CN111294034B - 栅极驱动电路、功率开关电路及电器设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种栅极驱动电路、功率开关电路及电器设备，电路用于驱动半导体开关器件，包括：运算放大器和缓冲器。运算放大器的一个输入端接参考电压，另一个输入端通过反馈电阻接半导体开关器件的发射极，运算放大器的工作电源为外部电压；缓冲器的输入端接运算放大器的输出端，缓冲器的输出端接半导体开关器件的栅极，缓冲器的工作电源为外部电压。本发明的栅极驱动电路输出的驱动电压可以随参考电压的变化而变化，因此可以实现驱动电压的自主调节，以在半导体开关器件开通和关断过程中的不同阶段对充电放电电流进行调整，电流电压过冲及开关损耗可独立被抑制，也可同时被抑制。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体技术领域，尤其涉及一种用于半导体开关器件的栅极驱动电路、包含栅极驱动电路的功率开关电路及电器设备。
背景技术
在功率半导体领域，功率器件的开关损耗E与电流电压过冲(Irr，Vrr)是一对显著的矛盾。以绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)为例：当IGBT的开关时间减少，损耗被抑制时，则电流电压快速变化，过冲明显增加；当抑制电流电压过冲量时，则开关时间延长，开关损耗增加。使用不同阻值的栅极电阻是优化开关损耗E与电流电压过冲(Irr，Vrr)的常见做法。
相关技术中，如图1所示，其给出了不同阻值栅极电阻的栅极驱动电路的示意图。图中，开通和关断的栅极电阻分别为Ron和Roff。以开通过程为例，开通损耗Eon和电流过冲Irr对Ron的正负关系为：
和/>
可见，随着Ron的增加，IGBT的开通损耗Eon增加，电流过冲Irr减小；反之亦然，即减小Ron，开通损耗Eon减低，但是电流过冲Irr增加。因此，栅极电阻不能从本质上解决开关损耗与电流电压过冲的折中问题，只能通过优化阻值，达到一个较优的平衡关系。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。
为了解决上述问题，本发明第一方面实施例的一种栅极驱动电路，用于驱动半导体开关器件，包括：
运算放大器，所述运算放大器的一个输入端接参考电压，另一个输入端通过反馈电阻接半导体开关器件的发射极；
缓冲器，所述缓冲器的输入端接所述运算放大器的输出端，所述缓冲器的输出端接所述半导体开关器件的栅极。
在本发明的一些实施例中，所述参考电压是根据所述半导体开关器件的特性曲线获得的。
在本发明的一些实施例中，所述半导体开关器件的特性曲线包括半导体开关器件在开通和关断过程中的电流曲线。
在本发明的一些实施例中，所述运算放大器的同相输入端接参考电压。
在本发明的一些实施例中，所述运算放大器的工作电源为外部电压
在本发明的一些实施例中，所述缓冲器的工作电源为外部电压。
在本发明的一些实施例中，所述半导体开关器件为绝缘栅双极型晶体管IGBT、场效应晶体管FET或双极性晶体管BJT。
本发明第一方面实施例的栅极驱动电路，其输出的驱动电压可以随参考电压的变化而变化，因此可以实现驱动电压的自主调节，以在半导体开关器件开通和关断过程中的不同阶段对充电放电电流进行调整，电流电压过冲及开关损耗可独立被抑制，也可同时被抑制。
本发明第二方面实施例的一种功率开关电路，包括：
半导体开关器件；以及
第一方面中所述的栅极驱动电路；
其中，所述半导体开关器件包括栅极、发射极和集电极；所述栅极驱动电路包括运算放大器和缓冲器；
所述缓冲器的输出端与所述半导体开关器件的栅极连接，所述运算放大器的一个输入端接参考电压，另一个输入端通过反馈电阻与半导体开关器件的发射极连接。
在本发明的一些实施例中，所述半导体开关器件为绝缘栅双极型晶体管IGBT、场效应晶体管FET或双极性晶体管BJT。
本发明第二方面实施例的功率开关电路，栅极驱动电路输出的驱动电压可以随参考电压的变化而变化，因此可以实现驱动电压的自主调节，以在半导体开关器件开通和关断过程中的不同阶段对充电放电电流进行调整，电流电压过冲及开关损耗可独立被抑制，也可同时被抑制。
本发明第三方面实施例的一种电器设备，包括第二方面中所述的功率开关电路。
本发明第三方面实施例的电器设备，其功率开关电路中栅极驱动电路输出的驱动电压可以随参考电压的变化而变化，因此可以实现驱动电压的自主调节，以在半导体开关器件开通和关断过程中的不同阶段对充电放电电流进行调整，电流电压过冲及开关损耗可独立被抑制，也可同时被抑制。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
附图1示出了现有的一种不同阻值栅极电阻的栅极驱动电路的示意图；
附图2示出了本发明的一种栅极驱动电路原理图；
附图3示出了本发明的一种参考电压的示意图；
附图4示出了本发明的另一种栅极驱动电路原理图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明的原理如下：本发明提出了一种可调节独立栅极驱动电路，将半导体开关器件的发射极电流采样信号，通过反馈电阻转换为反馈电压后反馈到运算放大器，与参考电压运算，自适应输出相应的驱动电压，因此通过参考电压可以实现驱动电压的自主调节，以在半导体开关器件开通和关断过程中的不同阶段对充电放电电流进行调整，电流电压过冲及开关损耗可独立被抑制，也可同时被抑制。
实施例1
如图2所示，本发明的一种栅极驱动电路，用于驱动半导体开关器件100，包括：运算放大器10和缓冲器20。半导体开关器件100可以为绝缘栅双极型晶体管IGBT。如图2所示，本实施例中以IGBT为例，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)是一种功率器件，其运用一个MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，金属-氧化层半导体场效晶体管)结构的栅驱动电流向一个双极结型晶体管提供基极电流，使其兼具双极结型晶体管的大电流能力和场效应管的压控型驱动电路。
运算放大器10(简称：运放)的同相输入端11接参考电压Vref，反相输入端12通过反馈电阻Rf接半导体开关器件的发射极E，该运算放大器10的工作电源为外部电压。
其中，参考电压是根据所述半导体开关器件的特性曲线获得的，该特性曲线具体可以是半导体开关器件在开通和关断过程中的电流曲线。实际应用中，可以通过测试获得待使用半导体开关器件在开通和关断过程中不同阶段的充电和放电电流特性，例如电流大小与时间的关系，进而转换为上述参考电压。
缓冲器20的输入端21接所述运算放大器的输出端13，所述缓冲器20的输出端22接所述半导体开关器件的栅极G，所述缓冲器的工作电源为外部电压。缓冲器是单位增益放大器，具有极高输入电阻和极低输出电阻。将缓冲器模拟为一个增益为1的压控电压源。缓冲器具有几乎无限大的输入电阻，因而不存在负载效应，故输入电压等于输出电压。此外，缓冲器的输出电压对负载电阻不敏感，因为理想缓冲器的输出电阻基本上为零。将缓冲器20放置在运算放大器10和半导体开关器件之间，以解决负载效应问题，保证驱动电压的驱动能力。
图3示出了一种参考电压的示意图。如图3所示，半导体开关器件的开通过程：在区域1，电流从无到有，变化较快，最容易发生电流过冲，因此该区域参考电压变化设置较为平缓；在区域2，电流过冲较小，为了减小开通损耗，参考电压变化设置较为快速，以缩短开通时间，减小开通损耗。区域3为开通后的参考电压。半导体开关器件的关断过程：在区域4，刚关断，电压变化较快，最容易发生电压过冲，因此该区域参考电压变化设置较为平缓；在区域5，电压过冲较小，为了减小关断损耗，参考电压变化设置较为快速，以缩短关断时间，减小关断损耗。
图2所示的栅极驱动电路工作原理如下：在运算放大器10的同相输入端11输入参考电压，将半导体开关器件的发射极电流(集电极-发射极电流)采样信号通过反馈电阻Rf转换为反馈电压后反馈到运算放大器10的反相输入端12，使得运算放大器10的输出电压随参考电压的变化而变化。输出电压通过缓冲器20加载至半导体开关器件的栅极，缓冲器20保证了该输出电压(驱动电压)的驱动能力。
本实施例的栅极驱动电路，其输出的驱动电压可以随参考电压的变化而变化，因此可以实现驱动电压的自主调节，以在半导体开关器件开通和关断过程中的不同阶段对充电放电电流(电压)进行调整，电流电压过冲及开关损耗可独立被抑制，也可同时被抑制。对比常规的栅极驱动电路，可以实现：开关损耗不变，电流电压过冲被明显抑制；或电流电压过冲不变，开关损耗显著降低。
实施例2
如图4所示，本发明的另一种栅极驱动电路，用于驱动半导体开关器件100，包括：运算放大器10和缓冲器20。半导体开关器件100可以为场效应晶体管FET。如图4所示，本实施例中以FET为例，主要有两种类型：结型场效应管(junction FET—JFET)和金属-氧化物半导体场效应管(metal-oxide semiconductor FET，简称MOS-FET)。由多数载流子参与导电，也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件。
运算放大器10(简称：运放)的同相输入端11接参考电压Vref，反相输入端12通过反馈电阻Rf接半导体开关器件的发射极E，该运算放大器10的工作电源为外部电压。
其中，参考电压是根据所述半导体开关器件的特性曲线获得的，该特性曲线具体可以是半导体开关器件在开通和关断过程中的电流曲线。实际应用中，可以通过测试获得待使用半导体开关器件在开通和关断过程中不同阶段的充电和放电电流特性，例如电流大小与时间的关系，进而转换为上述参考电压。
缓冲器20的输入端21接所述运算放大器的输出端13，所述缓冲器20的输出端22接所述半导体开关器件的栅极G，所述缓冲器的工作电源为外部电压。缓冲器是单位增益放大器，具有极高输入电阻和极低输出电阻。将缓冲器模拟为一个增益为1的压控电压源。缓冲器具有几乎无限大的输入电阻，因而不存在负载效应，故输入电压等于输出电压。此外，缓冲器的输出电压对负载电阻不敏感，因为理想缓冲器的输出电阻基本上为零。将缓冲器20放置在运算放大器10和半导体开关器件之间，以解决负载效应问题，保证驱动电压的驱动能力。
如图3所示，半导体开关器件的开通过程：在区域1，电流从无到有，变化较快，最容易发生电流过冲，因此该区域参考电压变化设置较为平缓；在区域2，电流过冲较小，为了减小开通损耗，参考电压变化设置较为快速，以缩短开通时间，减小开通损耗。区域3为开通后的参考电压。半导体开关器件的关断过程：在区域4，刚关断，电压变化较快，最容易发生电压过冲，因此该区域参考电压变化设置较为平缓；在区域5，电压过冲较小，为了减小关断损耗，参考电压变化设置较为快速，以缩短关断时间，减小关断损耗。
图4所示的栅极驱动电路工作原理如下：在运算放大器10的同相输入端11输入参考电压，将半导体开关器件的发射极电流(集电极-发射极电流)采样信号通过反馈电阻Rf转换为反馈电压后反馈到运算放大器10的反相输入端12，使得运算放大器10的输出电压随参考电压的变化而变化。输出电压通过缓冲器20加载至半导体开关器件的栅极，缓冲器20保证了该输出电压(驱动电压)的驱动能力。
本实施例的栅极驱动电路，其输出的驱动电压可以随参考电压的变化而变化，因此可以实现驱动电压的自主调节，以在半导体开关器件开通和关断过程中的不同阶段对充电放电电流(电压)进行调整，电流电压过冲及开关损耗可独立被抑制，也可同时被抑制。对比常规的栅极驱动电路，可以实现：开关损耗不变，电流电压过冲被明显抑制；或电流电压过冲不变，开关损耗显著降低实施例3
本发明另一实施例的一种功率开关电路，包括：
半导体开关器件；以及上述实施例所述的栅极驱动电路；
其中，所述半导体开关器件包括栅极、发射极和集电极；所述栅极驱动电路包括运算放大器和缓冲器；
缓冲器的输出端与半导体开关器件的栅极连接，运算放大器的一个输入端接参考电压，另一个输入端通过反馈电阻与半导体开关器件的发射极连接。
在本发明的一些实施方式中，上述半导体开关器件可以为绝缘栅双极型晶体管IGBT、场效应晶体管FET、双极性晶体管BJT等功率开关器件。
其中，参考电压是根据所述半导体开关器件的特性曲线获得的，该特性曲线具体可以是半导体开关器件在开通和关断过程中的电流曲线。实际应用中，可以通过测试获得待使用半导体开关器件在开通和关断过程中不同阶段的充电和放电电流特性，例如电流大小与时间的关系，进而转换为上述参考电压。
如图3所示，半导体开关器件的开通过程：在区域1，电流从无到有，变化较快，最容易发生电流过冲，因此该区域参考电压变化设置较为平缓；在区域2，电流过冲较小，为了减小开通损耗，参考电压变化设置较为快速，以缩短开通时间，减小开通损耗。区域3为开通后的参考电压。半导体开关器件的关断过程：在区域4，刚关断，电压变化较快，最容易发生电压过冲，因此该区域参考电压变化设置较为平缓；在区域5，电压过冲较小，为了减小关断损耗，参考电压变化设置较为快速，以缩短关断时间，减小关断损耗。
缓冲器的工作电源为外部电压。缓冲器是单位增益放大器，具有极高输入电阻和极低输出电阻。将缓冲器模拟为一个增益为1的压控电压源。缓冲器具有几乎无限大的输入电阻，因而不存在负载效应，故输入电压等于输出电压。此外，缓冲器的输出电压对负载电阻不敏感，因为理想缓冲器的输出电阻基本上为零。将缓冲器放置在运算放大器和半导体开关器件之间，以解决负载效应问题，保证驱动电压的驱动能力。
本实施例的功率开关电路，栅极驱动电路输出的驱动电压可以随参考电压的变化而变化，因此可以实现驱动电压的自主调节，以在半导体开关器件开通和关断过程中的不同阶段对充电放电电流进行调整，电流电压过冲及开关损耗可独立被抑制，也可同时被抑制。
实施例4
本发明又一实施例的一种电器设备，包括上述实施例中的功率开关电路。该电器设备可以为洗衣机、电风扇等。
功率开关电路中栅极驱动电路包括运算放大器和缓冲器；缓冲器的输出端与半导体开关器件的栅极连接，运算放大器的一个输入端接参考电压，另一个输入端通过反馈电阻与半导体开关器件的发射极连接。
其中，参考电压是根据所述半导体开关器件的特性曲线获得的，该特性曲线具体可以是半导体开关器件在开通和关断过程中的电流曲线。实际应用中，可以通过测试获得待使用半导体开关器件在开通和关断过程中不同阶段的充电和放电电流特性，例如电流大小与时间的关系，进而转换为上述参考电压。
如图3所示，半导体开关器件的开通过程：在区域1，电流从无到有，变化较快，最容易发生电流过冲，因此该区域参考电压变化设置较为平缓；在区域2，电流过冲较小，为了减小开通损耗，参考电压变化设置较为快速，以缩短开通时间，减小开通损耗。区域3为开通后的参考电压。半导体开关器件的关断过程：在区域4，刚关断，电压变化较快，最容易发生电压过冲，因此该区域参考电压变化设置较为平缓；在区域5，电压过冲较小，为了减小关断损耗，参考电压变化设置较为快速，以缩短关断时间，减小关断损耗。
缓冲器的工作电源为外部电压。缓冲器是单位增益放大器，具有极高输入电阻和极低输出电阻。将缓冲器模拟为一个增益为1的压控电压源。缓冲器具有几乎无限大的输入电阻，因而不存在负载效应，故输入电压等于输出电压。此外，缓冲器的输出电压对负载电阻不敏感，因为理想缓冲器的输出电阻基本上为零。将缓冲器放置在运算放大器和半导体开关器件之间，以解决负载效应问题，保证驱动电压的驱动能力。
本实施例的电器设备，功率开关电路中栅极驱动电路输出的驱动电压可以随参考电压的变化而变化，因此可以实现驱动电压的自主调节，以在半导体开关器件开通和关断过程中的不同阶段对充电放电电流进行调整，电流电压过冲及开关损耗可独立被抑制，也可同时被抑制。
需要说明的是：
在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟装置或者其它设备有固有相关。各种通用装置也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类装置所要求的结构是显而易见的。此外，本申请也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本申请的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本申请的最佳实施方式。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本申请的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
类似地，应当理解，为了精简本申请并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本申请的示例性实施例的描述中，本申请的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本申请要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本申请的单独实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本申请的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
本申请的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本申请实施例的虚拟机的创建装置中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本申请还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本申请的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
应该注意的是上述实施例对本申请进行说明而不是对本申请进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本申请可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种栅极驱动电路，用于驱动半导体开关器件，其特征在于，包括：
运算放大器，所述运算放大器的同相输入端接参考电压，反相输入端通过反馈电阻接半导体开关器件的发射极；
缓冲器，所述缓冲器的输入端接所述运算放大器的输出端，所述缓冲器的输出端接所述半导体开关器件的栅极；
其中，所述参考电压是根据所述半导体开关器件的特性曲线获得的；所述半导体开关器件的特性曲线包括半导体开关器件在开通和关断过程中的电流曲线；
其中，在所述运算放大器的同相输入端输入参考电压，将半导体开关器件的发射极电流采样信号通过反馈电阻转换为反馈电压后反馈到所述运算放大器的反相输入端，使得所述运算放大器的输出电压随参考电压的变化而变化；所述运算放大器的输出电压通过所述缓冲器加载至半导体开关器件的栅极。
2.根据权利要求1所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述运算放大器的工作电源为外部电压。
3.根据权利要求1所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述缓冲器的工作电源为外部电压。
4.根据权利要求1所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述半导体开关器件为绝缘栅双极型晶体管IGBT、场效应晶体管FET或双极性晶体管BJT。
5.一种功率开关电路，其特征在于，包括：
半导体开关器件；以及
权利要求1至4中任一项所述的栅极驱动电路；
其中，所述半导体开关器件包括栅极、发射极和集电极；所述栅极驱动电路包括运算放大器和缓冲器；
所述缓冲器的输出端与所述半导体开关器件的栅极连接，所述运算放大器的同相输入端接参考电压，反相输入端通过反馈电阻与半导体开关器件的发射极连接。
6.根据权利要求5所述的功率开关电路，其特征在于，所述半导体开关器件为绝缘栅双极型晶体管IGBT、场效应晶体管FET或双极性晶体管BJT。
7.一种电器设备，其特征在于，包括权利要求5至6中任一项所述的功率开关电路。
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