[发明专利]一种有源栅极驱动控制电路和控制方法

说明书

本发明公开了一种有源栅极驱动控制电路及控制方法。有源栅极驱动控制电路包括：驱动输出模块，其输入端接收驱动信号，其输出端连接功率半导体模块的栅极控制端，用于根据接收的驱动信号驱动功率半导体模块进行开关动作；主动控制模块，其输入端连接功率半导体模块的发射极或源极功率输出端，用于检测功率半导体模块的功率电流变化率，其输出端连接所述驱动输出模块的控制端，用于根据功率半导体模块的功率电流变化率与预设阈值的比较结果调节所述驱动输出模块提供给功率半导体模块的栅极控制端的电流，形成对功率半导体模块的功率电流变化率的负反馈控制。本发明使用简单的电路实现了对功率半导体模块的开关过程的功率电流变化率的优化控制。

技术领域

本发明涉及功率半导体器件的驱动控制技术，尤其涉及用于控制功率半导体模块的功率电流变化率的有源栅极驱动控制电路和控制方法。

背景技术

功率半导体模块(例如IGBT模块，由IGBT及续流二极管反向并联组成)的栅极驱动器是驱动模块开关动作并调节其动态开关过程的装置。栅极驱动在调节功率半导体模块动态开关过程的主要任务是：

1)最小化开关损耗，提高效率：需要提高开关速度，提高电流变化速率

2)保证功率半导体模块开关轨迹在其安全工作区(SOA)内，保证器件运行可靠性：开通过程中需要限制电流变化速率以控制续流二极管反向恢复电流，避免产生振荡；关断过程中需要限制电流变化速率，避免因换流回路寄生电感产生的过电压导致IGBT过压击穿。

3)控制电磁干扰(EMI)水平，保证系统运行可靠性：需要控制电流变化速率以控制EMI水平。

栅极驱动的挑战是要找到上述三者之间的平衡点——合适的电流变化速率，以同时保证高效率和可靠性。

当前在电力电子领域，一般采用恒压源阻控型栅极驱动器，使用恒定的开通和关断驱动电压，利用调整后确定的栅极驱动电阻来调节模块的开关速度。由于开关速度由固定的栅极驱动电阻控制，该栅极驱动电阻必然依据最坏工况(即开关过程最严峻的阶段(电流变化阶段))和最恶劣的工况条件(电流最大)进行配置和选取，这导致功率半导体模块在非最坏工况时的开关速度偏低，损耗增大。在此基础上的一种简单且常见的解决方法是增加额外的门极电容CGE来减小电流变化速率，但是这势必会增大因所需的栅极电荷量而增加的栅极驱动损耗和开关延迟时间。

在申请号为201611237181.5的专利申请中提出了一种线性调整IGBT的门极驱动电压的驱动器和驱动方法。该方法在整个开通和关断过程利用固定的根据反馈产生的线性门极电压进行控制，本质上在整个开通或关断过程还是利用固定的参数进行控制，并非真正的开关过程动态控制。虽然，该方法能够实现电流变化速率的控制，但是也减慢了除电流变化阶段以外的其它阶段的速度，延长了开关延迟时间，减慢了电流/电压拖尾阶段的速度，增大了此阶段的损耗，优化效果受限。而且线性门极驱动电压的产生需要通过专门设计的复杂的可变直流电源模块来实现。

在申请号为201480067607.X的专利申请中提出了一种栅极驱动补偿电路。该补偿电路直接对功率半导体模块的电感感应电压进行比例调节，然后引入栅极环路，以实现电流变化速率的有源栅极控制。该方法的优点是极其简单易于实现，但是缺点是在对功率半导体模块电感的感应电压进行比例调节和反馈时，调节比例只能≤1，不能放大。这导致有源栅极的控制能力在一定程度上受到了限制。

在申请号为201410273972.8的专利申请和申请号为201310009965.2的专利文件中提出了一种全面的电流变化速率和电压变化速度解耦闭环控制的有源栅极控制方法。该方案包含了集电极-发射极电压控制、集电极电流控制和栅极电流控制多个部分，控制灵活性好，但是需要输入的驱动信号较多，电路复杂。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提出了一种能够对功率半导体模块的功率电流变化率进行有源控制的有源栅极驱动控制电路和控制方法。