CN103795385A - 功率管驱动方法、电路及直流固态功率控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种应用于直流固态功率控制器的功率管驱动方法及其电路，所述驱动电路包括充放电恒流源、相应的控制开关、非门以及跨接于功率管栅极和漏极的反馈电容。在直流固态功率控制器开通关断的过程中，控制恒流源给反馈电容充电和放电，反馈电容将功率管漏极和源极的电压反馈至功率管栅极。本发明同时公开了包含上述功率管驱动电路的直流固态功率控制器。本发明可以实现功率管以较“慢”和恒定的开关速度开通和关断，负载电压线性上升和线性下降并且上升和下降速率可调；不仅适用于常规的Si MOSFET和IGBT，还适用于SiC和GaN场控型功率管如JFET MOSFET IGBT等。本发明驱动电路简单可靠、易集成、成本低。

Description

功率管驱动方法、电路及直流固态功率控制器

技术领域

本发明涉及一种应用于直流固态功率控制器的功率管驱动方法及其电路，属于电力电子技术与电工技术领域。

背景技术

固态功率控制器(Solid State Power Controller, 简称SSPC)是以半导体功率管为核心、集继电器的开关转换功能和断路器的保护功能于一体的固态配电装置。SSPC具有无触点、无电弧、无噪声、响应快、电磁干扰小、寿命长、可靠性高、便于计算机远程控制等优点，正广泛应用于飞机、坦克、轮船、民用配电网等方面。

直流SSPC用于直流电源系统，实现电路的接通或断开，并完成电路故障保护和隔离。为了提高直流SSPC的负载兼容性、降低直流SSPC带容性负载开通过程中的冲击电流、抑制直流SSPC关断过程中半导体功率管两端的电压应力，直流SSPC均需要以相对比较“慢”的开关速度进行开通和关断，并且使其开关速度可根据负载需要进行调整。

直流SSPC的功率管的开关速度主要取决于其功率管驱动电路。中国发明专利ZL200510038027.0提出通过RC网络组成的“慢通慢断” 驱动电路形成缓慢上升和缓慢下降的功率管驱动电压波形，实现功率管以比较“慢”的开关速度进行开通和关断。该方案的优点是实现较为简单，但缺点是功率管在开关过程中开关速度不恒定，开关速度的控制效果受功率管的参数、环境温度的影响较大，参数调整困难。在公开号为CN102545855A的中国发明专利申请中提出了一种闭环驱动电路技术方案，克服了基于RC网络“慢通慢断”驱动电路的问题，但其缺点是技术方案的实现比较复杂，必须采用高带宽高速运算放大器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种直流固态功率控制器的功率管驱动方法及其电路，实现功率管以比较“慢”并且恒定的开关速度开通和关断，开关速度可根据负载需要进行调整，而且驱动电路简单可靠、实现成本低。

为了实现上述发明目的，本发明采用的具体技术方案是：

一种功率管驱动方法，应用于直流固态功率控制器，其特征是在功率管的栅极和漏极之间跨接反馈电容，直流固态功率控制器的开通关断控制信号控制第一通道、第二通道的导通和关断，使开通关断控制信号通过第一通道或第二通道耦合至功率管的栅极；直流固态功率控制器开通时，第二通道关断，第一通道导通，以第一电流实现反馈电容的充电，控制功率管缓慢、恒速开通，开通速度由第一电流的电流值和反馈电容的容值控制；直流固态功率控制器关断时，第一通道关断，第二通道导通，以第二电流实现反馈电容的放电，控制功率管缓慢、恒速关断，关断速度由第二电流的电流值和反馈电容的容值控制。

一种功率管驱动电路，应用于直流固态功率控制器，电路结构包括：第一开关和第一恒流源串联组成的第一通道，第二开关和第二恒流源串联组成的第二通道，一非门，以及跨接在功率管栅极和漏极之间的反馈电容；第一通道和第二通道串联在驱动电路供电电源正极和参考地之间，第一通道和第二通道的连接点与功率管的栅极连接，驱动电路参考地与功率管的源极连接；固态功率控制器的开通关断控制信号与第一开关的控制端连接，同时通过非门与第二开关的控制端连接。

本发明还提供了一种直流固态功率控制器，以场控型功率管为主开关，它包括上述的功率管驱动电路。

本发明技术方案的核心是在功率管漏极和栅极引入一个反馈电容，将功率管漏极和源极的电压反馈至功率管栅极，在直流固态功率控制器开通关断的过程中，通过控制不同通道导通实现反馈电容的恒流充电和恒流放电，功率管的开关速度正比于充电和放电电流的电流值，反比与反馈电容的容值。通过调整充电和放电电流值的大小和反馈电容的容值大小可以实现功率管以较“慢”且恒定的开关速度进行开通和关断。

本发明技术方案的有益效果如下：

（1）直流固态功率控制器中功率管可以以较“慢”和恒定的开关速度开通和关断，负载电压线性上升和线性下降。

（2）直流固态功率控制器中功率管的开关速度（负载电压上升率或下降率）可以通过调整充、放电电流的大小和反馈电容容值的大小实现，功率管的开关速度受所用功率管的电气参数、温度特性的影响很小。

（3）本发明驱动电路简单可靠，易于集成化，而且不必使用高带宽高速运算放大器，实现成本低。

（4）本发明的功率管驱动方法及其驱动电路适用于任意以场控型功率管为主开关管的直流固态功率控制器，功率管可以是常规的Si MOSFET、Si JFET、Si IGBT以及新型宽带半导体功率器件如SiC MOSFET、SiC IGBT、SiC JFET以及GaN 场效应管。

附图说明

图1是本发明的功率管驱动电路；

图2是采用本发明驱动方法和驱动电路的典型的直流固态功率控制器原理框图；

图3是采用图1所示驱动电路时，在直流固态功率控制器开关过程中功率管的栅极电荷特性以及与功率管两端电压的关系；

图4是采用图1所示驱动电路功率管开通时的工作波形图；

图5是采用图1所示驱动电路功率管关断时的工作波形图。

具体实施方式

下面结合附图详细介绍本发明。

如图1中矩形虚线框所示为本发明提出的直流固态功率控制器功率管驱动电路，包括第一开关S1、第一恒流源I_S1、第二开关S2、第二恒流源I_S2、非门U1和反馈电容C_FB。第一开关S1和第一恒流源I_S1串联组成第一通道，第二开关S2和第二恒流源I_S2串联组成第二通道。第一通道和第二通道串联在驱动电路供电电源正极VCC和参考地GND之间，第一通道和第二通道的连接点与功率管Q1的栅极连接，驱动电路参考地GND与功率管Q1的源极连接。反馈电容C_FB跨接在功率管Q1栅极和漏极之间，容值为几个纳法。直流固态功率控制器的开通关断控制信号CMD连于第一开关S1的控制端，并通过非门U1连于第二开关S2的控制端。直流功率电源V_BUS连于功率管Q1漏极，负载连于功率管Q1的源极和直流功率电源参考地之间。

功率管驱动电路的第一开关S1和第二开关S2可以采用三极管或者模拟开关实现，第一恒流源I_S1和第二恒流源I_S2可以采用典型的恒流源电路如镜像电流源实现。

图1中功率管驱动电路的工作原理是：

当直流固态功率控制器的开通关断控制信号CMD为高电平时，第一开关S1接通，第一恒流源I_S1工作，第一通道导通，以第一电流I_S1向功率管Q1的栅极寄生电容和反馈电容C_FB充电，第二开关S2关断，第二恒流源I_S2不工作，第二通道关闭。功率管Q1开通过程中反馈电容C_FB将功率管Q1漏极和源极间的电压反馈至功率管Q1的栅极，使功率管Q1两端电压V_DS线性下降，功率管Q1以恒定的速度开通，负载电压Vload线性上升。

当直流固态功率控制器的开通关断控制信号CMD为低电平时，第一开关S1关断，第一恒流源I_S1不工作，第二通道关闭。第二开关S2接通，第一通道导通，功率管Q1的栅极寄生电容和反馈电容C_FB通过第二恒流源I_S2以第二电流I_S2放电至驱动电路参考地GND。功率管Q1关断过程中，第一电容C_FB将功率管Q1漏极和源极间的电压反馈至功率管Q1的栅极，使功率管Q1两端电压V_DS线性上升，功率管Q1以恒定的速度关断，负载电压Vload线性下降。

本发明的功率管驱动电路适用于任意以场控型功率管为主开关管的直流固态功率控制器，功率管可以是Si MOSFET，Si IGBT，SiC MOSFET，SiC IGBT，SiC JFET，GaN 场效应管等。

如图2中所示是采用本发明驱动方法和驱动电路的典型的直流固态功率控制器原理框图，包括功率管、检测电阻、电流检测电路、电压检测电路、电压状态判断电路、电流状态判断电路、过流保护电路、短路检测电路、状态综合和故障锁存电路、驱动电路、DC/DC隔离电源、第一隔离电路、第二隔离电路、第三隔离电路。

功率管的漏极连接SSPC功率输入端，源极经检测电阻作为SSPC功率输出端接负载至功率地；电流检测电路的输入端连接在检测电阻的两端，输出端分别接至过流保护电路、短路检测电路以及电流状态判断电路；电压检测电路的输出端连接电压状态判断电路；前述电压状态判断电路和电流状态判断电路的输出信号分别经过第二隔离电路和第三隔离电路作为状态反馈信号（STATE1、STATE2），即反馈给上位机的负载电流状态信号和负载电压状态信号。

过流保护电路和短路检测电路的输出信号输入到状态综合和故障锁存电路，状态综合电路的输出信号（即直流固态功率控制器的开通关断控制信号CMD）输入至驱动电路，驱动电路输出连接到功率管的栅极和源极，驱动电路同时还检测功率管漏极电压。

外部的控制命令经过第一隔离电路，连于状态综合和故障锁存电路。

DC/DC隔离电源将5V电源升压至15V，以功率MOSFET源极作为内部参考地，给以下功能电路模块供电：电流检测电路、电压检测电路、电压状态判断电路、电流状态判断电路、过流保护电路、短路检测电路、状态综合和故障锁存电路、驱动电路。

图3是采用本发明技术方案时功率管在开关过程中的栅极电荷特性以及与功率管两端电压的关系。

下面以功率管为MOSFET为例，结合图1、图2和图3、图4、图5进一步说明本发明的工作原理。图1中同时给出了功率MOSFET的等效电路。

图4所示，直流固态功率控制器的开通关断控制信号CMD为高电平时（t1时刻），第一开关S1接通，第二开关S2关断，第一恒流源I_S1向功率管Q1的栅极寄生电容和反馈电容C_FB恒流充电，栅极和源极之间的驱动电压V_GS开始上升。在驱动电压V_GS上升至功率管开启电压V_GS(th)之前时（t1~t2），功率管Q1的开关状态不发生任何变化；当驱动电压V_GS上升至平台电压V_PLATUE时（t2~t3），功率管Q1的栅极电压增加量非常小，近似认为不变（恒定为V_PLATUE），功率管Q1栅极电流i_G近似为零，那么功率管Q1漏极和源极间电压V_DS的下降率近似等于功率管Q1漏极和栅极间电压V_DG的下降率。而t2~t3过程中V_DG的下降率（也等于反馈电容C_FB的电压下降率）和负载电压Vload上升率正比于第一电流源电流值I_S1的大小，反比于反馈电容C_FB的容值。调整第一电流源电流值I_S1和反馈电容C_FB的容值的大小即可改变直流固态功率控制器开通时功率管的开通速度和负载电压的上升率。

图4中t3时刻，负载电压Vload上升至直流功率电源V_BUS电压，功率管电压V_DS下降至功率管饱和导通压降。t3~t4时刻，功率管栅极和源极之间的驱动电压V_GS继续上升，直至驱动电压V_GS上升至接近驱动电路供电电源正极V_CC电压，此时第一电流源I_S1的电流自然下降为零，功率管Q1维持饱和导通状态。

图5所示，直流固态功率控制器的开通关断控制信号CMD为低电平时（t6时刻），第一开关S1关断，第二开关S2接通，功率管Q1的栅极寄生电容和反馈电容C_FB通过第二恒流源I_S2向驱动电路参考地GND恒流放电，栅极和源极之间的驱动电压V_GS开始下降。在驱动电压V_GS下降至功率管平台电压V_PLATUE之前（t6~t7），功率管Q1的开关状态不发生任何变化；当驱动电压V_GS下降至平台电压V_PLATUE时（t7~t8），功率管Q1的栅极电压下降量非常小，近似认为不变（恒定为V_PLATUE），功率管Q1栅极电流i_G近似为零，那么同理可以认为功率管Q1漏极和源极间电压V_DS的上升率近似等于功率管Q1漏极和栅极间电压V_DG的上升率。而t7~t8过程中V_DG的上升率（也等于反馈电容C_FB的电压上升率）和负载电压Vload下降率正比于第二电流源I_S2的大小，反比于反馈电容C_FB的容值。调整第二电流源I_S2和第一电容C_FB的容值的大小即可改变直流固态功率控制器开通时功率管Q1的关断速度和负载电压的下降率。

图5中t8时刻，负载电压Vload下降至零，功率管电压V_DS上升至直流功率电源V_BUS电压。t8~t9时刻，功率管栅极和源极之间的驱动电压V_GS继续下降，直至功率管驱动电压V_GS下降至零，此时第二电流源I_S2的电流自然下降为零，功率管Q1维持截止关断状态。

以上仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种功率管驱动方法，应用于直流固态功率控制器，其特征在于：在功率管的栅极和漏极之间跨接反馈电容，直流固态功率控制器的开通关断控制信号控制第一通道、第二通道的导通和关断，使开通关断控制信号通过第一通道或第二通道耦合至功率管的栅极；直流固态功率控制器开通时，第二通道关断，第一通道导通，以第一电流实现反馈电容的充电，控制功率管缓慢、恒速开通，开通速度由第一电流的电流值和反馈电容的容值控制；直流固态功率控制器关断时，第一通道关断，第二通道导通，以第二电流实现反馈电容的放电，控制功率管缓慢、恒速关断，关断速度由第二电流的电流值和反馈电容的容值控制。

2.一种功率管驱动电路，应用于直流固态功率控制器，其特征在于，包括：第一开关（S1）和第一恒流源（I_S1）串联组成的第一通道，第二开关（S2）和第二恒流源（I_S2）串联组成的第二通道，一非门（U1），以及跨接在功率管栅极和漏极之间的反馈电容（C_FB）；第一通道和第二通道串联在驱动电路供电电源正极（VCC）和参考地（GND）之间，第一通道和第二通道的连接点与功率管的栅极连接，驱动电路参考地（GND）与功率管的源极连接；固态功率控制器的开通关断控制信号（CMD）与第一开关（S1）的控制端连接，同时通过非门（U1）与第二开关（S2）的控制端连接。

3.一种直流固态功率控制器，以场控型功率管为主开关管，其特征在于包括权利要求1所述的功率管驱动电路。

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