CN108199704A - 一种感性负载下mosfet开关控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种感性负载下MOSFET开关控制方法，以改善感性负载下MOSFET器件开关过程中的损耗问题和关断尖峰问题。本发明包括一个控制信号模块，一个栅极电阻切换模块，一个负感性载模块以及一个开关器件。其特征在于，控制信号模块输出控制信号到栅极电阻切换模块，栅极电阻切换模块在不同的控制信号下采取适当的栅极电阻组合控制开关器件导通、关闭，最终达到降低开关损耗，抑制电压和电流的振荡和过冲的目的。

Description

一种感性负载下MOSFET开关控制方法
技术领域
本发明涉及一种开关器件控制方法，尤其是涉及一种感性负载下MOSFET开关控制方法。
背景技术
近年来，随着电力电子技术的不断发展，功率半导体开关器件MOSFET在越来越多的场合得到了应用。由于工业现场存在着大量的感性负载，如交、直流继电器、接触器、变压器和交直流电磁铁等，当对其进行投切操作时，会在电感线圈的两端产生极高的电压和电流的振荡及过冲，威胁系统的安全运行。此外，功率半导体开关器件的开关损耗在总损耗中也占了很大比重。
因此，随着对开关频率的要求越来越高，感性负载下MOSFET的开关损耗以及过压、过流的优化问题显得越来越重要。通过增加开关速度可以有效的降低损耗，但随开关速度增加产生的过压、过流尖峰又会影响系统的稳定性以及安全性。故提出一种有效的MOSFET开关控制方法对节约能源、器件保护和效率提高都有很强的意义。
在现有技术中，通常采用改变栅极驱动回路来改善感性负载下开关损耗和电压电流过冲问题。有文章提出，采用一个串联于栅极的外接电阻来对MOSFET开关时间进行控制，从而改善感性负载下MOSFET控制效果。如图2示出，该方法包括一个外接栅极电阻R，一个被控开关器件N沟道MOSFET管Q，一个感性负载L。PWM控制信号输出高电平时，Q导通，感性负载L接通；PWM控制信号输出低电平时，Q关闭，感性负载L关断；由于MOSFET开关速度可以由栅极电阻R调整，因此可以通过调节R的大小来改善开关性能。但是栅极电阻过大会增加开关损耗，过小又会产生电压电流过冲，因此电压电流过冲与开关损耗两个问题很难折中。
在上述技术基础上，又有文章提出了多电阻导通关断法。如图3示出，该方法包括一个外接栅极开通电阻Ron，一个外接栅极关断电阻Roff，一个二极管D，一个被控开关器件N沟道MOSFET，一个感性负载L。PWM控制信号输出高电平时，Q导通，感性负载L接通，此时仅有Ron接入电路，Roff被二极管D阻断；PWM控制信号输出低电平时，Q关闭，感性负载L关断，此时Ron、Roff并联作为栅极电阻。针对开关过程的不同，通常取Ron>Roff。这种方法一定程度上减少了开关损耗和电流过冲，但是对电压过冲抑制不明显，效果仍然不够理想。再加之MOSFET对温度敏感，在许多方法中都涉及了集成功率管模块，这就相当于引入了一个温度很高的热源，在正常工作时，集成部分的温度也会较髙，因此同时也需要考虑温度对电路以及驱动性能的影响。
发明内容
为了解决上述问题，本发明结合MOSFET开通、关闭过程作出分析。
如图4示出，MOSFET的总开通持续时间可分为四个阶段。分别是导通延迟时间（T1），负载电流上升时间（T2），漏源电压下降时间（T3）和栅极电压上升时间（T4）。由于负载电感的存在，所以漏源极电压（Vds）在T2阶段存在一定的压降；漏极电流的变化速率di/dt反映导通时间长短，漏源电压（Vds）和漏极电流（Id）波形下的面积反映开关损耗大小。di/dt可以通过减小栅极电阻来增加。 然而，由于负载回路中存在负载电感，在漏源电压下降（T3）期间，过高的di/dt将导致负载器件电流的过冲和振荡。因此，如果可以控制di/dt在T2间隔期间较快并且在T3阶段相对较慢，则可以最大程度的优化开关速度与开关损耗之间关系，成功实现MOSFET开通过程中减少开关损耗以及减小负载器件电流过冲。
如图5示出，MOSFET的总关断持续时间可分为四个阶段。分别是关断延迟时间(T5)，漏源电压上升时间（T6），栅极电流下降时间（T7），栅极电压下降时间（T8）。负载在关断延迟时间（T5）期间保持导通状态；漏源电压上升时间（T6）内，电压变化会引起电容性电流流过，造成负载电流被旁路，导致负载电流的大小减小。同开通过程，漏源电压的变化速率dv/dt可以反映关断时间长短。因此，如果可以控制在漏源电压上升时间（T6）期间具有较高的dv/dt，并且在栅极电流下降时间（T7）期间具有较慢的dv/dt，则可以成功实现MOSFET关闭过程中减少开关损耗以及减小负载器件电压过冲。
考虑到栅极电阻切换模块集成了较多的开关器件MOSFET，会产生比较高的温度对MOSFET性能造成影响，因此加入了温度控制单元TC。如图6示出，温度控制单元包含一个电阻和一个电容，其作用是将一部分开关损耗从开关器件上转移到了TC单元中的电阻上，从而减小了开关器件本身的功耗发热，以保证MOSFET开关轨迹运行在SOA安全区域内，降低结温。
根据以上MOSFET开关各阶段的不同特点，特提出一种感性负载下MOSFET开关控制方法。
控制信号模块输出控制信号到栅极电阻切换模块，栅极电阻切换模块在不同的控制信号下采取适当的栅极电阻组合控制开关器件导通、关闭，最终达到降低开关损耗，抑制关断尖峰的目的。
进一步的，所述的负载模块，包括电感L、电阻R、电容C，其中电感L与电阻R串联与电容C构成并联电路，感性负载模块一端连接电源正极，另一端与开关器件的漏极相连。
进一步的，所述的栅极电阻切换模块，包括2个二极管（D1、D2）、2个N沟道MOSFET（Q1、Q3）、2个P沟道MOSFET（Q2、Q4）、4个温度控制单元（TC）、2个开通栅极电阻（Ron、Ron1）和2个关断栅极电阻（Roff、Roff1）。其特征在于，Q1漏极串联电阻Ron连接到电压V+，Q2源极串联电阻Roff连接到电压V-，Q1源极、Q2漏极共连到Q栅极，Q1、Q2栅极共连到P1口构成推挽结构；Q3漏极串联电阻Ron1连接到电压V+，Q4源极串联电阻Roff1连接到电压V-，Q3源极、Q4漏极共连到Q栅极，Q3、Q4栅极分别与控制信号模块P0、P2口连接；D1正接于Q1、Q3源极与Q栅极之间，D2反接于Q2、Q4漏极与Q栅极之间。V+、V-均由外部闭环电源供电，电源电压的控制方式使得在每个开关瞬间，Q1、Q3上的电压降几乎为零，较高的负电压也确保Q2、Q4开关瞬间电流几乎为零。二极管D1、D2可阻止反向放电，Q1、Q2、Q3、Q4漏源极之间并接了4个温度控制单元TC以降低结温。
进一步的，控制信号模块包括三个控制信号输出口（P0、P1、P2），分别输出周期相同、占空比不同的PWM信号去控制栅极电阻切换模块。
进一步的，开关器件为一只N沟道的MOSFET，开关器件栅极与栅极电阻切换模块连接，开关器件漏极与感性负载模块串联接电源正极，开关器件源极接电源负极。
本发明具有如下优点：
所述的栅极电阻切换模块中，MOSFET采用了独立驱动方案，门极驱动电路相互独立，不容易受到干扰；且Q1、Q2采用推挽结构可以放大驱动信号，有效的防止双管同时导通；关断负压所采用的闭环电源方式，能够有效增加振荡回路的阻尼，抑制开关过程潜在的电压和电流过冲。加入了MOSFET温度控制单元TC，可以降低结温，使开关轨迹运行在SOA安全工作区域内。整体对MOSFET开关过程的控制更加精确，最大程度的优化了开关速度与开关损耗之间的折中关系，降低了开关损耗，抑制了电压和电流的振荡和过冲。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为栅极串联外接电阻的MOSFET控制方法。
图3为分电阻导通关断的MOSFET控制方法。
图4为MOSFET的开通过程示意图。
图5为MOSFET的关闭过程示意图。
图6为温控单元TC电路图。
图7为控制信号模块的控制信号PWM波形图。
具体实施方式
以下结合附图1，对本发明的具体实施方式作进一步详述，以使本方法更容易理解和掌握。
所述的一种感性负载下开关器件控制方法，包括：一个控制信号模块，一个栅极电阻切换模块，一个负载模块以及一个开关器件；其特征在于，控制信号模块与栅极电阻切换模块连接，栅极电阻切换模块与外部电源以及开关器件的栅极连接，开关器件漏极与感性负载模块串联接电源正极，开关器件源极接电源负极。
控制信号模块输出控制信号，控制栅极电阻切换模块内的MOSFET在适当的时刻导通和关断，以降低开关损耗和关断过压尖峰。
所述的控制信号模块包括三个控制信号输出口（P0、P1、P2），分别输出周期相同、占空比不同的PWM信号去控制栅极电阻切换模块。
所述的栅极电阻切换模块，包括2个二极管（D1、D2）、2个N沟道MOSFET（Q1、Q3）、2个P沟道MOSFET（Q2、Q4）、4个温度控制单元（TC）、2个开通栅极电阻（Ron、Ron1）和2个关断栅极电阻（Roff、Roff1）。
所述的Q1漏极串联电阻Ron连接到电压V+，Q2源极串联电阻Roff连接到电压V-，Q1源极、Q2漏极共连到Q栅极，Q1、Q2栅极共连到P1口构成推挽结构；Q3漏极串联电阻Ron1连接到电压V+，Q4源极串联电阻Roff1连接到电压V-，Q3源极、Q4漏极共连到Q栅极，Q3、Q4栅极分别与控制信号模块P0、P2口连接；D1正接于Q1、Q3源极与Q栅极之间，D2反接于Q2、Q4漏极与Q栅极之间；Q1、Q2、Q3、Q4漏源极之间并接了4个温度控制单元TC以降低结温。
所述的二极管D1、D2可阻止反向放电。
所述的V+、V-均由外部闭环电源供电，以保证在每个开关瞬间，Q1、Q3上的电压降几乎为零，较高的负电压也确保Q2、Q4开关瞬间电流几乎为零。
所述温度控制单元，包含一个电阻和一个电容，其作用是将一部分开关损耗从开关器件上转移到了TC单元中的电阻上，从而减小了开关器件本身的功耗发热，以保证MOSFET开关轨迹运行在SOA安全区域内，降低结温。
所述的开关器件，包括一只N沟道MOSFET，开关器件栅极与栅极电阻控制模块连接，开关器件漏极与感性负载模块串联接电源正极，开关器件源极接电源负极。
所述的感性负载模块，等效于电感L串联电阻R与电容C构成的并联电路，感性负载模块一端连接电源正极，另一端与开关器件的漏极相连。
如图4示出在导通阶段需要控制di/dt在T2间隔期间较快并且在T3阶段相对较慢。
因此在T1、T2区间，首先控制信号模块的P0、P1、P2口同时输出高电平控制信号。控制信号作用于栅极电阻切换模块，栅极电阻切换模块内的N沟道MOSFET管Q1、Q3导通，P沟道MOSFET管Q2、Q4处于关闭状态。此时开关器件Q的栅极电阻等效于电阻Ron、Ron1并联，栅极总电阻相对较小，电压V+经过并联电阻Ron、Ron1组合驱动开关器件Q，会在Q栅极注入相对高的栅极电流值，电流变化速度di/dt较高，这大大减少了T2区间的持续时间。开关时间直接影响MOSFET的开关损耗，因此开通阶段的开关损耗降低。通常取Ron>Ron1。
到T3、T4阶段时，控制信号模块的P0口开始输出低电平，P1、P2口保持高电平控制信号不变，此时栅极电阻切换模块内的MOSFET管Q1仍然导通，Q2、Q3、Q4处于关闭状态。电压V+只经过电阻Ron驱动开关器件Q，此时开关器件Q的栅极电阻只剩下Ron，相对于Ron、Ron1并联组合，栅极电阻变大，在Q栅极注入的栅极电流值变小，电流变化速度di/dt减小。因此T3区间内的负载过流现象大大改善。
如图5示出在关闭阶段需要控制dv/dt在T6间隔期间较快并且在T7阶段相对较慢。
关闭阶段的动作与导通阶段的动作相类似。在T5、T6子区间，首先控制信号模块的P0保持低电平不变，P1口由高电平变为低电平、P2口开始输出低电平控制信号。控制信号作用于栅极电阻切换模块，栅极电阻切换模块内的P沟道MOSFET管Q2、Q4导通，N沟道MOSFET管Q1、Q3关闭，此时开关器件Q的栅极电阻等效于电阻Roff和Roff1并联模式工作，栅极总电阻相对较小，电压V-经过并联电阻Roff和Roff1组合为开关器件Q提供关断回路，门极电容在栅极电压V-控制下迅速放电，具有非常高的dv/dt，这大大减少了T6区间的持续时间。开关时间直接影响MOSFET的开关损耗，因此关断阶段的开关损耗降低。通常取Roff>Roff1。
直到T7、T8阶段时，控制信号模块的P0、P1保持低电平不变，P2口开始输出高电平控制信号，此时栅极电阻切换模块内的MOSFET管Q2仍然导通，Q1、Q3、Q4处于关闭状态。电压V-只经过电阻Roff为开关器件Q提供关断回路，此时开关器件Q的栅极电阻只剩下Roff，相对于Roff、Roff1并联组合，栅极电阻变大，门极电容在栅极电压V-控制下放电速度减慢，漏源电压变化速度dv/dt减小，因此T7区间内的关断过压减小。
其中控制信号模块的P0、P1、P2口控制信号的PWM波形由图7示出，具体占空比可由实验确定最优数值。
以上显示了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点，以上为本发明的典型实例，除此之外，凡采用同等替换或者等效变换形成的技术方案，均在本发明要求保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种感性负载下MOSFET开关控制方法，包括：一个控制信号模块，一个栅极电阻切换模块，一个负载模块以及一个开关器件；其特征在于，控制信号模块与栅极电阻切换模块连接，栅极电阻切换模块与外部电源以及开关器件的栅极连接，开关器件漏极与感性负载模块串联接电源正极，开关器件源极接电源负极。
2.根据权利要求1所述的一种感性负载下MOSFET开关控制方法，其特征在于，所述的栅极电阻切换模块，包括2个二极管（D1、D2）、2个N沟道MOSFET（Q1、Q3）、2个P沟道MOSFET（Q2、Q4）、4个温度控制单元（TC）、2个开通栅极电阻（Ron、Ron1）和2个关断栅极电阻（Roff、Roff1）。
3.根据权利要求2所述的一种感性负载下MOSFET开关控制方法，其特征在于，Q1漏极串联电阻Ron连接到电压V+，Q2源极串联电阻Roff连接到电压V-，Q1源极、Q2漏极共连到Q栅极，Q1、Q2栅极共连到P1口构成推挽结构；Q3漏极串联电阻Ron1连接到电压V+，Q4源极串联电阻Roff1连接到电压V-，Q3源极、Q4漏极共连到Q栅极，Q3、Q4栅极分别与控制信号模块P0、P2口连接；D1正接于Q1、Q3源极与Q栅极之间，D2反接于Q2、Q4漏极与Q栅极之间。
4.根据权利要求2所述的一种感性负载下MOSFET开关控制方法，其特征在于，Q1、Q2、Q3、Q4均由外部闭环电源供电，且其漏源极之间均并接1个温度控制单元TC以降低结温。
5.根据权利要求1所述的一种感性负载下MOSFET开关控制方法，其特征在于，所述的感性负载模块包括1个电感L、1个电阻R、1个电容C，电感L串联电阻R与电容C构成并联电路，感性负载模块一端连接电源正极，另一端与开关器件的漏极相连。
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