CN114625044B - 一种调节功率管并联均流的变电压驱动控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种调节功率管并联均流的变电压驱动控制电路，该电路包括第一驱动电路、第二驱动电路和控制电路，该电路包括由第一运算放大器、采样电阻、第一电阻、第二电阻、第三电阻、控制芯片组成的控制电路，第一驱动电源、第二驱动电源、第一开关和第二开关组成的第一驱动电路，第三驱动电源、第四驱动电源、第三开关和第四开关组成的第二驱动电路，主功率回路包括第一功率管、第二功率管、第一源极电感和第二源极电感。本发明适用于需要功率管进行并联使用的大功率场合，通过对两个功率管源极的两端串联的电阻上的电压进行采样来调整两个功率管的驱动电压，避免了电流不均衡时的某个功率管过热的情况，提高了主功率电路的安全性和可靠性。

Description

一种调节功率管并联均流的变电压驱动控制电路

技术领域

本发明属于电力电子技术与电工技术领域，具体为一种调节功率管并联均流的变电压驱动控制电路。

背景技术

SiC器件相较于Si器件而言具有更宽的禁带宽度、更高的热导率、更高的临界场强以及更快的电子迁移速率，在耐高温高压能力、高频应用等方面优势明显，适合用于高频高功率的应用场合。

然而，在实际应用中，功率器件工作在高频高功率场合需要具有更快的开关速度和额定电流等级，开关速度方面SiC器件材料优势正好符合这一特点，在高电流等级方面，通常会采用功率管并联的方法来降低电路损耗和提高电路负载能力，但一方面，功率管并联会产生并联电流均衡问题，尤其在高频工作场合，功率管开关电流分配在两个功率管时间仅在100ns之内，若电流出现不均衡，则会导致其中一个功率管电流过大，超过功率管耐受电流；另一方面，SiC功率管管芯面积小、电流密度大，其过流承受能力更弱，过流承受时间更短，给SiC功率器件的均流设计带来极大的挑战。

传统保护方法采用串联大电阻的方式进行均流，但这样仅仅只能对稳态下的电流均衡进行调节，并且会产生很大的损耗，因此传统方法不适用于SiC器件。

发明内容

本发明为实现上述目的采用如下技术方案：一种调节功率管并联均流的变电压驱动控制电路，

该电路包括第一驱动电路、第二驱动电路和控制电路。

所述控制电路用于采样主功率回路中两个功率管源极之间的压差，判断两功率管之间不均流的程度。

所述第一驱动电路用于控制第一功率管的开关状态。

所述第二驱动电路用于控制第二功率管的开关状态。

所述短路保护控制方法为：当第一功率管和第二功率管开通和关断时出现两管电流不均衡情形，由于第一功率管的第一源极寄生电感和第二功率管的第二源极寄生电感不同，导致两管源极的电位不同，导致采样电阻上出现压降，若没有出现两管不均衡情形，则采样电阻上没有压降；当出现压降时，采样电压通过控制回路中的第一运算放大器、第一电阻、第二电阻和第三电阻组成的差分放大电路输入给控制芯片，再通过控制芯片进行判断，若采样电阻的压降大于零，即第一功率管的源极电位高于第二功率管的源极电位，第一功率管电流上升率较第二功率管的更快，因此控制信号断开第一开关，关闭第二开关，将第一驱动电路的驱动电源变小，而驱动电源的电压值与功率管的开关速度成正比，因此降低第一功率管的电流上升率，让第一功率管和第二功率管的电流分布情形达到均衡。当第二功率管的电流上升率较第一功率管更快，控制方式与上述控制方式类似。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)利用控制芯片的数字控制方式，控制效果稳定；

(2)通过采样电阻的压降改变驱动电压，成本较低，损耗较小。

附图说明

图1是本发明的主功率回路和驱动控制电路拓扑图；

图2(a)是本发明中控制信号G₁-G₄示意图；

图2(b)是本发明中驱动电压信号U_GS1、U_GS2示意图；

图3是本发明中电流不均衡时的两管电流波形。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

如图1所示，本发明的目的在于提供一种调节功率管并联均流的变电压驱动控制电路，该电路包括第一驱动电路、第二驱动电路和控制电路，

所述控制电路包括：第一运算放大器U_OPA1、采样电阻R_S、第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃和控制芯片MCU组成。其中采样电阻R_S一端连接着第一功率管Q₁的源极，另一端连接着第二功率管Q₂的源极，第一电阻R₁的一端连接着第二功率管Q₂的源极，另一端连接着第一运算放大器U_OPA1反相输入端，第三电阻R₃一端连接着第一功率管Q₁的源极和第一运算放大器U_OPA1的正相输入端，另一端连接着参考地，第二电阻R₂一端连接第一运算放大器U_OPA1的反向输入端，另一端连接着第一运算放大器U_OPA1的输出端，第一运算放大器U_OPA1的输出端连接着控制芯片MCU输入端，控制芯片第一控制信号G₁、第二控制信号G₂、第三控制信号G₃和第四控制信号G₄输出端分别连接着第一开关S₁、第二开关S₂、第三开关S₃和第四开关S₄的控制信号输入端。

所述第一驱动电路包括：第一驱动电路包括第一驱动电源V_P1、第二驱动电源V_P2、第一开关S₁和第二开关S₂组成。第一驱动电源V_P1的正极连接第一功率管Q₁的栅极，负极连接第一开关S₁的一端，第一开关S₁的另一端连接第一功率管Q₁的源极，第二驱动电源V_P2的正极连接第一功率管Q₁的栅极，负极连接第二开关S₂的一端，第二开关S₂的另一端连接第一功率管Q₁的源极。

所述第二驱动电路包括：第二驱动电路包括第三驱动电源V_P3、第四驱动电源V_P4、第三开关S₃和第四开关S₄，第三驱动电源V_P3的正极连接第二功率管Q₂的栅极，负极连接第三开关S₃的一端，第三开关S₃的另一端连接第二功率管Q₂的源极，第四驱动电源V_P4的正极连接第二功率管Q₂的栅极，负极连接第四开关S₄的一端，第四开关S₄的另一端连接第二功率管Q₂的源极。

一种调节功率管并联均流的变电压驱动控制电路，具体结合图2、图3分析工作原理，其中I_L为流经两管电流之和的负载电流。

控制电路通过对第一功率管Q₁和第二功率管Q₂的源极之间的采样电阻的压降U_S，压降信号输入由第一运算放大器U_OPA1、第一电阻R₁、第二电阻R₂和第三电阻R₃组成的差分放大电路进行电平的放大；放大之后的电平信号U_O输入控制芯片MCU中，进行第一功率管Q₁和第二功率管Q₂的电流分布不均衡程度的判断。若电流没有出现不均衡，则电平信号U_O为0，控制芯片MCU的第一控制信号G₁和第三控制信号G₃为高电平，第二控制信号G₂和第四控制信号G₄为低电平，若电平信号U_O大于0，则第一功率管Q₁电流上升速度大于第二功率管Q₂，控制芯片MCU的第二控制信号G₂和第三控制信号G₃为高电平，第一控制信号G₁和第四控制信号G₄为低电平；若电平信号U_O小于0，则第二功率管Q₂电流上升速度大于第一功率管Q₁，控制芯片MCU的第一控制信号G₁和第四控制信号G₄为高电平，第二控制信号G₂和第三控制信号G₃为低电平。

第一驱动电路的第一开关S₁和第二开关S₂接收控制芯片MCU发送的第一控制信号G₁和第二控制信号G₂，当第一控制G₁信号为高电平时，第一开关S₁开通，否则关闭；第二控制信号G₂为高电平时，第二开关S₂开通，否则关闭。

第二驱动电路的第三开关S₃和第四开关S₄接收控制芯片MCU发送的第三控制信号G₃和第四控制信号G₄，当第三控制信号G₃为高电平时，第三开关S₃开通，否则关闭；第四控制信号G₄为高电平时，第四开关S₄开通，否则关闭。

以第一功率管Q₁电流开通时上升速率大于第二功率管Q₂的为例，经过系统内一段延时之后，在t₁时刻，采样电阻的压降信号大于0，经过放大之后的信号输入给控制芯片，当控制芯片判断放大的电平信号大于0时，判定第一功率管和第二功率管出现电流不均衡状况，且第一功率管电流较大，因此由原本的控制信号(第一控制信号G₁和第三控制信号G₃为高电平，第二控制信号G₂和第四控制信号G₄为低电平)变为：第二控制信号G₂和第三控制信号G₃为高电平，第一控制信号G₁和第四控制信号G₄为低电平，第二驱动电路接受的控制信号没有变化，而第一控制电路的第一开关S₁由原来的开通状态变为了关断状态，第二开关S₂由原来的关断状态转为了开通状态，且第二开关S₂所在回路的第二驱动电压源V_P2的电压值小于第一开关S1所在的第二驱动电压源V_P1的电压值，在t₂时刻，第一功率管Q₁和第二功率管Q₂恢复电流均衡，控制信号恢复原本的情况，控制信号和驱动电压信号流程图如图2所示，U_GS1为第一功率管Q₁的栅源极电压(驱动电压)，U_GS2为第二功率管Q₂的栅源极电压(驱动电压)。在t₁时刻第一功率管Q₁的驱动电压电压值变小，开通速度降低，电流上升率减缓；在t₂时刻，电流恢复均衡，第一功率管Q₁的驱动电压电压值变大，电流上升率变回和之前一样，电流分布曲线图如图3所示。

本发明目的在于提供一种调节功率管并联均流的变电压驱动控制电路，特别提高了电路工作在大电流场合的安全性和可靠性。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (1)

1.一种调节功率管并联均流的变电压驱动控制电路，其特征在于，所述变电压驱动控制电路包括控制电路、第一驱动电路、第二驱动电路、第一功率管Q₁和第二功率管Q₂，其中：

所述控制电路包括第一运算放大器U_OPA1、采样电阻R_S、第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃以及控制芯片MCU，

所述第一驱动电路包括第一驱动电源V_P1、第二驱动电源V_P2、第一开关S₁和第二开关S₂，

所述第二驱动电路包括第三驱动电源V_P3、第四驱动电源V_P4、第三开关S₃和第四开关S₄；

在所述控制电路中：

所述采样电阻R _S一端连接着所述第一功率管Q₁的源极，其另一端连接着所述第二功率管Q₂的源极；所述第一电阻R ₁的一端连接着所述第二功率管Q₂的源极，其另一端连接着所述第一运算放大器U_OPA1反相输入端；所述第三电阻R ₃一端连接着所述第一功率管Q₁的源极和所述第一运算放大器U_OPA1的正相输入端，其另一端连接着参考地；所述第二电阻R ₂一端连接所述第一运算放大器U_OPA1的反向输入端，其另一端连接着所述第一运算放大器U_OPA1的输出端，所述第一运算放大器U_OPA1的输出端连接着所述控制芯片MCU输入端，所述控制芯片MCU的第一控制信号G₁、第二控制信号G₂、第三控制信号G₃和第四控制信号G₄输出端分别连接着所述第一开关S₁、所述第二开关S₂、所述第三开关S₃和所述第四开关S₄的控制信号输入端；

在所述第一驱动电路中：

所述第一驱动电源V _P1的正极连接所述第一功率管Q₁的栅极，其负极连接所述第一开关S₁的一端，所述第一开关S₁的另一端连接所述第一功率管Q₁的源极；所述第二驱动电源V _P2的正极连接所述第一功率管Q₁的栅极，其负极连接所述第二开关S₂的一端，所述第二开关S₂的另一端连接所述第一功率管Q₁的源极；

在所述第二驱动电路中：

所述第三驱动电源V _P3的正极连接所述第二功率管Q₂的栅极，其负极连接所述第三开关S₃的一端，所述第三开关S₃的另一端连接所述第二功率管Q₂的源极；所述第四驱动电源V _P4的正极连接所述第二功率管Q₂的栅极，其负极连接所述第四开关S₄的一端，所述第四开关S₄的另一端连接所述第二功率管Q₂的源极；

所述第一驱动电源V_P1的电压值等于所述第三驱动电源V_P3的电压值，所述第二驱动电源V_P2的电压值等于所述第四驱动电源V_P4的电压值，且所述第一驱动电源V_P1的电压值大于所述第二驱动电源V _P2 的电压值。