CN112134442A - 栅极驱动装置及功率转换装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种栅极驱动装置，其通过在适当的定时使开关速度变化，从而能够同时实现关断浪涌电压的抑制和开关损耗的降低。该栅极驱动装置，包括：栅极驱动部，根据对开关元件的导通或关断进行指示的输入信号，对所述开关元件的栅极进行驱动；定时确定部，对从所述输入信号切换为导通指令到切换为关断指令的导通时间宽度进行测定，并且基于测定出的所述导通时间宽度来确定所述开关元件的关断浪涌电压达到峰值之前的中途定时；以及驱动条件变更部，在由所述定时确定部确定的所述中途定时对所述开关元件的栅极驱动条件进行变更。

Description

栅极驱动装置及功率转换装置
技术领域
本发明涉及一种栅极驱动装置及功率转换装置。
背景技术
传统上已知一种主动式(active)栅极驱动方式，其为了实现浪涌电压的抑制和开关损耗的降低，根据流过开关元件的漏极电流或集电极电流(以下也称为主电流)在适当的定时使开关速度速度变化。例如在专利文献1中公开了一种栅极驱动电路，其对从关断指令的定时到浪涌电压产生的定时的浪涌期间进行存储，并且在本次关断时基于上次存储的关断时的浪涌期间来确定开关元件的有效栅极电阻值的变更定时。
另一方面，在斩波器电路等功率转换装置中，已知一种根据目的来分别使用使流过电抗器的电流连续的电流连续模式和使流过电抗器的电流断续的电流不连续模式的技术(例如参见专利文献2)。
<现有技术文献>
<专利文献>
专利文献1：日本发明专利第4935266号公报
专利文献2：日本发明专利第6398537号公报
发明内容
<本发明要解决的问题>
在传统的主动式栅极驱动方法中，以关断开始时间点处的主电流的电流值在上次与本次中一致为前提。然而，在关断开始时间点处的主电流的电流值在上次与本次中有可能不同的驱动模式(例如电流不连续模式)下，用于实现浪涌电压的抑制和开关损耗的降低的使开关速度速度变化的适当的定时每次都会变化。因此，无法在适当的定时进行主动式栅极驱动，有可能难以同时实现关断浪涌电压的抑制和开关损耗的降低。
因此，本公开提供一种栅极驱动装置及功率转换装置，其通过在适当的定时使开关速度变化，从而能够同时实现关断浪涌电压的抑制和开关损耗的降低。
<用于解决问题的手段>
本公开提供一种栅极驱动装置，包括：栅极驱动部，根据对开关元件的导通或关断进行指示的输入信号，对所述开关元件的栅极进行驱动；定时确定部，对从所述输入信号切换为导通指令到切换为关断指令的导通时间宽度进行测定，并且基于测定出的所述导通时间宽度来确定所述开关元件的关断浪涌电压达到峰值之前的中途定时；以及驱动条件变更部，在由所述定时确定部确定的所述中途定时对所述开关元件的栅极驱动条件进行变更。
另外，本公开提供一种功率转换装置，包括该栅极驱动装置。
<发明的效果>
根据本公开的技术，能够提供一种栅极驱动装置及功率转换装置，其通过在适当的定时使开关速度变化，从而能够同时实现关断浪涌电压的抑制和开关损耗的降低。
附图说明
图1是示出栅极驱动装置的结构示例的框图。
图2是示出作为功率转换装置的示例的斩波器电路的结构的电路图。
图3是示出电流连续模式和电流不连续模式的动作波形的示例的图。
图4是示出栅极驱动装置的第1动作示例的时序图。
图5是示出栅极驱动装置的第2动作示例的时序图。
具体实施方式
以下，参照附图对本公开中的实施方式进行说明。
图1是示出栅极驱动装置的结构示例的框图。图1所示的栅极驱动装置1是向开关元件11的栅极供给正或负的电压以对开关元件11的栅极进行导通或关断驱动的电路。栅极驱动装置1通过在开关元件11的关断期间对开关元件11的开关速度进行调整的主动式栅极驱动方式，对开关元件11的栅极进行驱动。
开关元件11是电压驱动式的半导体元件，并且具有控制电极(栅极)、第一主电极(集电极或漏极)、以及第二主电极(发射极或源极)。作为开关元件11的具体示例，可以举出MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极晶体管)等。图1示例性地示出了开关元件11为N沟道型的MOSFET的情况。
开关元件11可以是Si(硅)等半导体，也可以是SiC(碳化硅)或GaN(氮化镓)或Ga2O3(氧化镓)或金刚石等宽带隙器件。通过将宽带隙器件应用于开关元件11，使得开关元件11的损耗降低的效果得到提高。
栅极驱动装置1例如包括栅极驱动部200、定时确定部241以及驱动条件变更部231。
栅极驱动部200是根据来自栅极驱动装置1外部的输入信号对开关元件11的栅极进行驱动的电路部。输入信号是对开关元件11的开关进行指示的信号，例如是进行了脉冲宽度调制的信号(PWM信号)。在输入信号为PWM信号的情况下，当输入信号为主动电平(例如高电平)时，其表示开关元件11的导通指令，当输入信号为非主动电平(例如低电平)时，其表示开关元件11的关断指令。
定时确定部241对从输入信号切换为导通指令到切换为关断指令的导通时间宽度TON进行测定，并且基于测定出的导通时间宽度TON来确定开关元件11的关断浪涌电压达到峰值之前的中途定时tm。中途定时tm是用于以使开关元件11的开关速度在关断期间变化的方式在关断期间对开关元件11的栅极驱动条件进行变更的条件变更定时。
定时确定部241例如具有时间宽度测定部211以及定时输出部221。
时间宽度测定部211对从输入信号切换为导通指令到切换为关断指令的导通时间宽度TON进行测定。时间宽度测定部211可以是利用计数器或滤波器对导通时间宽度TON进行测定的结构，也可以是将输入信号的脉冲宽度转换为电压值的结构。
定时输出部221根据由时间宽度测定部211测定出的导通时间宽度TON，输出用于使驱动条件变更部231在中途定时tm对开关元件11的栅极驱动条件进行变更的定时信号S。
驱动条件变更部231根据从定时输出部221所输出的定时信号S，在由定时确定部241确定的中途定时tm对开关元件11的栅极驱动条件进行变更。作为栅极驱动条件，虽然在图1中示例性地示出了条件内容相异的驱动条件a1、a2，但也可以设定为条件内容相异的3个以上的驱动条件。
驱动条件变更部231根据定时信号S，选择驱动条件a1、a2之中的任意一者。驱动条件变更部231例如在从定时确定部241输出了定时信号S的期间选择驱动条件a1，在从定时确定部241未输出定时信号S的期间选择驱动条件a2。
驱动条件变更部231例如具有电阻值不同的2个栅极电阻、以及用于对是否将各个栅极电阻连接到开关元件11的栅极进行切换的开关电路。关于与开关元件11的栅极连接的栅极电阻的电阻值，其在选择驱动条件a1情况下的值小于其在选择驱动条件a2情况下的值。
因此，在通过栅极驱动部200将开关元件11关断的期间，通过选择使栅极电阻的电阻值减小的驱动条件a1，使得开关元件11的开关速度(关断速度)加快。因此，能够降低关断时的开关损耗。另一方面，在通过栅极驱动部200将开关元件1关断的期间，通过选择使栅极电阻的电阻值增大的驱动条件a2，使得开关元件11的开关速度(关断速度)减慢。因此，使得流过开关元件11的漏极电流的时间变化率(dI/dt)减小，并且能够抑制关断浪涌电压。
另外，驱动条件变更部231可以为具有电流值不同的2个栅极电流源、以及用于对是否将各个栅极电流源连接到开关元件11的栅极进行切换的开关电路的结构。关于与开关元件11的栅极连接的栅极电流源的电流值，其在选择驱动条件a1情况下的值大于其在选择驱动条件a2情况下的值。
因此，在通过栅极驱动部200将开关元件11关断的期间，通过选择使栅极电流的电流值增大的驱动条件a1，使得开关元件11的开关速度(关断速度)加快。因此，能够降低关断时的开关损耗。另一方面，在通过栅极驱动部200将开关元件11关断的期间，通过选择使栅极电流的电流值减小的驱动条件a2，使得开关元件11的开关速度(关断速度)减慢。因此，使得流过开关元件11的漏极电流的时间变化率(dI/dt)减小，并且能够抑制关断浪涌电压。
在此，参照图2、图3，对开关元件11的关断浪涌电压达到峰值之前的中途定时tm进行说明。
图2是示出作为功率转换装置的示例的斩波器电路的结构的电路图。图3示出了电流连续模式和电流不连续模式的动作波形。在电流连续模式和电流不连续模式下，与针对功率转换装置中的对半导体元件S1进行驱动的栅极驱动装置的输入信号(例如占空比指令)成比例地确定流过半导体元件S1的主电流(漏极电流或集电极电流)。在图2中，当E1为输入电压，E2为输出电压，L为电抗器，IL为电抗器电流时，在该升压电路的情况下，由于漏极电流与电抗器电流一致，因此漏极电流按照以下公式变化。
S1为导通时：
ΔiL＝E1/L×TON
S1为关断时：
ΔiL＝(E1-E2)/L×TOFF
ΔiL为漏极电流的变化量，TON是半导体元件S1的导通时间，TOFF为半导体元件S1的关断时间。但是，由于二极管D使得iL不会变为0以下。
在电流不连续模式下，如图3所示，在载波1个周期中，由于电抗器电流iL变为0，因此即将关断之前(换言之，关断开始时间点)的电抗器电流iL(漏极电流)的电流值取决于导通时间宽度TON。因此，从半导体元件S1的关断开始定时到关断浪涌电压达到峰值的定时的峰值到达时间大致取决于导通时间宽度TON。
因此，定时确定部241通过利用导通时间宽度TON，从而能够确定半导体元件S1的关断浪涌电压达到峰值之前的中途定时tm。驱动条件变更部231在由定时确定部241确定的中途定时tm对开关元件11的栅极驱动条件进行变更。换言之，定时确定部241能够确定用于实现浪涌电压的抑制和开关损耗的降低的使开关速度速度变化的适当的中途定时tm。并且，由于能够在该适当的中途定时tm对栅极驱动条件进行变更，因此能够同时实现浪涌电压的抑制和开关损耗的降低。由于能够同时实现浪涌电压的抑制和开关损耗的降低，从而例如能够实现诸如变压器或电抗器等磁性元件的小型化和低成本化，并且能够实现开关元件的冷却体的小型化。
特别地，在电流不连续模式下，由于关断开始时间点的主电流的电流值在上次和本次中有时会不同，因此如上所述能够确定适当的中途定时tm具有有益的效果。
图4是示出栅极驱动装置1的第1动作示例的时序图。栅极驱动部200根据用于在电流不连续模式下使开关元件11进行开关的输入信号，经由驱动条件变更部231向开关元件11的控制端子(栅极)提供控制信号(栅极驱动信号)。在该示例中，高电平的输入信号表示开关元件11的导通指令，低电平的输入信号表示开关元件11的关断指令。
在输入信号由关断指令变为导通指令的情况下，开关元件11根据被输入到其控制端子的控制信号开始导通(时间点t1)。开关元件11的漏极与源极之间的电压VDS减小，同时漏极电流Id开始增大。在输入信号变为导通指令的同时，时间宽度测定部211开始进行输入信号的导通时间宽度TON的测定。例如，在输入信号变为导通指令的期间，时间宽度测定部211以预先设定的计数起始值作为起点进行递减计数，并对输入信号的导通时间宽度TON进行数值化或电压值化。
此时，时间宽度测定部211以能够将导通时间宽度TON转换为能够同时实现浪涌电压的抑制和开关损耗的降低的适当的中途定时tm的计数速度进行计数。时间宽度测定部211的计数速度是以符合导通时间宽度TON与能够同时实现浪涌电压的抑制和开关损耗的降低的适当的中途定时tm之间的关系X的方式预先设定的值。
需要说明的是，时间宽度测定部211也可以以能够将导通时间宽度TON转换为能够同时实现浪涌电压的抑制和开关损耗的降低的适当的中途定时tm的计数起始值为起点进行计数。此时的时间宽度测定部211的计数起始值是以符合导通时间宽度TON与能够同时实现浪涌电压的抑制和开关损耗的降低的适当的中途定时tm之间的关系X的方式预先设定的值。
然后，在输入信号由导通指令变为关断指令的情况下，开关元件11根据被输入到其控制端子的控制信号开始关断(时间点t2)。在输入信号变为关断指令的同时，时间宽度测定部211停止计数，并向定时输出部221输出用于表示输入信号的导通时间宽度TON的大小的信号。
定时输出部221根据时间宽度测定部211的输出来输出定时信号S。在图4中，以输入信号变为关断指令的时间点t2处的时间宽度测定部211的计数值作为定时输出部221的计数起始值。定时输出部221以预先设定的恒定的计数速度进行递减计数，并且在至计数值变为0的时间点t3为止的期间Δt0输出定时信号S。t3相当于能够同时实现浪涌电压的抑制和开关损耗的降低的适当的中途定时tm。
换言之，在开始进行关断动作的时间点t2，通过开始进行定时信号S的输出，从而由驱动条件a2切换为驱动条件a1，漏极与源极之间的电压VDS开始增大。由于由驱动条件a2切换为驱动条件a1，因此使得关断期间的前半期间的开关速度高速化，开关损耗降低。例如，驱动条件变更部231在时间点t2使与开关元件11的栅极连接的栅极电阻的电阻值减小，或者在时间点t2使流过开关元件11的栅极的栅极电流的电流值增大。
接着，当开关元件11的镜像(mirror)期结束时(时间点t3)，在漏极电流开始急剧减小时，产生与漏极电流的时间变化率相应的浪涌电压。然而，由于定时输出部221的计数值变为0，使得定时信号S的输出停止。由此，由于栅极驱动条件在时间点t3由驱动条件a1切换为驱动条件a2，使得关断期间的后半期间的开关速度低速化，能够抑制关断浪涌电压。例如，驱动条件变更部231在时间点t3使与开关元件11的栅极连接的栅极电阻的电阻值增大，或者在时间点t3使流过开关元件11的栅极的栅极电流的电流值减小。
如上所述，时间宽度测定部211通过从输入信号切换为导通指令到切换为关断指令进行计数，从而输出与导通时间宽度TON对应的计数值。定时输出部221根据该计数值，对用于输出定时信号S的期间Δt0的长度进行变更。由此，即使导通时间宽度TON的长度在各个关断定时变化，也能够设定能够同时实现浪涌电压的抑制和开关损耗的降低的适当的中途定时tm。例如如图4所示，即使下次(第(n+1)次)的开关定时的导通时间宽度TON的长度比本次(第n次)的开关定时的导通时间宽度TON的长度长，也能够缩短用于输出定时信号S的期间Δt1的长度。由此，能够设定适当的中途定时tm。
另外，由于中途定时tm是与测定出的导通时间宽度TON相邻的关断指令的期间内的定时t3，因此即使在电流不连续模式下，也能够利用前一个导通时间宽度TON来设定适合所流过的漏极电流大小的中途定时tm。
图5是示出栅极驱动装置1的第2动作示例的时序图。由于除了时间宽度测定部211和定时输出部221之间的处理以外的其他动作与第1动作示例相同，因此通过援引上述说明而省略或简化其说明。在第1动作示例中时间宽度测定部211基于关系X进行计数，相比之下，在第2动作示例中定时输出部221基于关系X进行计数。两者在这点上不同。
在输入信号由关断指令变为导通指令的情况下，开关元件11根据被输入到其控制端子的控制信号开始导通(时间点t1)。在输入信号变为导通指令的同时，时间宽度测定部211开始进行输入信号的导通时间宽度TON的测定。例如，在输入信号变为导通指令的期间，时间宽度测定部211以预先设定的计数起始值(在此情况下为0)作为起点进行递增计数，并对输入信号的导通时间宽度TON进行数值化或电压值化。
此时，时间宽度测定部211可以不以能够将导通时间宽度TON转换为能够同时实现浪涌电压的抑制和开关损耗的降低的适当的中途定时tm的计数速度进行计数。例如，时间宽度测定部211的计数速度也可以是以符合实际的时间经过的方式预先设定的值。
然后，在输入信号由导通指令变为关断指令的情况下，开关元件11根据被输入到其控制端子的控制信号开始关断(时间点t2)。在输入信号变为关断指令的同时，时间宽度测定部211停止计数，并向定时输出部221输出用于表示输入信号的导通时间宽度TON的大小的信号。
定时输出部221根据时间宽度测定部211的输出来输出定时信号S。例如，定时输出部221参照导通时间宽度TON与能够同时实现浪涌电压的抑制和开关损耗的降低的适当的中途定时tm之间的关系，以符合该关系的方式，根据由时间宽度测定部211测定出的导通时间宽度TON，输出定时信号S。
在图5中，作为第1示例，以输入信号变为关断指令的时间点t2处的时间宽度测定部211的计数值作为定时输出部221的计数起始值。定时输出部221以与输入信号变为关断的时间点t2处的时间宽度测定部211的计数值对应的计数速度进行递减计数，并且在至计数值变为0的时间点t3为止的期间Δt0输出定时信号S。t3相当于能够同时实现浪涌电压的抑制和开关损耗的降低的适当的中途定时tm。换言之，定时输出部221在从以与由时间宽度测定部211测定出的导通时间宽度TON对应的计数速度开始计数到结束计数的期间，输出定时信号S。
此时的定时输出部221的计数速度是以符合导通时间宽度TON与能够同时实现浪涌电压的抑制和开关损耗的降低的适当的中途定时tm之间的关系X的方式根据在各个导通动作中测定出的导通时间宽度TON逐次设定的值。例如，定时输出部221基于关系X来确定与由时间宽度测定部211测定出的导通时间宽度TON对应的计数速度，并且在从以所确定的计数速度开始计数到结束计数的期间输出定时信号S。
另外，在图5中，作为第2示例，定时输出部221可以以与输入信号变为关断的时间点t2处的时间宽度测定部211的计数值对应的计数起始值作为起点进行递减计数。在此情况下的定时输出部221的计数速度为预先设定的恒定值，例如是以符合实际的时间经过的方式预先设定的值。换言之，定时输出部221在从以与由时间宽度测定部211测定出的导通时间宽度TON对应的计数起始值为起点开始计数到结束计数的期间，输出定时信号S。
此时的定时输出部221的计数起始值是以符合导通时间宽度TON与能够同时实现浪涌电压的抑制和开关损耗的降低的适当的中途定时tm之间的关系X的方式根据在各个导通动作中测定出的导通时间宽度TON逐次设定的值。例如，定时输出部221基于关系X来确定与由时间宽度测定部211测定出的导通时间宽度TON对应的计数起始值，并且在从以所确定的计数起始值为起点开始计数到结束计数的期间输出定时信号S。
换言之，在开始进行关断动作的时间点t2，通过开始进行定时信号S的输出，从而由驱动条件a2切换为驱动条件a1，漏极与源极之间的电压VDS开始增大。由于由驱动条件a2切换为驱动条件a1，因此使得关断期间的前半期间的开关速度高速化，开关损耗降低。
接着，当开关元件11的镜像期结束时(时间点t3)，在漏极电流开始急剧减小时，产生与漏极电流的时间变化率相应的浪涌电压。然而，由于定时输出部221的计数值变为0，使得定时信号S的输出停止。由此，由于栅极驱动条件在时间点t3由驱动条件a1切换为驱动条件a2，使得关断期间的后半期间的开关速度低速化，能够抑制关断浪涌电压。
如上所述，在时间宽度测定部211的计数速度不是以符合上述关系X的方式预先设定的值的情况下，可以根据由时间宽度测定部211测定出的导通时间宽度TON，来变更定时输出部221的计数起始值或计数速度。此时，定时输出部221可以针对由时间宽度测定部211测定出的导通时间宽度TON，以符合用于变更驱动条件的适当的中途定时tm的方式，每次来确定计数起始值或计数速度。需要说明的是，参照上述关系X的方法也可以为其他方法。
以上通过实施方式对栅极驱动装置及功率转换装置进行了说明，但是本发明不限于上述实施方式。可以在本发明的范围内进行与其他实施方式的一部分或全部的组合或替换等各种变形及改进。
例如，包括至少一个栅极驱动装置的功率转换装置不限于将直流转换为直流的DC-DC变换器。其具体示例包括将直流转换为交流的逆变器、对输入电压进行升压并输出的升压变换器、对输入电压进行降压并输出的降压变换器、对输入电压进行升压或降压并输出的升降压变换器等。
符号说明
1 栅极驱动装置
11 开关元件
200 栅极驱动部
211 时间宽度测定部
221 定时输出部
231 驱动条件变更部
241 定时确定部

Claims (11)

1.一种栅极驱动装置，包括：
栅极驱动部，根据对开关元件的导通或关断进行指示的输入信号，对所述开关元件的栅极进行驱动；
定时确定部，对从所述输入信号切换为导通指令到切换为关断指令的导通时间宽度进行测定，并且基于测定出的所述导通时间宽度来确定所述开关元件的关断浪涌电压达到峰值之前的中途定时；以及
驱动条件变更部，在由所述定时确定部确定的所述中途定时对所述开关元件的栅极驱动条件进行变更。
2.根据权利要求1所述的栅极驱动装置，其中，
所述定时确定部具有：
时间宽度测定部，对所述导通时间宽度进行测定；以及
定时输出部，根据由所述时间宽度测定部测定出的所述导通时间宽度，输出用于使所述驱动条件变更部在所述中途定时对所述栅极驱动条件进行变更的定时信号。
3.根据权利要求2所述的栅极驱动装置，其中，
所述时间宽度测定部通过对从所述输入信号切换为导通指令到切换为关断指令进行计数，从而输出与所述导通时间宽度对应的计数值，
所述定时输出部根据所述计数值，对用于输出所述定时信号的期间的长度进行变更。
4.根据权利要求3所述的栅极驱动装置，其中，
所述时间宽度测定部以能够将所述导通时间宽度转换为所述中途定时的计数速度、或者以能够将所述导通时间宽度转换为所述中途定时的计数起始值为起点进行计数。
5.根据权利要求2或3所述的栅极驱动装置，其中，
所述定时输出部以与由所述时间宽度测定部测定出的所述导通时间宽度对应的计数速度、或者以与由所述时间宽度测定部测定出的所述导通时间宽度对应的计数起始值为起点，在从开始计数到结束计数的期间输出所述定时信号。
6.根据权利要求2或3所述的栅极驱动装置，其中，
所述定时输出部参照所述导通时间宽度与所述栅极驱动条件的变更定时之间的关系，根据由所述时间宽度测定部测定出的所述导通时间宽度，输出所述定时信号。
7.根据权利要求6所述的栅极驱动装置，其中，
所述定时输出部基于所述关系来确定与由所述时间宽度测定部测定出的所述导通时间宽度对应的计数速度或计数起始值，并且以所确定的所述计数速度、或者以所确定的所述计数起始值为起点，在从开始计数到结束计数的期间输出所述定时信号。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的栅极驱动装置，其中，
当所述输入信号切换为关断指令时，所述定时输出部开始所述定时信号的输出。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的栅极驱动装置，其中，
所述驱动条件变更部在所述中途定时使流过所述开关元件的栅极的栅极电流的电流值减小。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的栅极驱动装置，其中，
所述开关元件为宽带隙器件。
11.一种功率转换装置，包括：
根据权利要求1至10中任一项所述的栅极驱动装置；以及
所述开关元件。
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