CN112910240A - 一种可变栅极电压开通控制电路、功率模块及电力变换器 - Google Patents

一种可变栅极电压开通控制电路、功率模块及电力变换器 Download PDF

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Abstract

本公开提出了一种可变栅极电压开通控制电路、功率模块及电力变换器，控制电路包括第一供电电路、驱动电阻、第二供电电路、供电启动电路以及延时电路；第一供电电路、驱动电阻以及待控制的功率器件依次连接；供电启动电路连接延时电路，并设置在第一供电电路和第二供电电路之间，延时电路用于控制第二供电电路的启动时间，所述第一供电电路的输出电压与第二供电电路的输出电压不同。控制方法简单，在不增加控制难度的情况下，充分发挥SIC MOSFET高速开关的性能优势，提高开通时的驱动电压，实现高速开关。

Description

一种可变栅极电压开通控制电路、功率模块及电力变换器
技术领域
本公开涉及电力电子相关技术领域，具体的说，是涉及一种可变栅极电压开通控制电路、功率模块及电力变换器。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。
碳化硅功率器件比传统硅功率器件具有更低的导通电阻，更快的开关速度和更高的结温等器件优势。凭借着上述优势，在高性能的电力电子应用中，SIC MOSFET将逐步取代SI MOSFET和IGBT成为功率器件的首选。
发明人发现，为了更好地发挥出碳化硅功率器件的速度优势，目前一些文献中采用的是多控制信号来控制不同的开关管从而达到为功率器件栅极提供不同驱动电压的目的。但是这种驱动方式使得控制难度增加，并且各个控制信号之间的间隔时间无法计算，最终驱动系统不能充分的发挥出碳化硅器件的性能优势。所以，在可以降低控制难度的同时，可以有效的控制各个开关管的信号，来充分的发挥碳化硅器件的性能优势是非常必要的。另外，同一功率器件的控制在不同的工作阶段也需要不同的驱动电压，如启动开通阶段及开通后的正常工作阶段，采用多个驱动电路提供不同的驱动电压，同样存在多个驱动电路协同的问题。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种可变栅极电压开通控制电路、功率模块及电力变换器，其控制方法简单，在不增加控制难度的情况下，充分发挥SIC MOSFET高速开关的性能优势，提高开通时的驱动电压，实现高速开关。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
一个或多个实施例提供了一种可变栅极电压开通控制电路，包括第一供电电路、驱动电阻、第二供电电路、供电启动电路以及延时电路；第一供电电路、驱动电阻以及待控制的功率器件依次连接；供电启动电路连接延时电路，并设置在第一供电电路和第二供电电路之间，延时电路用于控制第二供电电路的启动时间，所述第一供电电路的输出电压与第二供电电路的输出电压不同。
一个或多个实施例提供了一种功率模块，所述功率模块的电力变换电路的开关管采用上述的一种可变栅极电压开通控制电路提供驱动电压。
一个或多个实施例提供了一种电力变换器，其特征是：所述电力变换器采用上述的一种可变栅极电压开通控制电路，用于为变换器中的开关管提供驱动电压。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
(1)本公开的驱动电路在不增加控制难度的同时，开通采用两级电平开通方式，实现功率器件快速开关。
(2)本公开采用并联的延时电路，使得功率器件开通阶段的第一高电平和维持工作第二高电平两级电平之间的切换时间可调，实现了可变栅极电压开通,可以控制功率器件的开通速度，降低功率器件的开关损耗和导通损耗。
本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。
图1是本公开实施例1的控制电路的电路图；
图2是本公开实施例2中的功率模块采用本公开实施例1的控制电路驱动的电路图；
图3本公开实施例1的运算放大器OP1的输出端电压波形；
图4是本公开实施例2的功率模块各开关管的波形时序图；
图5是本本公开实施例2的SIC MOSFET管的栅极波形时序图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的各个实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。
实施例1
在一个或多个实施方式中公开的技术方案中，如图1所示，一种可变栅极电压开通控制电路，包括第一供电电路、驱动电阻R1、第二供电电路、供电启动电路以及延时电路；第一供电电路、驱动电阻以及待控制的功率器件依次连接；供电启动电路连接延时电路，并设置在第一供电电路和第二供电电路之间，延时电路用于控制第二供电电路的启动时间，所述第一供电电路的输出电压与第二供电电路的输出电压不同。
可选的，第一供电电路的输出电压大于第二供电电路的输出电压，控制第一供电电路提供电压的时间为功率器件的启动阶段，控制第二供电电路提供电压的时间为功率器件的启动后的正常运行阶段。
本实施例的功率器件可变栅极电压开通控制电路，设置了大小不同的两个供电电路可以提供给功率器件不同工作阶段不同的驱动电压，在不增加控制难度的同时，开通采用两级电平开通方式，实现功率器件的快速开关。
在一些实施例中，第一供电电路可以采用如图1所示的结构，包括第一电源VC1、第一开关管Q1和第二开关管Q2，所述第一开关管Q1、第二开关管Q2串联连接在第一电源VC1的两端。
具体的，第一开关管Q1和第二开关管Q2可以分别采用N沟道场效应管，第一开关管Q1的漏极连接第一电源VC1的正极，第一开关管Q1的源极连接第二开关管Q2的漏极，第二开关管Q2源极连接第一电源VC1的负极。
可选的，驱动电阻R1的一端连接第一开关管Q1和第二开关管Q2中间点、驱动电阻R1的另一端连接待控制的功率器件的栅极。
可选的，待控制的功率器件可以为SIC MOSFET管。
在一些实施例中，供电启动电路用于根据驱动电阻R1两端的电压差控制输出电压值，供电启动电路的输出端连接第二供电电路，为第二供电电路提供启动电压。
可实现的，供电启动电路可以采用如图1所示的结构，包括第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5和运算放大器OP1，运算放大器OP1的正输入端分别连接第三电阻R3和第五电阻R5，运算放大器OP1的负输入端分别连接第二电阻R2和第四电阻R4，第二电阻R2的另一端以及第三电阻R3的另一端分别连接驱动电阻R1的两端，第五电阻R5的另一端连接第一供电电路的负极，运算放大器OP1的输出端连接第二供电电路。
电阻R2、R3、R4、R5及运算放大器OP1构成一个运放器减法电路，运放器输出端所的电压由R1前端的电压减去R1后端的电压所得，输出端电压波形图如图3所示。
可选的，所述第二供电电路可以包括第三开关管Q3、第二电源VC2，所述第三开关管Q3的栅极通过延时电路连接供电启动电路的输出端，第三开关管Q3漏极连接第二电源VC2的正极。
运算放大器OP1的电源供电端可以连接第一供电电路或第二供电电路的电源，本实施例中连接至第二供电电路的第二电源VC2的正极。
可选的，延时电路包括并联连接的第六电阻R6和第一电容C1，第一电容C1的一端连接第三开关管Q3的栅极，第一电容C1的另一端连接第二电源VC2的负极，第六电阻R6的两端分别连接供电启动电路的输出端及第三开关管Q3的栅极。
第六电阻R6与第一电容C1组成延时电路，延迟时间的计算公式可以如下：
T＝R6C1×ln[Vout×(Vout-Vth)]
其中，Vout表示运放输出端电压值；Vth表示第三开关管开通电压值；R6表示第六电阻的阻值；C1表示第一电容的容值。
运算放大器OP1的输出端电压可以通过设置延时电路的参数，自动在延时时间T后控制第三开关管Q3的开通，所以不需要额外的控制信号来控制第三开关管Q3。
实施例2
基于实施例1的控制电路，本实施例提供一种功率模块，所述功率模块的电力变换电路的开关管采用实施例1的控制电路提供驱动电压。
可选的，所述电力变化电路可以为全桥电路或者半桥电路等实现整流或者逆变的电路，所述开关管可以为SIC MOSFET管。
本实施例以半桥电路为例说明本实施例的功率模块的工作原理，如图3所示。
以上管S1_H为例，上管S1_H导通瞬间，第一开关管Q1_H打开、第二开关管Q2_H关断，上管S1_H栅极到源极的电压为VC1_H使上管快速开通，在上管S1_H开通过程中有电流迅速流过第一电阻R1_H，使R1_H两端的电压迅速升高，R1_H两端的电压差值经过供电启动电路输出端输出给延时电路和第三开关管Q3_H的栅极使第三开关管开通；第三开关管Q3_H开通之后，S1_H栅极到源极之间的电压变为VC2_H，第一电阻两端的电压维持在(VC1_H)-(VC2_H)。
上管处于关断瞬间，第一开关管Q1_H关闭，第二开关管Q2_H打开，这时第一电阻R1_H两端的电压为(-VC2_H)，第一电阻R1_H两端的电压经过运放信号输出端输出给第三开关管Q3_H的栅极，使第三开关管Q3_H关断，这时上管S1_H栅极到源极之间的电压为0V，使上管关断。
本实施例采用了实施例1所述的适用于SIC MOSFET的快速开通的可变栅极电压开通电平的驱动电路，在开通或者关断瞬间不需要额外的控制信号对整个驱动电路进行控制，降低控制难度。整个驱动电路可以增加开通速度，降低开通损耗，更充分地发挥SICMOSFET的优势。
如图4所示，为图2中各个开关管的波形时序图，以上管开通为例，在t1时刻，下管开关管Q1_L关断，Q2_L开通；经过t2-t1时间段的死区时间，到了t2时刻，上管开关管Q1_H开通Q2_H关断；此时上管输出的栅极电压为VC1；在t3-t2时间段栅极输出电压为VC1，在t3时刻，开关管Q3_H打开,此时上管栅极输出电压为VC2，栅极电压在t4-t3时间段维持在VC2；经过t5-t4时间段的死区时间，在t5时刻下管开始开通，下管开通过程与上管一样。
如图5所示，图5的波形是基于图4的开关管波形时序产生的,是相对应的。为上管S1_H和下管S1_L栅极波形图,从图上可以看出，在上管S1_H和下管S1_L高电平阶段为接通工作阶段，在高电平的初始段电平数值高于后段的数值，从而为SIC MOSFET提供了不同的驱动电压，并且在SIC MOSFET管开通阶段的电压高，可以提高SIC MOSFET的开通速度，从而减少开关损耗，提高开关管的寿命。
实施例3
本实施例提供一种电力变换器，所述电力变换器可以为变流器、逆变器或者为变压器，所述电力变换器采用实施例1所述的控制电路用于为变换器中的开关管提供驱动电压。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种可变栅极电压开通控制电路，其特征是：包括第一供电电路、驱动电阻、第二供电电路、供电启动电路以及延时电路；第一供电电路、驱动电阻以及待控制的功率器件依次连接；供电启动电路连接延时电路，并设置在第一供电电路和第二供电电路之间，延时电路用于控制第二供电电路的启动时间，所述第一供电电路的输出电压与第二供电电路的输出电压不同。
2.如权利要求1所述的一种可变栅极电压开通控制电路，其特征是：第一供电电路的输出电压大于第二供电电路的输出电压，第一供电电路提供电压的时间为功率器件的启动阶段，第二供电电路提供电压的时间为功率器件的启动后的正常运行阶段。
3.如权利要求1所述的一种可变栅极电压开通控制电路，其特征是：第一供电电路包括第一电源、第一开关管和第二开关管，所述第一开关管、第二开关管串联连接在第一电源的两端。
4.如权利要求1所述的一种可变栅极电压开通控制电路，其特征是：驱动电阻的一端连接第一开关管和第二开关管中间点、驱动电阻的另一端连接待控制的功率器件的栅极。
5.如权利要求1所述的一种可变栅极电压开通控制电路，其特征是：供电启动电路用于根据驱动电阻两端的电压差控制输出电压值，供电启动电路的输出端连接第二供电电路，为第二供电电路提供启动电压。
6.如权利要求5所述的一种可变栅极电压开通控制电路，其特征是：供电启动电路包括第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻和运算放大器，运算放大器的正输入端分别连接第三电阻和第五电阻，运算放大器的负输入端分别连接第二电阻和第四电阻，第二电阻的另一端以及第三电阻的另一端分别连接驱动电阻的两端，第五电阻的另一端连接第一供电电路的负极，运算放大器的输出端连接第二供电电路。
7.如权利要求1所述的一种可变栅极电压开通控制电路，其特征是：第二供电电路包括第三开关管和第二电源，所述第三开关管的栅极通过延时电路连接供电启动电路的输出端，第三开关管漏极连接第二电源的正极。
8.如权利要求1所述的一种可变栅极电压开通控制电路，其特征是：延时电路包括并联连接的第六电阻和第一电容，第一电容的一端连接第三开关管的栅极，第一电容的另一端连接第二电源的负极，第六电阻的两端分别连接供电启动电路的输出端及第三开关管的栅极。
9.一种功率模块，其特征是：所述功率模块的电力变换电路的开关管采用权利要求1-8任一项所述的一种可变栅极电压开通控制电路提供驱动电压。
10.一种电力变换器，其特征是：所述电力变换器采用权利要求1-8任一项所述的一种可变栅极电压开通控制电路，用于为变换器中的开关管提供驱动电压。
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