基于有源栅极电流控制方式的IGBT电流源驱动电路及其控制方法

摘要

本发明公开了基于有源栅极电流控制方式的IGBT电流源驱动电路及其控制方法，属于电力电子驱动领域。该驱动电路包括由正电源VGG+、负电源VGG-、IGBT开关管S1、IGBT开关管S2、IGBT开关管S3、IGBT开关管S4、IGBT开关管S5、IGBT开关管S6(以下简称S1、S2、S3、S4、S5、S6)和滤波电感LR；正电源VGG+与S1集电极相连接，S1发射集与S2集电极相连接，S2发射极与负电源相VGG-连接，S3集电极与正电源VGG+相连接，S3发射集与S4集电极相连接，S4发射极与负电源相VGG-连接，滤波电感LR一端与S1发射集连接，另一端与S3发射集连接，S5集电集与S3发射集相连接，S5发射集与S6发射极相连接。本发明的电路和方法在提高IGBT开关速度、降低开关损耗的同时，保证了IGBT工作在其安全工作区内。

说明书

技术领域

本发明属于电力电子驱动领域，更具体地说，涉及一种基于有源栅极电流控制方式的 IGBT电流源驱动电路及其控制方法。

背景技术

IGBT是一种常用的中、大功率开关器件，随着新技术的应用，IGBT也在朝着高电压、 大电流、高频率的方向发展，IGBT驱动器是功率变换器控制单元和强电回路之间的纽带，它 控制着IGBT的导通、关断状态并对可以实现对开关性能的优化。

目前使用的典型驱动电路难以同时满足抑制du/dt、di/dt和减小开关损耗的要求，为了 得到合理的驱动电路，V.John教授提出了一种有源栅极驱动方式(AGD:Active Gate Drive)， 将导通、关断信号分别分为3个阶段来实现对IGBT的控制，取得了良好的效果。为了保证 IGBT能够可靠的工作在安全工作区(SOA)内，S.Park教授提出了增加栅-集电极 (Gate-Colletor)之间的可控的米勒电容C_M，借助于控制流过C_M上的电流来达到控制du/dt、 di/dt的目的，但是这样会导致开关损耗的增加。N.Idir教授提出通过将驱动电压V_gs设置为两 个电压等级方式，该方法是在抑制du/dt、di/dt和增加开关损耗之间进行的折中处理。

近几年来，一些闭环控制策略也被专家、学者们引入到IGBT驱动电路中来。P.J.Grbovic 教授提出了将V_gs信号以前馈方式引入到V_GG+和V_GG-中，有效地减少了开通时V_ce的拖尾电压 和损耗。彭方正教授则是提出将发射极(Emitter)电流以反馈形式引入到IGBT栅极驱动电 路。以P.R.Palmer教授为代表，针对在大功率场合使用的IGBT，提出一种有源电压控制 (Active Voltage Control)方式并对该方式进行了优化和稳定性分析，取得了很好的驱动效果。

以上IGBT驱动器虽然取得较好的驱动效果，但是它们都是基于电压源驱动，即在栅极- 发射极之间加上脉冲电压信号。由于IGBT功率器件在栅极回路(包括栅极和发射极)存在 寄生电感，以及IGBT器件固有的栅极电容C_gc(一般在10pF～100nF甚至更大)和密勒电容C_ge， 严重限制了驱动效果。

发明内容

1.本发明要解决的问题

针对现有技术中由于难以同时满足抑制du/dt、di/dt和减小开关损耗要求的问题，本发 明提供了一种基于有源栅极电流控制方式的IGBT电流源驱动电路及其控制方法，本发明的 电路和方法在抑制du/dt、di/dt的同时可以减小开关损耗。

2.技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现。

基于有源栅极电流控制方式的IGBT电流源驱动电路，所述的驱动电路包括由正电源 V_GG+、负电源V_GG-、IGBT开关管S₁、IGBT开关管S₂、IGBT开关管S₃、IGBT开关管S₄、 IGBT开关管S₅、IGBT开关管S₆和滤波电感L_R；

所述正电源V_GG+与IGBT开关管S₁集电极相连接，IGBT开关管S₁发射集与IGBT开关管 S₂集电极相连接，IGBT开关管S₂发射极与负电源相V_GG-连接，IGBT开关管S₃集电极与正电 源V_GG+相连接，IGBT开关管S₃发射集与IGBT开关管S₄集电极相连接，IGBT开关管S₄发射 极与负电源相V_GG-连接，滤波电感L_R一端与IGBT开关管S₁发射集连接，另一端与IGBT开 关管S₃发射集连接，IGBT开关管S₅集电集与IGBT开关管S₃发射集相连接，IGBT开关管S₅发射集与IGBT开关管S₆发射极相连接。

所述的基于有源栅极电流控制方式的IGBT电流源驱动电路的控制方法，其步骤为：

(1)t₀～t₁阶段：在t₀时刻，IGBT开关管S₁零电流导通，IGBT开关管S₂由导通状态转 为关断状态，IGBT开关管S₃、S₅保持关断状态，开关管S₄、S₆保持导通状态，这一阶段， 电路开始对滤波电感L_R进行预充电，电流流向：S₁→L_R→S₄；此阶段滤波电感L_R的电流I_L增加，此驱动电路所驱动的开关管Q管的门极电压被钳位在零电压；

(2)t₁～t₂阶段：在t₁时刻，IGBT开关管S₄、S₆由导通状态转为关断状态，IGBT开关 管S₅由关断状态转为导通状态，IGBT开关管S₁保持导通状态，IGBT开关管S₂、S₃保持关 断状态，这一阶段，此阶段滤波电感L_R的电流I_L通过IGBT开关管S₅和IGBT开关管S₆的反 向二极管开始对IGBT的栅极电容充电，电流流向：S₁→L_R→C_iss，直到所述开关管Q管 的栅极电压达到栅阀电压V_ge(th)为止，其中，C_iss为输入电容且C_iss＝C_gc+C_ge，式中，C_gc为 IGBT器件固有的栅极电容(一般在10pF～100nF甚至更大)，C_ge为密勒电容；

此阶段电感电流变化缓慢，可近似认为不变。

(3)t₂～t₃阶段：t₂时刻，IGBT开关管S₄由关断状态转为导通状态，IGBT开关管S₅由 导通状态转为关断状态，IGBT开关管S₁保持导通状态，IGBT开关管S₂、S₃、S₆保持关断 状态，这一阶段，V_ge≥V_ge(th)，IGBT处于导通的主动区域，类似功率MOSFET，此时流经 IGBT开关管S₁、IGBT开关管S₄的集电极电流I_c可以表示为：

I_c＝g_fs×(V_ge-V_ge(th))

其中：g_fs为正向转移斜率，V_ge为栅射极电压；

在IGBT开通过程中，这一阶段比较复杂，若忽略集射极间电压V_ce电压的轻微下降，可 以将g_fs假设为常数。因此，若在t₂时刻关断IGBT开关管S₅，不再给输入电容C_iss充电，使 得t₂～t₃时间段相对变长，则可以达到控制di_c/dt的目的。同时，IGBT开关管S₁～S₃状态保持 不变，IGBT开关管S₄导通，电感电流I_L略微增加。

(4)t₃～t₄阶段：在t₃时刻，IGBT开关管S₄由导通状态转为关断状态，IGBT开关管S₅由 关断状态转为导通状态，IGBT开关管S₁保持导通状态，IGBT开关管S₂、S₃、S₆保持关断 状态，IGBT开关管S₁、IGBT开关管S₄的集电极电流I_c达到其最大值I_cmax，即I_cmax等于负载 电流与反向恢复电流之和，滤波电感L_R的电流I_L继续给输入电容C_iss充电；轻微的密勒效应 将在这个时间段出现。

(5)t₄～t₅阶段：在t₄时刻，IGBT开关管S₁由导通状态转为关断状态，IGBT开关管S₂、 S₃由关断状态转为导通状态，IGBT开关管S₅保持导通状态，IGBT开关管S₄、S₆保持关断 状态，IGBT的栅极电压钳位在V_GG+，电流流向为S₂→L_R→S₃，电感L_R中的能量通过此回 路返回给负电源，电感电流I_L线性下降至零；

(6)t₅～t₆：在t₅时刻，IGBT开关管S₂由导通状态转为关断状态，IGBT开关管S₁、S₄、 S₆保持关断状态，IGBT开关管S₃、S₅保持导通状态，电感中的能量全部返回给电源，电感 电流I_L为零，此时IGBT开关管S₂关断，IGBT在导通过程中的栅极电压将一直被钳位在V_GG+；

(7)t₆～t₇：在t₆时刻，IGBT开关管S₂由关断状态转为导通状态，IGBT开关管S₃、S₅保 持导通状态，IGBT开关管S₁、S₄、S₆保持关断状态，正电源V_GG+通过IGBT开关管S₃给滤 波电感L_R反向预充电，使滤波电感L_R上的电流I_L从零开始反向线性增加，栅极电流I_g保持为 0，栅射极电压V_ge保持不变；

(8)t₇～t₈：在t₇时刻，IGBT开关管S₃、S₅由导通状态转为关断状态，IGBT开关管S₆由 关断状态转为导通状态，IGBT开关管S₁、S₄保持关断状态，IGBT开关管S₂保持导通状态， 电容C_ge通过IGBT开关管S₆、IGBT开关管S₅的反向二极管、IGBT开关管S₂对电感L_R反向 充电，栅极电流I_g反向突变并线性增加，滤波电感L_R上的电流I_L继续反向增加，栅射极电压 V_ge开始下降；

(9)t₈～t₉：在t₈时刻，IGBT开关管S₃由关断状态转为导通状态，IGBT开关管S₆由导 通状态转为关断状态，IGBT开关管S₁、S₄、S₅保持关断状态，IGBT开关管S₂保持导通状态， 正电源V_GG+通过IGBT开关管S₂、IGBT开关管S₃给滤波电感L_R反向充电，使滤波电感I_L上 的电流I_L持续反向线性上升，此电流值是忽略IGBT开关管S₂的导通压降后得到的，其中 IGBT开关管S₂的反向二极管D₂上的导通压降为0.7V，由于IGBT开关管S₅、IGBT开关管S₆处于关断状态，栅极电流I_g突变为零，栅射极电压V_ge保持不变；

(10)t₉～t₁₀：在t₉时刻，IGBT开关管S₃由导通状态转为关断状态，IGBT开关管S₆由关 断状态转为导通状态，IGBT开关管S₁、S₄、S₅保持关断状态，IGBT开关管S₂保持导通状态， 电容C_ge通过IGBT开关管S₆、IGBT开关管S₅的反向二极管、IGBT开关管S₂对电感L_R反向 充电，栅极电流I_g反向突变为t₈时刻的电流值并线性增加，滤波电感L_R上的电流I_L反向继续 增加，栅射极电压V_ge继续下降到0；

(11)t₁₀～t₁₁：在t₁₀时刻，IGBT开关管S₁、S₄由关断状态转为导通状态，IGBT开关管S₂由导通状态转为关断状态，IGBT开关管S₆保持导通状态，IGBT开关管S₃、S₅保持关断状态， 此时正电源V_GG+为5V，通过IGBT开关管S₁给滤波电感L_R充电，使滤波电感L_R上的电流开 始线性上升，栅极电流I_g突变为零，栅射极电压V_ge保持为0不变。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)采用本发明的基于有源栅极电流控制方式的IGBT电流源驱动电路及其控制方法， 在该驱动策略下，t₂～t₃阶段关断IGBT开关管S₅，不再给输入电容C_iss充电，使得t₂～t₃时间 段相对变长，则可以达到控制di_c/dt的目的也可以降低损耗，即本发明的电路和方法在提高 IGBT开关速度、降低开关损耗的同时，保证了IGBT工作在其安全工作区内；

(2)采用本发明的基于有源栅极电流控制方式的IGBT电流源驱动电路及其控制方法， 可以进一步应用到IGBT串联使用领域，为电流源驱动拓展了应用领域。

附图说明

图1：电流源驱动及AGCC控制原理图；

图2：电流源驱动IGBT的导通与关断过程；

图3：基于有源栅极电流控制方式的IGBT电流源驱动电路的工作模态1等效电路图；

图4：基于有源栅极电流控制方式的IGBT电流源驱动电路的工作模态2等效电路图；

图5：基于有源栅极电流控制方式的IGBT电流源驱动电路的工作模态3等效电路图；

图6：基于有源栅极电流控制方式的IGBT电流源驱动电路的工作模态4等效电路图；

图7：基于有源栅极电流控制方式的IGBT电流源驱动电路的工作模态5等效电路图；

图8：基于有源栅极电流控制方式的IGBT电流源驱动电路的工作模态6等效电路图；

图9：基于有源栅极电流控制方式的IGBT电流源驱动电路的工作模态7等效电路图；

图10：基于有源栅极电流控制方式的IGBT电流源驱动电路的工作模态8等效电路图；

图11：基于有源栅极电流控制方式的IGBT电流源驱动电路的工作模态9等效电路图；

图12：基于有源栅极电流控制方式的IGBT电流源驱动电路的工作模态10等效电路图；

图13：基于有源栅极电流控制方式的IGBT电流源驱动电路的工作模态11等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例进一步描述本发明的技术方案。

实施例1

如图1，本实施例的基于有源栅极电流控制方式的IGBT电流源驱动电路，它包括驱动 电路和AGCC控制算法。图2为基于有源栅极电流控制方式的IGBT电流源驱动电路相关参 数波形图，从图中可以看到，在一个周期内，即从t₀-t₁₁这段时间内，开关管Q的工作模态可 以分为11个，具体每个工作模态如图3～图13所示。

驱动电路由正电源V_GG+、负电源V_GG-、滤波电感L_R、IGBT开关管S₁、IGBT开关管S₂、 IGBT开关管S₃、IGBT开关管S₄、IGBT开关管S₅、IGBT开关管S₆组成，正电源V_GG+与开 关管S₁集电极相连接，IGBT开关管S₁发射集与IGBT开关管S₂集电极相连接，IGBT开关管 S₂发射极与负电源相V_GG-连接，IGBT开关管S₃集电极与正电源V_GG+相连接，IGBT开关管S₃发射集与IGBT开关管S₄集电极相连接，开关管S₄发射极与负电源相V_GG-连接，滤波电感L_R一端与IGBT开关管S₁发射集(IGBT开关管S₂集电极)，另一端与IGBT开关管S₃发射集 (IGBT开关管S₄集电极)相连接，IGBT开关管S₅集电集与IGBT开关管S₃发射集(IGBT 开关管S₄集电极)相连接，IGBT开关管S₅发射集与IGBT开关管S₆发射极相连接。

本实施例的基于上述有源栅极电流控制方式的IGBT电流源驱动电路的控制方法，其步 骤为：

(1)首先，IGBT开关管S₁零电流导通，IGBT开关管S₂由导通状态转为关断状态后，IGBT 开关管S₁、S₄、S₆为导通状态，IGBT开关管S₂、S₃、S₅为关断状态，此时正电源V_GG+为+5V， 通过IGBT开关管S₁给滤波电感L_R预充电，使滤波电感L_R上的电流由零开始线性上升，此电 流值是忽略IGBT开关管S₄的导通压降后得到的，其中二极管D₂上的导通压降为0.7V；如图 3。

(2)当IGBT开关管S₄、S₆由导通状态转为关断状态，IGBT开关管S₅由关断状态转为 导通状态后，IGBT开关管S₁、S₅为导通状态，IGBT开关管S₂、S₃、S₄、S₆为关断状态， 此时，滤波电感L_R上的电流I_L继续增加，由于IGBT开关管S₆的反向二极管的导通作用，电 流I_L通过栅极电阻R_g向栅射电容C_ge充电，栅极电流I_g从零突变后开始线性增加，栅射极电 压V_ge从零开始线性增加；如图4。

(3)当IGBT开关管S₄由关断状态转为导通状态，开关管S₅由导通状态转为关断状态后， 开关管S₁、S₄处于导通状态，开关管S₂、S₃、S₅、S₆处于关断状态时，此时，正电源V_GG+通 过开关管S₁、开关管S₄给滤波电感L_R充电，使滤波电感L_R上的电流I_L持续线性上升，此电 流值是忽略IGBT开关管S₄的导通压降后得到的，其中二极管D₄上的导通压降为0.7V，由于 IGBT开关管S₅、IGBT开关管S₆处于关断状态，栅极电流I_g为零，栅射极电压V_ge保持不变。 如图5。

(4)当IGBT开关管S₄由导通状态转为关断状态，IGBT开关管S₅由关断状态转为导通 状态后，开关管S₁、S₅处于导通状态，开关管S₂、S₃、S₄、S₆处于关断状态时，此时，正 电源继续对电感L_R充电，滤波电感L_R上的电流I_L继续增加，由于开关管S₆反向二极管的导通 作用，滤波电感L_R上的电流I_L通过栅极电阻R_g向电容栅极电容C_ge充电，栅极电流I_g从零突 变到工作模态2结束时的电流值然后线性增加，栅射极电压V_ge线性增加。如图6。

(5)当IGBT开关管S₁由导通状态转为关断状态，IGBT开关管S₂、S₃由关断状态转为 导通状态后，IGBT开关管S₂、S₃、S₅处于导通状态，开关管S₁、S₄、S₆处于关断状态时， 此时滤波电感L_R通过IGBT开关管S₂放电，使滤波电感L_R上的电流I_L由工作模态4时的电流 值开始线性下降。如图7。

(6)当IGBT开关管S₂由导通状态转为关断状态后，IGBT开关管S₃、S₅处于导通状态， IGBT开关管S₁、S₂、S₄、S₆处于关断状态时，栅射极电压V_ge一直被钳位在V_GG+。如图8。

(7)当IGBT开关管S₂由关断状态转为导通状态后，IGBT开关管S₂、S₃、S₅处于导通 状态，开关管S₁、S₄、S₆处于关断状态，此时，正电源V_GG+通过IGBT开关管S₃给滤波电感 L_R反向预充电，使滤波电感L_R上的电流I_L从零开始反向线性增加，栅极电流I_g保持为0，栅 射极电压V_ge保持不变。如图9。

(8)IGBT开关管S₃、S₅由导通状态转为关断状态，IGBT开关管S₆由关断状态转为导 通状态后，IGBT开关管S₁、S₃、S₄、S₅处于关断状态，IGBT开关管S₂、S₆处于导通状态 时，此时，电容C_ge通过IGBT开关管S₆、IGBT开关管S₅的反向二极管、IGBT开关管S₂对 电感L_R反向充电，栅极电流I_g反向突变并线性增加，滤波电感L_R上的电流I_L继续反向增加， 栅射极电压V_ge开始下降。如图10。

(9)当IGBT开关管S₃由关断状态转为导通状态，IGBT开关管S₆由导通状态转为关断 状态后，开关管S₁、S₄、S₅、S₆处于关断状态，开关管S₂、S₃处于导通状态时，此时，正 电源V_GG+通过IGBT开关管S₂、IGBT开关管S₃给滤波电感L_R反向充电，使滤波电感I_L上的 电流I_L持续反向线性上升，此电流值是忽略IGBT开关管S₂的导通压降后得到的，其中IGBT 开关管S₂的反向二极管D₂上的导通压降为0.7V，由于IGBT开关管S₅、IGBT开关管S₆处于 关断状态，栅极电流I_g突变为零，栅射极电压V_ge保持不变。如图11。

(10)IGBT开关管S₃由导通状态转为关断状态，IGBT开关管S₆由关断状态转为导通状 态后，IGBT开关管S₁、S₃、S₄、S₅处于关断状态，IGBT开关管S₂、S₆处于导通状态时， 此时，栅极电容C_ge通过IGBT开关管S₆、IGBT开关管S₅的反向二极管、IGBT开关管S₂对 电感L_R反向充电，栅极电流I_g反向突变为工作模态8结束时的电流并线性增加，滤波电感L_R上的电流I_L反向继续增加，栅射极电压V_ge继续下降到0。如图12。

(11)IGBT开关管S₁、S₄由关断状态转为导通状态，开关管S₂由导通状态转为关断状态 后，IGBT开关管S₁、S₄、S₆为导通状态，开关管S₂、S₃、S₅为关断状态，此时正电源V_GG+为5V，通过IGBT开关管S₁给滤波电感L_R充电，使滤波电感L_R上的电流开始线性上升，栅 极电流I_g突变为零，栅射极电压V_ge保持为0不变；如图13。