CN1260887C - 栅极驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种用于有源栅极驱动的简单并容易调整的栅极驱动电路。作为用于该目的的一种结构，一种栅极驱动电路包括构成为产生延迟控制信号的延迟控制信号产生单元，该延迟控制信号相对于由上一级控制设备给出的控制信号具有一定的延迟时间；构成为通过延迟控制信号的波形整形以产生电压参考信号的参考信号产生单元；构成为检测电压驱动型开关元件主要电极之间的电压，并输出主电压检测信号的电压检测器；和构成为比较主电压检测信号和电压参考信号，并输出控制电流源的比较结果信号的比较器。

Description

栅极驱动电路

相关申请的交叉引用

本申请基于并要求2003年1月21日申请的日本专利申请No.2003-012409的优先权；其全部内容作为参考包含在本文中。

发明背景

技术领域

本发明涉及一种用于驱动功率开关元件的栅极驱动电路。

背景技术

随着开关元件朝较大容量和较高速度的发展，应用功率开关元件的功率逆变器也已经在不断地扩大它们的应用领域。特别是，在这些功率开关元件中，金属氧化物半导体(MOS)栅极型开关元件如绝缘栅双极晶体管(IGBT)和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)近来已经扩展了它们的应用领域。

IGBT和MOSFET属于不连续独立地处于on/off状态的非锁存型开关元件。与锁存型开关元件如闸流晶体管相比，它们非常有利的是，在接通和关断的开关转换周期内可以从外部的对开关元件进行精密控制。

近年来，对于IGBT和类似的元件，能够耐高压和大电流的大容量元件已经进入了市场，并已经开始使用利用IGBT的用于电力系统的自励式逆变器结构。在用于电力系统的逆变器中，额定电压通常变得非常高以减小功率传输过程中的损耗。因此，逆变器需要具有高电压，例如，50kV的直流电压，其是很高的电压。

为构造出这种高电压逆变器，必须要串联多个开关元件。这样，各个开关元件在接通和关断期间出现了电压变化的问题。这是因为在开关元件处于稳定的截止状态时，可以容易地平衡电压分配，但是，在转换周期内，开关定时上很小的变化就会引起很大的不平衡电压分配，其导致元件损坏。

此外，即使在开关元件没有进行串联连接时，元件的开关损耗也经常成为问题。特别是，在考虑抗外部电子设备的电磁干扰的情况下需要减小元件的开关速度时，开关损耗显著增加。因此，必须降低设备的额定值或安装一大型冷却设备以冷却元件。

相反，例如，在日本专利延迟公开H6-291631(下文中称为“专利文献1”)中公开的技术已经是一种公知的传统的电压驱动型元件的驱动电路。在专利文献1的图1和第3到4页中，公开了一种驱动电路，该驱动电路包括：用于通过第二开关和能够改变电阻值的第二电阻器将栅极电压提供给电压驱动型元件栅极的电路；用于通过第一开关和能够改变电阻值的第一电阻器从电压驱动型元件栅极上移走栅极电压的电路；用于检测电压驱动型元件的主电压值并根据检测到的电压值改变第一和第二电阻器的电阻值的电压检测器；以及用于控制第一和第二开关的接通和关断的控制电路。

然后，当检测到的主电压小于预定值时，将第一和第二电阻器的电阻值变为较低的值，并且当主电压达到预定值或大于预定值时，将电阻值变为较高的值。这样，第一和第二电阻器的电阻值根据在电压驱动型元件的关断和接通周期内主电压的变化而进行改变，栅电容的放电或充电速度也就因比进行改变。换句话说，关断时，主电压增加，因此第一电阻器由低电阻变为高电阻，导致放电速度减慢。另一方面，接通时，主电压降低，因此第二电阻器由高电阻变为低电阻。因此，充电速度起初较慢，然后从主电压达到预定值或小于预定值的周期开始变为较快。

这种驱动电路通过在关断和接通过程中缓和电压的变化dv/dt和电流的变化di/dt来抑制浪涌电压和噪声。

此外，在日本专利延迟公开2001-274665(下文中称为“专利文献2“)中公开的技术已经是一种公知的传统的电压驱动型元件的驱动电路。在专利文献2的图1到3和第4到7页中，将驱动电路构造成通过第二电阻器将来自于第二开关的栅极电压提供给电压驱动型元件的栅极，其中第二开关是由第二控制电路进行控制的。此外，连接到由第一控制电路控制的第一开关上的第一电阻器与第二电阻器并联连接。而且，提供了用于检测电压驱动型元件的主电压值的电压检测器和用于检测在电压驱动型元件中流动的主电流值的电流检测器。第一控制电路包括用于设定与主电流值对应的延迟时间的延迟电路，并根据与第二控制电路的第二开关相反的on/off控制信号来接通第一开关。其间，在电压检测器中检测到的主电压值达到预定值之后，第一控制电路经过延迟时间后关断该第一开关，其中该延迟时间是根据由电流检测器检测到的主电流值通过延迟电路进行设定的。

然后，在电压驱动型元件的接通/关断动作后立即通过栅电容进行快速的充电/放电操作，同时利用由并联连接的第一和第二电阻器提供的低电阻以较高水平保持栅极电压的充电速度。其后，在根据端电压值和主电流值的定时处关断第一开关，并且仅利用第二控制电路的大电阻值来放慢栅极电压的充电速度，从而防止浪涌电压的增加。换句话说，主要通过改变接通和关断周期内的栅电容充/放电速度，来防止浪涌电压的增加。

此外，在日本专利延迟公开2000-134075(下文中称为“专利文献3”)中公开的技术已经是一种公知的传统的开关元件驱动电路。在专利文献3的图1和第2到3页中，公开了一种驱动电路，该驱动电路包括：用于电压驱动一个开关元件，使得将驱动该开关元件的相关驱动波形的电压变化中的最大值设定为达到一预定值或小于该预定值的电路；以及用于将负反馈提供给该开关元件的电路。

通常，开关元件的工作特性是相对于驱动波形进行非线性变化，并且甚至在相关驱动波形的电压变化中的最大值达到预定值或小于该预定值时，相关的输出波形的电压变化也会达到预定值或大于该预定值。因此，即使仅减弱该驱动波形，浪涌电流和浪涌电压也不能被抑制到预定值或小于该预定值。因而，在这种驱动电路中，进一步提供了负反馈，并将开关速度减慢到符合设备或电路规格的范围内，以抑制额定值内的浪涌电流和浪涌电压的产生。

此外，最近使用一种有源栅极驱动技术。这里，利用作为非锁存型开关元件特性的高可控性来根据开关转换时的集电极-发射极电压和类似电压以精确地调整元件的栅极电压。因此这种技术抑制了关断浪涌电压和接通浪涌电流，并均匀地分配了串联连接的开关元件之间的电压。

图1示出了能够进行有源栅极驱动的驱动电路结构图。有源栅极驱动技术是用于减少主要电路部分并实现非常可靠的逆变器的非常有效的技术。但是，另一方面还存在这样的问题，由于栅极驱动电路变得很复杂，因此它的调整也就变得很困难。这将在下面利用图1进行说明。

图1中，通过电阻器8由电压源2驱动开关元件9的控制极。该电压源2响应于由电压源控制器1提供的栅极信号产生方形电压波。同时，电流源6也连接到开关元件9的控制极上。dv/dt检测器12检测dv/dt是大还是小，其中dv/dt是开关元件9的主电压的时间导数值，并且浪涌电压检测器11检测主电压的浪涌电压。电流源6根据来自于这些检测器的输出来减小浪涌电压，并根据由电流源控制器10产生的电流控制信号来调整开关元件9的栅极电压以将开关速度调整为所希望的dv/dt。这样，开关元件9的主电压在开关转换时上升/下降为适当的dv/dt，并且可以抑制能导致元件损坏的浪涌电压。

但是，在专利文献1所公开的技术中，缓和关断和接通过程中的电压变化dv/dt和电流变化di/dt，来抑制浪涌电压和噪声。因此，有可能破坏电压驱动型元件的高速开关特性而导致开关损耗的增加。

在专利文献2公开的技术中，主要是通过在接通和关断周期内缓和栅电容的充/放电速度来防止浪涌电压的增加。因此，与上面类似，有可能破坏电压驱动型元件的高速开关特性而导致开关损耗的增加。

在专利文献3公开的技术中，通过将负反馈提供给开关元件以减慢开关速度来抑制浪涌电流和浪涌电压的产生。因此，有可能产生开关损耗的增加。

此外，在图1所示的有源栅极驱动技术中，仍存在一些问题。首先，反馈控制环是由包括浪涌电压和dv/dt的两个系统组成的，因为这些系统互相干扰所以其操作可能变得不稳定。为避免这个问题，必须调整这两个环的增益。但是，由于这些环是仅在开关转换时才进行工作的控制环，因此对其的调整是很不容易的。

其次，图1所示的技术在关断侧是令人满意的。但是，不容易处理接通侧。仅有的一种用于控制dv/dt以减小也在接通侧的一对FWD逆回复时的应力的办法是提供另一个控制环。这样，图1中所示的技术就存在这样的问题，即调整很困难，并缺乏灵活性。

考虑到上述问题产生了本发明。本发明的目的是提供一种用于有源栅极驱动的栅极驱动电路，其简单并容易调节，而且在不导致开关损耗增加的情况下能够肯定地抑制浪涌电流和浪涌电压的产生。

发明内容

本发明的第一种栅极驱动电路包括：电压源和电流源，它们驱动电压驱动型开关元件的控制极；构成为产生电压驱动信号的电压源控制器，该电压驱动信号利用由外部给出的控制信号控制电压源；构成为产生延迟控制信号的延迟控制信号产生单元，该延迟控制信号相对于控制信号具有一定的延迟时间；构成为通过延迟控制信号的波形整形以产生电压参考信号的参考信号产生单元；构成为检测电压驱动型开关元件集电极和发射集之间的电压，并输出主电压检测信号的电压检测器；和构成为比较主电压检测信号和电压参考信号，并输出控制电流源的比较结果信号的比较器。

在本发明中，通过延迟控制信号的波形整形产生电压参考信号，该延迟控制信号相对于由外部给出的控制信号延迟一定的时间，并且通过电压检测器检测开关元件的主电压检测信号。该主电压检测信号和电压参考信号在比较器中进行相互比较，并通过比较结果信号控制电流源，从而执行有源栅极驱动。

换句话说，反馈控制环仅是一个检测开关元件主电压的单个环，在该环内执行有源栅极驱动。此外，即使在任意的接通和关断开关转换周期内，也会在该单个环内执行该有源栅极驱动。

因此，这种栅极驱动电路结构简单并容易调整，并且，至于浪涌电流和浪涌电压的抑制，由于没有减慢接通和关断周期内相对于栅极电容的充/放电速度，因此开关损耗并没有增加。

本发明的第二种栅极驱动电路包括：电压源和电流源，它们驱动电压驱动型开关元件的控制极；构成为产生电压驱动信号的电压源控制器，该电压驱动信号利用由外部给出的控制信号控制电压源；构成为产生延迟控制信号的延迟控制信号产生单元，该延迟控制信号相对于控制信号具有一定的延迟时间；构成为通过延迟控制信号的波形整形以产生电压参考信号的参考信号产生单元；构成为检测电压驱动型开关元件集电极和发射集之间的电压，并输出主电压检测信号的电压检测器；构成为比较主电压检测信号和电压参考信号，并输出控制电流源的比较结果信号的比较器；构成为通过利用控制信号检测开关转换周期的转换周期检测器；和选择信号通过单元，用于仅在开关转换周期内允许比较结果信号通过，而在稳定周期内衰减比较结果信号，该选择信号通过单元连接到比较器的下一级。

有源栅极驱动主要是在开关转换周期内是有效的，而在稳定状态，开关元件控制极的电势优选的应是处于固定状态。

因此，在本发明中，通过选择信号通过单元，比较结果信号仅在开关转换周期内通过，而在稳定状态时衰减该比较结果信号。这样，在开关转换周期结束后，在稳定状态下将开关元件的控制极电势固定在由电压源确定的值上。

在本发明的第三种栅极驱动电路中，电压源的输出端通过电阻器连接到电压驱动型开关元件的控制极，电流源的输出端连接到电压驱动型开关元件的控制极。

当通过电阻器对开关元件的控制极进行电压驱动时，开关元件的响应延迟了一个Miller周期的时间长度。该时间长度是根据电阻器的阻值和开关元件栅极(控制极)的特性确定的。

因此，在本发明中，当在参考信号产生单元内产生电压参考信号时，通过利用根据电阻器的阻值具有一延迟时间的延迟控制信号，在适当的定时执行有源栅极驱动。

在本发明的第四种栅极驱动电路中，在延迟控制信号产生单元内，根据电阻器的阻值可变地设定延迟控制信号的延迟时间。

连接到电压驱动型开关元件控制极上的电阻器的阻值经常根据情况改变。

因此，在本发明中，通过根据电阻器阻值可变地设定延迟控制信号的延迟时间，可始终在适当的定时执行有源栅极驱动。这样，必定可以抑制浪涌电流和浪涌电压的产生。

在本发明的第五种栅极驱动电路中，在参考信号产生单元内，使用二阶型低通滤波器。

通过利用二阶型低通滤波器的参考信号产生单元可以产生电压参考信号，该二阶型低通滤波器是由包括电阻器、电感和电容的串联电路组成的。

本发明通过用这样的方式构成参考信号产生单元以使栅极驱动电路具有更简单的结构。

附图说明

图1示出了现有技术中栅极驱动电路的结构图。

图2示出了第一实施例的栅极驱动电路的结构图。

图3示出了第二实施例的栅极驱动电路的结构图。

图4示出了说明电压驱动型开关元件附近的各部分电压的示意图。

图5示出了电压驱动型开关元件附近的各部分的电压波形。

图6示出了第三实施例的栅极驱动电路的结构图。

图7示出了第四实施例的栅极驱动电路中参考信号产生单元的结构图。

图8示出了参考信号产生单元的电压输入和输出波形。

具体实施方式

第一实施例

图2是示出了第一实施例的栅极驱动电路结构的结构图。首先，将描述该栅极驱动电路的结构。图2中，如下所述构成了产生电流源6的控制信号的部分。

由外部上一级的控制装置给出的控制信号通过信号线18被输入到延迟控制信号产生单元3，附图中省略了上述控制装置。延迟控制信号产生单元3响应于输入的控制信号产生延迟控制信号，其对应于后面描述的Miller周期的时间长度延迟一定的时间。将该延迟控制信号输入到参考信号产生单元4。参考信号产生单元4根据输入的延迟控制信号进行波形整形以产生电压参考信号，并且将该电压参考信号输入到比较器5的一个输入端子。此外，来自于电压检测器7的主电压检测信号的输出被输入到比较器5的另一个输入端子，其中电压检测器7检测电压驱动型开关元件9的主要电极之间(集电极和发射极之间)的电压。比较器5比较主电压检测信号和电压参考信号以输出比较结果信号，并通过该比较结果信号控制电流源6。通过来自于这样控制的电流源6的输出对开关元件9的栅电极(控制极)进行电流驱动。注意，在图2中和示出了后面将描述的各个实施例的附图中，与图1中的部分相同和等效的部分将用与上面相同的附图标记进行表示，并且将省略重复的说明。

接下来，将说明如上所述构成的这种栅极驱动电路的操作。通过方波波形的栅极电压对开关元件9的栅电极进行电压驱动，该方波波形的栅极电压是通过电阻器8由电压源2提供的。此外，与此同时，同样对开关元件9的栅电极进行有源栅极驱动以抑制开关转换周期内的关断浪涌电压和接通浪涌电流。

特别是，通过电压检测器7检测开关元件9的主电压，并根据合适的电压电平将开关元件9的主电压转变为主电压检测信号，然后通过比较器5与参考信号产生单元4产生的电压参考信号进行比较。通过来自于电流源6的输出对开关元件9的栅电极进行电流驱动，该电流源6是由比较结果信号控制的。这样控制开关元件9主电压的波形以接近电压参考信号，从而执行该有源栅极驱动。这样，反馈控制环仅为一个检测开关元件9主电压的单个环，在该环内执行该有源栅极驱动。此外，即使在接通和关断开关转换周期的任意一个周期内，也是在该单个环内执行该有源栅极驱动。

如上所述，根据本实施例，在开关转换周期内工作的电流驱动反馈环是由检测开关元件9主电压的单个环构成的，因此，不会导致由于互相干扰而产生的问题。此外，在接通和关断开关转换周期内，在单个的控制环内可以使用单个的电压参考信号。这样结构变得简单了，并因此便于调整。

第二实施例

图3是示出了第二实施例的栅极驱动电路的结构图。通过电流源6的电流驱动主要是在开关转换时是有效的。在稳定状态如导通状态和截止状态下，希望固定开关元件9的栅电势。因此，较优选的是，电流源6在稳定状态下不工作。该实施例的栅极驱动电路就是符合这种要求的一个电路。

在图3所示的栅极驱动电路中，提供了一个转换周期检测器13，其通过利用由外部上一级的控制装置给出的控制信号来检测开关转换周期。选择信号通过单元14连接在比较器5的下一级，该选择信号通过单元14仅在由转换周期检测器13检测到的开关转换周期内允许比较结果信号通过，而在稳定周期内衰减该比较结果信号。这样，新增加了转换周期检测器13和选择信号通过单元14。至于其它的结构，与图2中相同的部件用相同的附图标记来表示，并将省略重复的说明。

转换周期检测器13通过利用控制信号来检测开关转换周期，并允许该信号仅在转换周期内通过选择信号通过单元14，从而将比较结果信号输入到电流源6。由于具有这种结构，在开关转换周期结束后的稳定状态下，没有将比较结果信号提供给电流源6，并且将开关元件9的栅极电势固定在了由电压源2确定的电压值上。

例如，由互补金属氧化物半导体集成电路(CMOS-ICs)组成的模拟开关可以被用作选择信号通过单元14。可选择地，可以使用可电改变电压增益的可变放大器或类似部件。

图2和3中，为了下面的原因，利用延迟一定时间的延迟控制信号以在参考信号产生单元4内产生电压参考信号。当从外部来看作为MOS栅极型开关元件控制极的栅极时，等效输入电容根据该开关元件的主电压发生很大的变化。这是因为由于存在在开关元件内部的反馈电容，非线性静电电容看上去相当于存在于输出端和栅极端之间。

因此，如图4所示，如果通过电阻器8对该栅极进行电压驱动，则即使当提供作为栅极驱动电压Vg的方波电压时，栅极-发射极电压Vge也不会立即达到该栅极驱动电压Vg。另外，如图5所示，栅极-发射极电压Vge会暂时在一中间电势(Miller电势)上停留一次，随后就上升或下降。Vge停留在该Miller电势上的周期称为Miller周期。只要该Miller周期一结束，开关元件9的主电压Vce就开始上升或下降。

这样，开关元件9的响应被延迟了大约Miller周期这样一个时间长度，该Miller周期对应于栅极驱动信号。这个时间长度是根据电阻器8的值和开关元件9的栅极特性来确定的。因此，只要使用了相同的开关元件9，就会在确定了电阻器8的值时确定开关元件9的响应延迟。

在产生开关元件9主电压的参考信号时，开关元件的这个响应延迟时间需要被考虑进去。如果不考虑该响应延迟而产生电压参考信号，则开关元件的响应跟不上，因此就不能执行适当的控制。在第一和第二实施例中，在产生电压参考信号时使用了延迟一定时间的延迟控制信号。

第三实施例

图6示出了第三实施例的栅极驱动电路的结构图。连接到开关元件9栅电极上的电阻器8的电阻值经常根据情况变化。这种情况下，适于使由参考信号产生单元4产生的电压参考信号的延迟时间长度也响应于上面的变化进行变化。该实施例的栅极驱动电路就是响应于该变化的一种电路。

在图6所示的本实施例的栅极驱动电路中，用可变电阻器15来代替电阻器8。该可变电阻器15根据栅极电阻值设定信号16来改变其阻值，并可以改变Miller周期。此外，将栅极电阻值设定信号16也输入到延迟控制信号产生单元3，并且响应于该改变了的Miller周期来改变延迟控制信号的延迟时间。然后改变在参考信号产生单元4中产生的电压参考信号的延迟时间长度。这样，可以始终将具有合适的延迟时间长度的电压参考信号输入到比较器5。与其它结构一样，与图2中的部件相同的部件用相同的附图标记来表示，并且将省略重复的说明。

第四实施例

图7示出了在第四实施例的栅极驱动电路中的参考信号产生单元的电路。如上面已经描述过的，在每个前述栅极驱动电路中，具有较好的波形以作为开关元件9主电压的参考波形的电压参考信号都是在栅极驱动电路内部的参考信号产生单元4中产生的，并且，根据其来控制开关元件9。希望有一种简单并且可靠性高的电路单元来作为用于电压参考信号的产生单元。

首先，要考虑主电压本身通常会变成哪种波形。对于主电压，可以考虑三种元件，这三种元件包括包含在主电路中的电感部分、开关元件自身的电容部分和缓冲电容器、以及各种电阻部分。

上述三种元件以及开关元件自身的特性限定了开关波形。如果最大程度上进行简化，则电路单元变成简单的电阻器R、电感L和电容C的串联电路。当考虑到开关元件在截止周期中通常可以将其自身近似为一个电容时，开关元件自身的电压就是电容器上的电压。因此，图7中，在提供方波V1时，开关元件的电压可以通过输出电压V2进行近似。图8示出了输入电压V1和输出电压V2的波形。

基本上，图7所示的电路只不过是一个二阶低通滤波器。因此，作为最简单的参考信号产生单元，优选为二阶低通滤波器。

注意，尽管图7所示的电路是使用了电感L、电容C和电阻R的电路，但不用说也可以使用利用了运算放大器的低通滤波器。

Claims (5)

1.一种栅极驱动电路，包括：

电压源和电流源，它们驱动电压驱动型开关元件的控制极；

构成为产生电压驱动信号的电压源控制器，该电压驱动信号利用由外部提供的控制信号控制电压源；

构成为产生延迟控制信号的延迟控制信号产生单元，该延迟控制信号相对于控制信号具有一定的延迟时间；

构成为通过延迟控制信号的波形整形来产生电压参考信号的参考信号产生单元；

构成为检测电压驱动型开关元件集电极和发射机之间的电压，并输出主电压检测信号的电压检测器；和

构成为比较主电压检测信号和电压参考信号，并输出控制电流源的比较结果信号的比较器。

2.一种栅极驱动电路，包括：

电压源和电流源，它们驱动电压驱动型开关元件的控制极；

构成为产生电压驱动信号的电压源控制器，该电压驱动信号利用由外部提供的控制信号控制电压源；

构成为产生延迟控制信号的延迟控制信号产生单元，该延迟控制信号相对于控制信号具有一定的延迟时间；

构成为通过延迟控制信号的波形整形以产生电压参考信号的参考信号产生单元；

构成为检测电压驱动型开关元件集电极和发射极之间的电压，并输出主电压检测信号的电压检测器；

构成为比较主电压检测信号和电压参考信号，并输出控制电流源的比较结果信号的比较器；

构成为通过利用控制信号检测开关转换周期的转换周期检测器；和

选择信号通过单元，用于仅在开关转换周期内允许比较结果信号通过，而在稳定周期内衰减比较结果信号，该选择信号通过单元连接到比较器的下一级。

3.如权利要求1或2的栅极驱动电路，其特征在于，其中电压源的输出端通过电阻器连接到电压驱动型开关元件的控制极，电流源的输出端连接到电压驱动型开关元件的控制极。

4.如权利要求3的栅极驱动电路，其特征在于，其中在延迟控制信号产生单元内，根据电阻器的值可变地设定延迟控制信号的延迟时间。

5.如权利要求1或2的栅极驱动电路，其特征在于，其中在参考信号产生单元内，使用二阶低通滤波器。

Images