器件的栅极，所述的绝缘栅器件的栅极驱动脉冲与所述的控制器输出的驱动脉冲源始终保持时序同步，这有效保证了开关电路中电压调节环和电流调节环工作的稳定性。
本发明的一个具体的栅极驱动电路实施例结构如图2所示，本实施例的栅极驱动电路100，包括控制器N1、同步电平移位电路、电流驱动器N2、正稳压电源+VDD、负稳压电源-VEE、绝缘栅器件接口电路；本实施例各部件的实现结构及功能分别说明如下：
本实施例中的栅极驱动电路100驱动的是一只场效应晶体管(FET)V2；
本实施例的控制器N1采用有源功率因数校正器UC3854芯片，用于将被驱动的场效应晶体管V2有关的输出电压取样信号、电感电流取样信号和交流输入电压取样信号进行处理并调制，最终输出用于驱动场效应晶体管V2的调制正驱动脉冲。
本实施例的同步电平移位电路由稳压二极管V1、限流电阻R1组成，其中，稳压二极管V1的阴极端110连接到控制器N1的输出端P上，稳压二极管V1的阳极端120连接到电流驱动器N2的输入端，所述的限流电阻R1跨接在所述的稳压二极管V1的阳极端120和所述的负稳压电源-VEE之间。当所述的驱动脉冲源P加到稳压二极管V1的阴极端110时，就在稳压二极管V1的阳极端120输出下移稳压值Vz1(Vz1为稳压二极管V1的反向击穿电压)大小的下移负电平；所述的限流电阻R1用于限制流过所述的稳压二极管V1的电流。
所述的同步电平移位电路，用于形成一条下移负电平转换通路和同步电平转换通路，生成与调制正驱动脉冲同步、电平下移的正负脉冲；该通路是从所述的驱动脉冲源P，经所述的稳压二极管V1、所述的限流电阻R1，到所述的负稳压电源-VEE，在所述的稳压二极管V1的阳极120输出下移负电平，作为电流驱动器N2的输入。
同时，由于该通路中不存在相移元件，所以，在时序上，所述的稳压二极管V1的阳极120输出的下移负电平和所述的驱动脉冲源P输出的调制正驱动脉冲始终保持同步，这有效保证了开关电路中电压调节环和电流调节环工作的稳定性。
本实施例的电流驱动器N2采用MCP1407芯片(输出驱动电流±6A)，所述的电流驱动器N2输入端连接到所述的稳压二极管V1的阳极120，电流驱动器N2的电源端连接到所述的正稳压电源+VDD，电流驱动器N2的公共端连接到所述的负稳压电源-VEE，电流驱动器N2的输出端130通过绝缘栅器件接口电路连接到所述的绝缘栅器件V2的栅极140；电流驱动器N2用于将输入的正负脉冲进行功率放大，并产生负偏压大电流的正负同步脉冲，即可实现将所述的下移负电平脉冲120转换成大电流、幅度为正稳压电源+VDD和负稳压电源-VEE的正负同步驱动脉冲130，驱动所述的大功率绝缘栅器件V2高频化工作。
所述的绝缘栅器件接口电路由栅极电阻R2和栅极泄放电组R3组成；所述的栅极电阻R2第-端130与所述的电流驱动器N2的输出端130相连接，其第二端140与所述的绝缘栅器件V2的栅极相连接，所述的栅极泄放电阻R3，跨接在所述的绝缘栅器件V2的栅极140和所述的绝缘栅器件的源极150之间；该电路是将接收到的正负同步脉冲用于控制绝缘栅器件工作，即该栅极电阻R2将接收到的正负同步脉冲去控制所述的绝缘栅器件V2的开关损耗及其栅极140上的电压振铃，栅极泄放电阻R3为储存在所述的绝缘栅器件V2栅极140中的电荷提供一条放电通路。
从所述的绝缘栅器件V2的栅极140，经栅极电阻R2、电流驱动器N2的输出端130，到所述的负稳压电源-VEE，形成一条负偏压通路，当所述的绝缘栅器件V2从所述的开通状态转换到关断状态时，本负偏压通路接通，这样，就为所述的绝缘栅器件V2的栅极140提供了一条关断负偏压通路，避免了所述的绝缘栅器件V2的误导通。
正稳压电源，采用LM7815稳压器，用于为电流驱动器提供稳定的正电压及驱动电流；
负稳压电源，采用LM7915稳压器，用于为同步电平移位电路和电流驱动器提供稳定的负电压及驱动电流。
本实施例的栅极驱动电路各点的具体波形，如图3所示，110波形为控制器N1输出的驱动脉冲源P，其低电平为GND，即0V，其高电平为+VC；120波形为所述的下移负脉冲，其低电平为-Vz1，其高电平为+VC-Vz1，120波形与110波形在时序上保持同步；130波形为所述的驱动器N2输出的大电流驱动脉冲，其低电平为所述的负稳压电源-VEE，其高电平为所述的正稳压电源+VDD，130波形与120波形在时序上保持同步；140波形为所述的绝缘栅器件V2的栅极驱动脉冲，其低电平为所述的负稳压电源-VEE，其高电平为所述的正稳压电源+VDD，140波形与130波形在时序上保持同步，因此，140波形与110波形在时序上保持同步。所述的绝缘栅器件V2在开通状态时，其栅极电压值为正稳压电源+VDD；所述的绝缘栅器件V2在关断状态时，其栅极负偏压值为负稳压电源-VEE。
采用本发明构建的一个具体的带有有源功率因数校正变换器的单端拓扑型开关电源200，如图4所示，开关电源200包含一个接口电路220，其输入为交流电源210，接口电路220包含一个连接到交流电源210的电磁兼容(EMI)输入滤波器230，以保证满足EMI标准；接口电路220还包含一个整流桥240，其输入连接到EMI输入滤波器230，其输出连接到功率因数校正变换器250。如图所示，功率因数校正变换器250包含一只输入滤波电容器C1、一只升压电感器L1、一只升压二极管V3、一只升压开关V2、一只滤波电容器C2、一只电流取样电阻R4和两只输出电压取样电阻R5及R6，功率因数校正变换器250为BOOST升压型斩波电路，通过控制升压开关V2栅极驱动脉冲的占空比按正弦绝对值规律变化，且与输入滤波电容器C1上的电压同相，就控制了升压电感器L1的电流波形为正弦绝对值，从而使交流电源210输出的电流波形为正弦波，这样，输入到开关电源200的功率因数为1，需要说明的是，电流取样电阻R4、本发明的栅极驱动电路260和升压开关V2一起构成了电流调节环路；两只输出电压取样电阻R5及R6、本发明的栅极驱动电路260和升压开关V2一起构成了电压调节环路。
开关电源200还包含一个DC/DC变换器270，其输入连接功率因数校正变换器250的输出，其输出连接负载280，DC/DC变换器270用于将功率因数校正变换器250输出的直流电压变换成负载280要求的直流电压。DC/DC变换器270包含一只开关V4和一只功率变压器T1，由开关V4对功率因数校正变换器250输出的直流电压进行斩波，并由变压器T1输出；DC/DC变换器270还包含一只整流二极管V5和一只输出滤波电容器C3，用于将变压器T1输出的斩波功率整流滤波，输出直流功率，供给负载280。
DC/DC变换器270还包含一个栅极驱动电路GTDRV(即驱动电路260)，如图2中的栅极驱动电路100所示，这里就不再赘述。该栅极驱动电路260用于驱动功率因数校正变换器250中的升压开关V2，以及DC/DC变换器270中的开关V4。需要指出的是，尽管升压开关V2和开关V4都被画成了绝缘栅场效应晶体管(MOSFET)，但是栅极驱动电路260可以用于驱动任何绝缘栅器件，包括但不限于场效应晶体管(FET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)以及金属氧化物半导体(MOS)控制的晶闸管(MCT)。
采用本发明构建的一个具体的带有有源功率因数校正变换器的桥式拓扑型开关电源300，如图5所示，开关电源300包含一个接口电路320，其输入为交流电源310，接口电路320包含一个连接到交流电源310的电磁兼容(EMI)输入滤波器330，以保证满足EMI标准；接口电路320还包含一个整流桥340，其输入连接到EMI输入滤波器330，其输出连接到功率因数校正变换器350。如图所示，功率因数校正变换器350包含一只输入滤波电容器C1、一只升压电感器L1、一只升压二极管V3、一只升压开关V2、一只滤波电容器C2、一只电流取样电阻R4和两只输出电压取样电阻R5及R6，功率因数校正变换器350为BOOST升压型斩波电路，通过控制升压开关V2栅极驱动脉冲的占空比按正弦绝对值规律变化，且与输入滤波电容器C1上的电压同相，就控制了升压电感器L1的电流波形为正弦绝对值，从而使交流电源310输出的电流波形为正弦波，这样，输入到开关电源300的功率因数为1，需要说明的是，电流取样电阻R4、本发明的栅极驱动电路360和升压开关V2一起构成了电流调节环路；两只输出电压取样电阻R5及R6、本发明的栅极驱动电路360和升压开关V2一起构成了电压调节环路。
开关电源300还包含一个DC/DC变换器370，其输入连接功率因数校正变换器350的输出，其输出连接负载380，DC/DC变换器370用于将功率因数校正变换器350输出的直流电压变换成负载380要求的直流电压。DC/DC变换器370包含四只全桥变换开关V6、V7、V8、V9和一只功率变压器T2，由四只开关V6、V7、V8、V9对功率因数校正变换器350输出的直流电压进行斩波，并由变压器T2输出；DC/DC变换器370还包含两只整流二极管V10及V11、一只输出滤波电感器L2和一只输出滤波电容器C4，用于将变压器T2输出的斩波功率整流滤波，输出直流功率，供给负载380。
DC/DC变换器370还包含两个栅极驱动电路GTDRV(即驱动电路360)，如图2中的栅极驱动电路100所示，这里就不再赘述。如图5所示，本发明的栅极驱动电路360用于驱动功率因数校正变换器350中的升压开关V2，以及DC/DC变换器370中的开关V6和V7。需要指出的是，尽管升压开关V2和开关V6、V7都被画成了绝缘栅场效应晶体管(MOSFET)，但是栅极驱动电路360可以用于驱动任何绝缘栅器件，包括但不限于场效应晶体管(FET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)以及金属氧化物半导体(MOS)控制的晶闸管(MCT)。
需要声明的是，前面所描述的栅极驱动电路及其工作方法，以及涉及此类的应用，仅仅是作为本发明的举例说明，其它涉及到根据本发明在权利要求中所保护技术方案的等同代替及变换的电路都应被涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种绝缘栅器件的栅极驱动电路，其特征在于，包括依次相连的控制器、同步电平移位电路、电流驱动器及绝缘栅器件接口电路；同时与电流驱动器相连的正稳压电源、负稳压电源，该负稳压电源还与同步电平移位电路相连；所述控制器和绝缘栅器件接口电路分别接地；其中：
所述的控制器，是将与被驱动器件有关的各种取样信号进行处理并调制，最终输出用于驱动绝缘栅器件的调制正驱动脉冲；
所述的同步电平移位电路，用于生成与调制正驱动脉冲同步、电平下移的正负脉冲；
所述的电流驱动器，用于将正负脉冲进行功率放大，并产生负偏压大电流的正负同步脉冲；
绝缘栅器件接口电路，将接收到的正负同步脉冲用于控制绝缘栅器件工作；
正稳压电源，用于为电流驱动器提供稳定的正电压及驱动电流；
负稳压电源，用于为同步电平移位电路和电流驱动器提供稳定的负电压及驱动电流。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述的同步电平移位电路由稳压二极管、限流电阻组成，其中，稳压二极管的阴极端连接到控制器的输出端上，稳压二极管的阳极端连接到电流驱动器的输入端，所述的限流电阻跨接在所述的稳压二极管的阳极端和所述的负稳压电源之间，形成一条下移负电平转换通路和同步电平转换通路。
3.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述的绝缘栅器件接口电路由栅极电阻和栅极泄放电阻组成；所述的栅极电阻第一端与所述的电流驱动器的输出端相连接，栅极电阻第二端与所述的绝缘栅器件的栅极相连接，所述的栅极泄放电阻跨接在所述的绝缘栅器件的栅极和所述的绝缘栅器件的源极之间。
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