变换器系统、半导体开关驱动电路及方法技术方案

本公开提供了一种变换器系统、半导体开关驱动电路及方法。该半导体开关驱动电路包括驱动单元、采样单元以及判断选取单元。本公开示例实施方式中，通过设置多个具有不同关断参数的关断驱动单元并获取半导体开关的工作状态，进而根据半导体开关的工作状态选取关断参数与半导体开关的工作状态适配的关断驱动单元去关断半导体开关，从而一方面可以获得较小开关损耗，提高系统效率，另一方面可以提高系统的安全特性，增加系统的可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本公开涉及半导体开关
，具体涉及一种半导体开关驱动电路、半导体开关驱动方法以及应用该半导体开关驱动电路的变换器系统。
技术介绍
随着电力电子变换器应用的日益普及，半导体开关也因此得到了广泛使用。这些半导体开关主要包括IGBT、MOSFET、SiC MOSFET等。在半导体开关的电力电子变换器中不可避免会存在损耗，而其中很大一部分损耗都来自于半导体开关的损耗。半导体开关的损耗包括开关损耗与导通损耗。其中半导体开关的开关损耗与半导体开关驱动电路的特性以及半导体开关的开关频率有关。例如，不同的半导体开关驱动电路会导致半导体开关具有不同的开关损耗。以IGBT为例，一种常见的IGBT驱动电路如图1中所示，其主要包括第一电阻R1，第一开关器件Q1，第二开关器件Q3以及驱动电阻Rd。第一电阻R1接收到驱动控制信号DS后传送至第一开关器件Q1与第二开关器件Q3组成的图腾柱放大器；经过图腾柱放大器放大得到的信号再通过驱动电阻Rd驱动IGBT S的导通与关断。图2A以及图2B示出了驱动电阻Rd与IGBT S的导通损耗Eon以及关断损耗Eoff的关系。从该图可以看出随着驱动电阻Rd的减小，导致开关速度上升，关断损耗Eoff与导通损耗Eon的数值因而随之减小。因此较小的驱动电阻Rd可以减小IGBT的开关损耗。然而，在实际电路的运用中，驱动电阻Rd的取值受到电压应力的限制。图3示出了一个采用IGBT组成的半桥电路，其中LC滤波器以及直流侧的第一电容C1和第二电容C2构成的常规逆变器系统，其可将直流侧串联的电容第一电容C1和第二电容C2上的直流电压转换为交流的输出电压Vout；图中Ls1、Ls2分别是主电路回路中的寄生电感。当IGBT S1
关断时，输出电感Lf上的电流不会突变，所以流过IGBT的电流会转移至另一侧的IGBT S2的反向并联二极管D2进行自然续流。在这个过程中，流过IGBT S1以及反向并联二极管D2电流的di/dt会在线路中的寄生电感Ls1以及Ls2中形成电压VLs1以及VLs2，其中VLs1＝Ls1·di/dt，VLs2＝Ls2·di/dt。所以这时IGBT S1的电压应力VS1＝VC1+VC2+(Ls1+Ls2)·di/dt。电压应力VS1与驱动电阻Rd的关系如图4所示，驱动电阻Rd越小或者电流越大，开关速度(didt)就会越大，从而导致电压应力越大。从图4可以得知，若以550V作为电压应力VS1的限制值且IGBT关断最小电流值为300A，则驱动电阻Rd最小只能取到10Ω。而从图2A以及图2B中可知驱动电阻Rd＝10Ω时的Eoff以及Eon要比驱动电阻Rd＝2.5Ω时的Eoff以及Eon大很多，从而使得IGBT具有较大的开关损耗。从上述分析可知，在一个变换器系统中获得较小的IGBT开关损耗与获得较小的IGBT电压应力之间存在矛盾。在实际工程运用中由于安全性以及可靠性等原因，必须要满足一定大小的电压应力。这样在一定程度上就必须牺牲IGBT的开关损耗。此外，除了IGBT，其他半导体开关也存在着类似的开关损耗减小与电压应力减小存在矛盾的问题。现有技术中的一种改善方案如图5中所示。图5是一种能使驱动IGBT导通的驱动电阻Rd(导通电阻Rd1)与驱动IGBT关断的驱动电阻Rd(关断电阻Rd2)分离的半导体开关驱动电路。该半导体开关驱动电路可以使得在关断电阻取到较大值的时候，可以得到较小的导通电阻(Rd1//Rd2)。然而，即使采用该电路可以减小IGBT的导通损耗，但IGBT关断损耗依然无法减小，因此系统仍具有较高的开关损耗。因此，如何提供一种可进一步改善上述缺陷的技术方案，实为目前迫切需要解决的课题。
技术实现思路
针对现有技术中的部分或者全部问题，本公开提供一种半导体开关驱动电路、半导体开关驱动方法以及应用该半导体开关驱动电路的变换器系统，用于至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或多个问题。本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。根据本公开的第一方面，提供一种半导体开关驱动电路，包括驱动单元、采样单元以及判断选取单元；其中：所述驱动单元，包括多个具有不同关断参数的关断驱动单元及一导通驱动单元；所述采样单元，用于采样一能够反映所述半导体开关工作状态的采样电流，并将所述采样电流输出至所述判断选取单元；所述判断选取单元，接收一驱动控制信号、所述采样电流及一或多个参考值，并于所述驱动控制信号为一第一控制信号时，根据所述采样电流及所述参考值判断所述半导体开关的工作状态，选取一关断参数与判断的工作状态所适配的关断驱动单元去关断一半导体开关；以及，于所述驱动控制信号为一第二控制信号时选取所述导通驱动单元去导通所述半导体开关。根据本公开的第二方面，提供一种半导体开关驱动方法，应用于包括多个具有不同关断参数的关断驱动单元及一导通驱动单元的半导体开关驱动电路；该半导体开关驱动方法包括步骤：采样一能够反映所述半导体开关工作状态的采样电流；接收一驱动控制信号及一或多个参考值，并于所述驱动控制信号为一第一控制信号时，根据所述采样电流及参考值判断所述半导体开关的工作状态，选取一关断参数与判断得到的工作状态适配的关断驱动单元去关断一半导体开关；以及，于所述驱动控制信号为一第二控制信号时选取所述导通驱动单元导通所述半导体开关。根据本公开的第三方面，提供一种变换器系统，包括：一上述任意一种半导体开关驱动电路，用于向半导体开关提供一开关驱动信号；以及，一主电路模块，包括至少一半导体开关，所述开关驱动信号耦接至所述半导体开关的控制端，所述开关驱动信号控制所述半导体开关的导通或关断。本公开示例实施方式中，通过设置多个具有不同关断参数的关断驱动
单元并获取半导体开关的工作状态，进而根据半导体开关的工作状态选取关断参数与半导体开关的工作状态适配的关断驱动单元去关断半导体开关，从而一方面可以获得较小开关损耗，提高系统效率，另一方面可以提高系统的安全特性，增加系统的可靠性。附图说明通过参照附图详细描述其示例实施方式。图1是现有技术中一种IGBT驱动电路的结构示意图。图2A是图1中IGBT驱动电路的驱动电阻与导通损耗之间的相关曲线。图2B是图1中IGBT驱动电路的驱动电阻与关断损耗之间的相关曲线。图3是现有技术中一种采用IGBT的半桥电路的结构示意图。图4中为图3中IGBT的电压应力与驱动电阻以及关断电流之间的相关曲线。图5为现有技术中另一种IGBT驱动电路的结构示意图。图6是本公开示例实施方式中一种变换器系统的框图。图7是本公开示例实施方式一中一种变换器系统的结构示意图。图8为图7中输出电流与与门输出的信号之间的关系示意图。图9是本公开示例实施方式一中另一种变换器系统的结构示意图。图10为图9中输出电感的电流与与门输出的信号之间的关系示意图。图11是本公开示例实施方式一中又一种变换器系统的结构示意图。图12是本公开示例实施方式一中再一种变换器系统的结构示意图。图13是本公开示例实施方式二中一种变换器系统的结构示意图。图14是本公开示例实施方式三中一种变换器系统的结构示意图。图15是本公开示例实施方式四中一种变换器系统的结构示意图。图16是本公开示例实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体开关驱动电路，其特征在于，包括驱动单元、采样单元以及判断选取单元；其中：所述驱动单元，包括多个具有不同关断参数的关断驱动单元及一导通驱动单元；所述采样单元，用于采样一能够反映所述半导体开关工作状态的采样电流，并将所述采样电流输出至所述判断选取单元；所述判断选取单元，接收一驱动控制信号、所述采样电流及一或多个参考值，并于所述驱动控制信号为一第一控制信号时，根据所述采样电流及所述参考值判断所述半导体开关的工作状态，选取一关断参数与判断的工作状态所适配的关断驱动单元去关断一半导体开关；以及，于所述驱动控制信号为一第二控制信号时选取所述导通驱动单元去导通所述半导体开关。

【技术特征摘要】
1.一种半导体开关驱动电路，其特征在于，包括驱动单元、采样单元以及判断选取单元；其中：所述驱动单元，包括多个具有不同关断参数的关断驱动单元及一导通驱动单元；所述采样单元，用于采样一能够反映所述半导体开关工作状态的采样电流，并将所述采样电流输出至所述判断选取单元；所述判断选取单元，接收一驱动控制信号、所述采样电流及一或多个参考值，并于所述驱动控制信号为一第一控制信号时，根据所述采样电流及所述参考值判断所述半导体开关的工作状态，选取一关断参数与判断的工作状态所适配的关断驱动单元去关断一半导体开关；以及，于所述驱动控制信号为一第二控制信号时选取所述导通驱动单元去导通所述半导体开关。2.根据权利要求1所述的半导体开关驱动电路，其特征在于，所述多个不同关断参数的关断驱动单元具有不同的关断速度。3.根据权利要求2所述的半导体开关驱动电路，其特征在于，所述判断选取单元配置为在所述采样电流越大时选取关断速度越慢的关断驱动单元。4.根据权利要求1-3任意一项所述的半导体开关驱动电路，其特征在于，所述关断参数为所述关断驱动单元的关断电阻；所述判断选取单元选取一关断电阻与判断得到的工作状态所适配的关断驱动单元去关断所述半导体开关。5.根据权利要求4所述的半导体开关驱动电路，其特征在于，所述关断驱动单元包括第一关断驱动单元和第二关断驱动单元，其中，所述第一关断驱动单元的关断电阻大于所述第二关断驱动单元的关断电阻；所述判断选取单元接收一所述参考值并将其与所述采样电流比较：若所述采样电流大于所述参考值，则选取所述第一关断驱动单元关断所述半导体开关；若所述采样电流小于或等于所述参考值，则选取所述第二关断驱动单元关断所述半导体开关。6.根据权利要求5所述的半导体开关驱动电路，其特征在于，所述第一关断驱动单元包括：一第一开关器件，其输入端耦接一低电位端，所述第一开关器件的控制端接收所述驱动控制信号并于所述驱动控制信号为一第一控制信号时导通所述第一开关器件；及一第一关断电阻，其第一端耦接所述第一开关器件的输出端，所述第一关断电阻的第二端耦接所述半导体开关的控制端。7.根据权利要求5所述的半导体开关驱动电路，其特征在于，所述第二关断驱动单元包括：一第一开关器件，其输入端耦接一低电位端，所述第一开关器件的控制端接收所述驱动控制信号并于所述驱动控制信号为一第一控制信号时导通所述第一开关器件；一第一关断电阻，其第一端耦接所述第一开关器件的输出端，所述第一关断电阻的第二端耦接所述半导体开关的控制端；一第二开关器件，其输入端耦接所述低电位端，所述第二开关器件的控制端接收所述判断选取单元的输出信号并据以导通或关断所述第二开关器件；及一第二关断电阻，其第一端耦接所述第二开关器件的输出端、所述第二关断电阻的第二端耦接所述半导体开关的控制端。8.根据权利要求5所述的半导体开关驱动电路，其特征在于，所述判断选取单元包括：一比较器，其输入端接收所述采样电流及参考值，并根据所述采样电流和所述参考值的比较结果输出一比较信号；一与门，其输入端接收所述驱动控制信号及比较信号，并对接收到的信号进行“与”运算后输出一信号至所述关断驱动单元。9.根据权利要求1-3任意一项所述的半导体开关驱动电路，其特征在于，所述关断参数为所述关断驱动单元的关断电流；所述判断选取单元选取一关断电流与判断得到的工作状态适配的关断驱动单元去关断所述半导体开关。10.根据权利要求9所述的半导体开关驱动电路，其特征在于，所述关断驱动单元包括第一关断驱动单元和第二关断驱动单元，所述第一关断驱动单元的关断电流小于所述第二关断驱动单元的关断电流；所述判断选取单元接收一所述参考值并将其与所述采样电流比较：若所述采样电流大于所述参考值，选取所述第一关断驱动单元关断所述半导体开关；若所述采样电流小于或等于所述参考值，选取所述第二关断驱动单元关断所述半导体开关。11.根据权利要求10所述的半导体开关驱动电路，其特征在于，所述第一关断驱动单元包括：一第一开关器件，其输入端耦接一低电位端，所述第一开关器件的控制端接收所述驱动控制信号并于所述驱动控制信号为一第一控制信号时导通所述第一开关器件；及一关断电阻，其第一端耦接所述第一开关器件的输出端，所述第一关断电阻的第二端耦接所述半导体开关的控制端。12.根据权利要求10所述的半导体开关驱动电路，其特征在于，所述第二关断驱动单元包括：一第一开关器件，其输入端耦接一低电位端，所述第一开关器件的控制端接收所述驱动控制信号并于所述驱动控制信号为一第一控制信号时导通所述第一开关器件；一关断电阻，其第一端耦接所述第一开关器件的输出端，所述第一关断电阻的第二端耦接所述半导体开关的控制端；一耦合电容，其第一端接收所述判断选取单元的输出信号；一第一电阻，其第一端耦接所述耦合电容的第二端，第二端耦接接地端；一第一比较器，其输入端分别耦接所述第一电阻的第一端和接地端，并根据所述第一电阻的第一端和接地端的电位比较结果输出一第一比较信号；一第二电阻，其第一端耦接所述低电位端；一第二开关器件，其输入端耦接所述第二电阻第二端，所述第二开关器件的输出端耦接所述半导体开关的控制端，所述第二开关器件的控制端
\t接收所述第一比较信号并据以导通或关断所述第二开关器件。13.根据权利要求10所述的半导体开关驱动电路，其特征在于，所述判断选取单元包括：一第二比较器，其输入端接收所述采样电流及参考值，并根据所述采样电流和参考值的比较结果输出一第二比较信号；一与门，其输入端接收所述驱动控制信号及第二比较信号，并对接收到的信号进行“与”运算后输出一信号至所述关断驱动单元。14.根据权利要求1-3任意一项所述的半导体开关驱动电路，其特征在于，所述关断参数为所述关断驱动单元的关断电压；所述判断选取单元选取一关断电压与判断得到的工作状态适配的关断驱动单元去关断所述半导体开关。15.根据权利要求14所述的半导体开关驱动电路，其特征在于，所述关断驱动单元包括第一关断驱动单元和第二关断驱动单元，其中，所述第一关断驱动单元的关断电压低于所述第二关断驱动单元的关断电压；所述判断选取单元接收一所述参考值并将其与所述采样电流比较：若所述采样电流大于所述参考值，选取所述第一关断驱动单元关断所述半导体开关；若所述采样电流小于或等于所述参考值，选取所述第二关断驱动单元关断所述半导体开关。16.根据权利要求15所述的半导体开关驱动电路，其特征在于，所述第一关断驱动单元包括：一第一开关器件，其输入端耦接一第一低电位端，所述第一开关器件的控制端接收所述判断选取单元输出的一第一信号并据以导通或关断所述第一开关器件；及一关断电阻，其第一端耦接所述第一开关器件的输出端，所述关断电阻的第二端耦接所述半导体开关的控制端。17.根据权利要求15所述的半导体开关驱动电路，其特征在于，所述第二关断驱动单元包括：一关断电阻，其第二端耦接所述半导体开关的控制端；一第二开关器件，其输入端耦接一第二低电位端，所述第二开关器件
\t的输出端耦接所述关断电阻的第一端，所述第二开关器件的控制端接收所述判断选取单元输出的一第二信号并据以导通或关断所述第二开关器件。18.根据权利要求15所述的半导体开关驱动电路，其特征在于，所述判断选取单元包括：一比较器，其输入端接收所述采样电流及参考值，并根据所述采样电流和参考值的比较结果输出一比较信号；一第一非门，其输入端接收所述比较信号并对接收到的信号进行“非”运算后输出一信号；一第一与门，其输入端接收所述驱动控制信号及所述第一非门输出的信号，并对接收的信号进行“与”运算后输出一第一信号至所述关断驱动单元；一第二与门，其输入端接收所述驱动控制信号及所述比较信号，并对接收的信号进行“与”运算后输出一第二信号至所述关断驱动单元。19.根据权利要求1-3任意一项所述的半导体开关驱动电路，其特征在于，所述关断驱动单元包括关断电压依次上升的第一关断驱动单元、第二关断驱动单元和第三关断驱动单元；所述判断选取单元接收一第一参考值及一大于所述第一参考值的第二参考值，并与所述采样电流比较：若所述采样电流大于所述第二参考值，则...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐立智，冯维一，张伟强，吴洪洋，
申请(专利权)人：台达电子工业股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71