CN108322200A - 一种用于驱动功率开关器件的驱动电路 - Google Patents

一种用于驱动功率开关器件的驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于驱动功率开关器件的驱动电路，包括第一、第二逻辑运算模块、主驱动电流模块和辅助驱动电流模块；第一逻辑运算模块的第一、二输入端用于接入第一控制信号、第一位选信号；主驱动电流模块的输入端与第一逻辑运算模块的输出端相连，输出端用于连接功率开关器件的栅极；第二逻辑运算模块的第一、二输入端用于接入第二控制信号、第二位选信号；辅助驱动电流模块的输入端与第二逻辑运算模块的输出端相连，输出端用于连接功率开关器件的栅极；主驱动电流模块、辅助驱动模块的输出电流共同构成功率开关器件门极驱动电流，通过对两者输出电流的控制实现对门极驱动电流精确分阶段的控制，在维持电流尖峰不变的情况下加快器件开关速度并减小开通损耗。

Description

一种用于驱动功率开关器件的驱动电路
技术领域
本发明属于集成电路设计技术领域，具体涉及一种用于驱动功率开关器件的驱动电路。
背景技术
碳化硅功率开关器件、IGBT等功率开关器件凭借其耐高压、耐高温、高频率等远优于传统硅基功率开关器件的优异物理化学特性和电特性，拥有广阔的发展前景，将被广泛地应用于各种电力电子设备中。
由于碳化硅功率开关器件、IGBT等大功率器件开关过程中会产生较大的功耗，所以通过驱动电路的改进来减小其开关损耗不仅可以防止器件因发热严重而损坏，还可以节约能源。传统的驱动电路的开环控制采用电压型结构，通过调整门极电阻Rg的大小来控制开关速度，这类驱动电路在开通过程，通过减小门极电阻Rg，可以增大器件门极电流，加快开通速度，减少开通损耗，但会造成功率开关器件开通过程电流尖峰增大，带来电磁干扰(EMI)问题，甚至造成器件的过流损坏；通过增大门极电阻Rg，可以减小门极电流，减小功率开关器件开通过程电流尖峰，但是会减慢开通速度，使开通损耗增加，造成发热等不良效果；因此上述传统的开环控制无法依靠调整门极电阻Rg来解决电流尖峰和开通损耗的矛盾。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于驱动功率开关器件的驱动电路，其目的在于通过电路来精确的分阶段控制功率开关器件门极驱动电流，在维持功率开关器件开通过程电流尖峰不变的情况下加快开关速度、减小开通损耗，解决现有技术采用的开环控制电路单纯依靠调整门极电阻来实现电流尖峰与开通损耗的折中，导致开通功耗大、开关速度慢的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于驱动功率开关器件的驱动电路，包括第一逻辑运算模块、第二逻辑运算模块、主驱动电流模块和辅助驱动电流模块；
其中，第一逻辑运算模块的第一输入端用于接入第一控制信号，第二输入端用于接入第一位选信号；主驱动电流模块的输入端与第一逻辑运算模块的输出端相连；主驱动电流模块的输出端用于连接功率开关器件的栅极；
第二逻辑运算模块的第一输入端用于接入第二控制信号，第二输入端用于接入第二位选信号；辅助驱动电流模块的输入端与第二逻辑运算模块的输出端相连；辅助驱动电流模块的输出端也用于连接功率开关器件的栅极；
其中，第一逻辑运算模块用于将第一控制信号与第一位选信号进行逻辑运算，生成用于控制主驱动电流模块输出电流大小及主驱动电流模块开关的第一电流控制信号；
第二逻辑运算模块用于将第二控制信号与第二位选信号进行逻辑运算，生成用于控制辅助驱动电流模块输出电流大小及辅助驱动电流模块开关的第二电流控制信号；
主驱动电流模块用于在第一电流控制信号的控制下在第一阶段为功率开关器件提供驱动电流；
辅助驱动模块用于在第二电流控制信号的控制下在第二阶段为功率开关器件提供驱动电流。
优选的，上述用于驱动功率开关器件的驱动电路，还包括用于生成第一控制信号和第二控制信号的可编程信号发生器。
优选的，上述用于驱动功率开关器件的驱动电路，其第一控制信号与第二控制信号电平大小相同。
优选的，上述用于驱动功率开关器件的驱动电路，还包括用于生成第一位选信号和第二位选信号的信号发生器；其中，第一位选信号用于控制主驱动电流模块的输出电流大小，第二位选信号用于控制辅助驱动电流模块的输出电流大小。
优选的，上述用于驱动功率开关器件的驱动电路，当第一控制信号由低电平跳变到高电平，经过第一逻辑运算模块输出第一电流控制信号控制主驱动电流模块开启，其输出电流为功率开关器件的栅极充电，并通过第一位选信号使得主驱动电流模块输出电流达到电流尖峰；
维持第一控制信号保持高电平，并使第二控制信号由低电平跳变到高电平，通过第二逻辑运算模块输出第二电流控制信号来控制辅助驱动电流模块开启，其输出电流为驱动功率开关器件的栅极充电，并通过第二位选信号调整辅助驱动电流模块的输出电流大小，至功率开关器件导通压降下降到最小值后控制第二控制信号由高电平跳变到低电平来关断辅助驱动电流模块，以达到加速开通功率开关器件，减小开通损耗的目的。
优选的，上述用于驱动功率开关器件的驱动电路，其主驱动电流模块或辅助驱动电流模块均包括多个并列的电流驱动单元；第一位选信号用于选中主驱动电流模块内多个电流驱动单元中的一个或多个，第二位选信号用于选中辅助驱动电流模块内多个电流驱动单元中的一个或多个。
优选的，上述用于驱动功率开关器件的驱动电路，其电流驱动单元包括依次相连的反相器、缓冲电路和PMOS管；在位选信号的控制下，逻辑运算模块的输出信号经过所选中的电流驱动单元的反相器和缓冲电路后，控制输出级PMOS管的开通与关断，由此来控制驱动电流模块输出电流的大小。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提供的用于驱动功率开关器件的驱动电路，在第一逻辑运算模块、第二逻辑运算模块的控制下，通过主驱动电流模块、辅助驱动电流模块来对功率开关器件的门极驱动电流进行精确分阶段的控制，在维持电流尖峰不变的情况下，加快了功率开关器件的开关速度，减小了功率开关器件的开通损耗；解决了现有的功率开关器件开环控制电路单纯依靠调整门极电阻来实现电流尖峰与开关损耗的折中导致开通功耗大、开关速度慢的问题。
附图说明
图1是本发明提供的用于驱动功率开关器件的驱动电路的一个实施例的原理示意图；
图2是实施例的用于驱动功率开关器件的驱动电路的第一逻辑运算模块示意图；
图3是实施例的用于驱动功率开关器件的驱动电路的主驱动电流模块内部单个电流驱动单元示意图；
图4是以碳化硅MOSFET为例的开通过程波形图；
图5是以碳化硅MOSFET为例的开通过程功耗图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的用于驱动功率开关器件的驱动电路，通过电路的设计来对功率开关器件驱动电流精确分阶段的控制，实现在维持电流尖峰不变的情况下，加快开关速度，减小开通损耗；以解决现有的功率开关器件的开环控制电路单纯依靠调整门极电阻来实现电流尖峰与开关损耗的折中导致开通功耗大、开关速度慢的问题。该用于驱动功率开关器件的驱动电路可作用于碳化硅功率开关器件或IGBT。
参照图1，是本发明提供的用于驱动功率开关器件的驱动电路的一个实施例的示意图，包括第一逻辑运算模块A、第二逻辑运算模块B、主驱动电流模块和辅助驱动电流模块；
其中，第一逻辑运算模块A的第一输入端用于接入第一控制信号PWM1，第二输入端用于接入第一位选信号SEL_1；主驱动电流模块的输入端与第一逻辑运算模块A的输出端相连；主驱动电流模块的输出端用于连接功率开关器件(譬如碳化硅功率开关器件或IGBT)的栅极；
第二逻辑运算模块B的第一输入端用于接入第二控制信号PWM2，第二输入端用于接入第二位选信号SEL_2；辅助驱动电流模块的输入端与第二逻辑运算模块B的输出端相连；辅助驱动电流模块的输出端也用于连接功率开关器件的栅极。
第一逻辑运算模块A用于将第一控制信号PWM1与第一位选信号SEL_1进行逻辑运算，生成用于控制主驱动电流模块输出电流大小、主驱动电流模块开关的第一电流控制信号；
第二逻辑运算模块B用于将第二控制信号PWM2与第二位选信号SEL_2进行逻辑运算，生成用于控制辅助驱动电流模块输出电流大小、辅助驱动电流模块开关的第二电流控制信号；主驱动电流模块的输出电流和辅助驱动模块的输出电流共同构成功率开关器件的门极电流；通过对两者的输出电流的控制实现对功率开关器件门极驱动电流精确分阶段的控制，以在维持电流尖峰不变的情况下，加快开关速度，减小开通损耗。
参照图2，是实施例的用于驱动功率开关器件的驱动电路的第一逻辑运算模块示意图；实施例中，第一逻辑运算模块和第二逻辑运算模块相同。参照图中所示意的，输入端PWM为控制信号；C0～C4为位选控制信号，高电平有效；C0为最低有效位，C4为最高有效位；P0～P24为逻辑运算模块的输出信号，分别对后续驱动电流模块内部的25个电流驱动单元进行控制。
当PWM为低电平时，输出信号P0～P24全部为低电平，控制关断对应的25个电流驱动单元的输出级PMOS管，此时无法对功率开关器件栅极充电。当PWM为高电平时，输出信号P0～P24受位选信号控制，当C0～C4五位位选信号表示数值n时，则前n个输出信号P0～P(n-1)为高电平，控制驱动电流模块内部对应的前n个电流驱动单元PMOS管开通，从而对功率开关器件的栅极充电。
参照图3，是实施例的用于驱动功率开关器件的驱动电路的主驱动电流模块内部单个电流驱动单元示意图；包括依次相连的反相器、缓冲电路和PMOS管；输入信号为第一逻辑运算模块的输出信号P，经过反相器和buffer(缓冲电路)，控制输出级PMOS管的开通与关断。
当输入信号P为高电平时，经过反相器和buffer后，控制输出级PMOS管开通，该电流驱动单元输出电流，对功率开关器件的栅极充电，从而开通功率开关器件。实施例中，主驱动电流模块和辅助驱动电流模块分别包括25个相同的电流驱动单元，主驱动电流模块输出电流的大小由第一控制信号PWM1和由C0～C4构成的五位第一位选信号SEL_1控制，辅助驱动电流模块输出电流大小由第二控制信号PWM2和由C0～C4构成的五位第二位选信号SEL_2控制。
实施例中，第一控制信号PWM1和第二控制信号PWM2通过外部可编程信号发生器提供；还可以通过将第一控制信号PWM1通过延时模块进行延时处理获得第二控制信号PWM2。当第一控制信号PWM1为高电平时开通主驱动电流模块，为低电平时关断主驱动电流模块；当第二控制信号PWM2为高电平时开通辅助驱动电流模块，为低电平时关断辅助驱动电流模块。通过控制第一控制信号PWM1和第二控制信号PWM2波形来控制主驱动电流模块和辅助驱动电流模块的开通、关断的时间，从而实现精确的分阶段控制功率开关器件的门极驱动电流；通过第一位选信号SEL_1、第二位选信号SEL_2信号分别控制主驱动电流模块、辅助驱动电流模块的输出电流大小。
参照图4，是采用上述实施例提供的用于驱动功率开关器件的驱动电路作用于碳化硅MOSFET的开通过程波形图(实线)以及采用传统开环驱动电路来驱动碳化硅MOSFET的开通过程波形图(虚线)；如图中所示的，在传统开环驱动电路下，在t0时刻控制信号PWM由低电平跳变到高电平，驱动电路开始为碳化硅MOSFET提供栅极电流Ig，此时栅极电流Ig的大小仅由栅极电阻Rg的大小来调控，在t1时刻，电流尖峰达到最大值；要将电流尖峰维持在允许范围之内，则碳化硅MOSFET的开通时间会变长，意味着开通功耗会随之增加。
而采用本发明实施例提供的驱动电路，通过该驱动电路的主驱动电流模块和辅助驱动电流模块为碳化硅MOSFET提供栅极电流，并通过第一逻辑运算模块A输出的第一电流控制信号来控制主驱动电流模块的开通时间及其输出电流的大小、通过第二逻辑运算模块B输出的第二电流控制信号来控制辅助驱动电流模块的开通时间及其输出电流的大小，从而实现分阶段精确控制碳化硅MOSFET的栅极驱动电流的大小。结合图4阐述具体过程如下：在t0时刻，第一控制信号PWM1由低电平跳变到高电平，经过第一逻辑运算模块A输出第一电流控制信号来控制主驱动电流模块输出电流为碳化硅MOSFET栅极充电，此时通过调整第一位选信号SEL_1信号使得主驱动电流模块输出电流与传统开环驱动电路的栅极电流相同，故在图2所示意的t0到t1时间段内，两种驱动电路的开通过程波形相同，在t1时刻达到同样的尖峰最大值，在t1时刻，第二控制信号PWM2(实际电平与第一控制信号PWM1相同，为了方便观察，在图4中未把电平画为一致)由低电平跳变到高电平，通过第二逻辑运算模块B输出第二电流控制信号来控制辅助驱动电流模块输出电流为碳化硅MOSFEET栅极充电，通过调整第二位选信号SEL_2来调整辅助驱动电流模块B的输出电流大小；在t2时刻，Vds下降到最小值，第二控制信号PWM2由高电平跳变到低电平，通过第二逻辑运算模块B输出的第二电流控制信号控制辅助驱动电流模块关断。在t1时刻之后，相比于传统开环控制策略，实施例提供的驱动电路由于有辅助驱动电流模块提供额外的驱动电流，所以碳化硅MOSFET总的栅极驱动电流Ig更大，导通压降Vds下降更快，开通时间更短，因此开通损耗更小。
参照图5，则是采用实施例提供的用于驱动功率开关器件的驱动电路作用于碳化硅MOSFET的开通过程功耗图(实线)，以及采用传统开环驱动电路来驱动碳化硅MOSFET的开通过程功耗图(虚线)，曲线(包括实线和虚线)为MOSFET导通压降Vds与电流Id的乘积。在t0到t1时间段内，实施例提供的驱动电路与传统开环驱动电路的功耗相同；t1时刻之后，实施例提供的驱动电路的功耗下降更快，而开通过程损耗为该功率曲线在整个开通时间内的积分，即曲线与时间轴所围成的面积，由图5的对比可以看出，实施例提供的用于驱动功率开关器件的驱动电路，通过分阶段控制碳化硅MOSFET栅极驱动电流，开通过程损耗更低，实现了在电流尖峰不变的情况下，减小开通损耗的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于驱动功率开关器件的驱动电路，其特征在于，包括第一逻辑运算模块、第二逻辑运算模块、主驱动电流模块和辅助驱动电流模块；
所述第一逻辑运算模块的第一输入端用于接入第一控制信号，第二输入端用于接入第一位选信号；所述主驱动电流模块的输入端与第一逻辑运算模块的输出端相连，输出端用于连接功率开关器件的栅极；
所述第二逻辑运算模块的第一输入端用于接入第二控制信号，第二输入端用于接入第二位选信号；所述辅助驱动电流模块的输入端与第二逻辑运算模块的输出端相连，输出端也用于连接功率开关器件的栅极；
所述第一逻辑运算模块用于将所述第一控制信号与第一位选信号进行逻辑运算，生成用于控制主驱动电流模块输出电流大小及主驱动电流模块开关的第一电流控制信号；
所述第二逻辑运算模块用于将所述第二控制信号与第二位选信号进行逻辑运算，生成用于控制辅助驱动电流模块输出电流大小及辅助驱动电流模块开关的第二电流控制信号；
所述主驱动电流模块用于在第一电流控制信号的控制下在第一阶段为功率开关器件提供驱动电流；所述辅助驱动模块用于在第二电流控制信号的控制下在第二阶段为功率开关器件提供驱动电流。
2.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，还包括用于生成第一控制信号和第二控制信号的可编程信号发生器。
3.如权利要求1或2所述的驱动电路，其特征在于，所述第一控制信号与第二控制信号电平大小相同。
4.如权利要求1或2所述的驱动电路，其特征在于，还包括用于生成第一位选信号和第二位选信号的可编程信号发生器。
5.如权利要求1或2所述的驱动电路，其特征在于，当第一控制信号由低电平跳变到高电平，经过第一逻辑运算模块输出第一电流控制信号控制主驱动电流模块开启，其输出电流为功率开关器件的栅极充电，并通过第一位选信号使得主驱动电流模块输出电流达到电流尖峰；使第二控制信号由低电平跳变到高电平，通过第二逻辑运算模块输出第二电流控制信号来控制辅助驱动电流模块开启，其输出电流为驱动功率开关器件的栅极充电，并通过第二位选信号调整辅助驱动电流模块的输出电流大小至功率开关器件导通压降下降到最小值，此时控制第二控制信号由高电平跳变到低电平来关断辅助驱动电流模块以达到加速开通功率开关器件，减小开通损耗的目的。
6.如权利要求1或2所述的驱动电路，其特征在于，所述主驱动电流模块或辅助驱动电流模块均包括多个并列的电流驱动单元；第一位选信号用于选中主驱动电流模块内多个电流驱动单元中的一个或多个，第二位选信号用于选中辅助驱动电流模块内多个电流驱动单元中的一个或多个。
7.如权利要求6所述的驱动电路，其特征在于，其特征在于，所述电流驱动单元包括依次相连的反相器、缓冲电路和PMOS管；在位选信号的控制下，各逻辑运算模块的输出信号经过所选中的电流驱动单元的反相器和缓冲电路后，控制PMOS管的开通与关断，由此来控制各驱动电流模块输出电流的大小。
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