抑制IGBT和MOSFET电磁干扰的开环有源电压驱动电路及方法与流程

本发明主要涉及一种应用于功率开关管igbt和mosfet的驱动电路，尤其是涉及抑制igbt和mosfet电磁干扰的开环有源电压驱动电路及方法。

背景技术：

随着电力电子技术的快速发展，以igbt和mosfet为核心的功率变流器在轨道交通、航空航天、工业传动以及电力传输等工业领域得到了广泛的应用。然而，随着体积小、重量轻、高效率、高可靠性的发展趋势，这些大功率、高开关频率设备的内部电磁环境也越来越复杂。并且，igbt和mosfet快速开关暂态过程中产生的瞬间变化的高电压/电流变化率(dv/dt和di/dt)是高频emi的主要来源。它导致开关电压和电流波形含有丰富高次谐波，通过电源线、地线等传播出去。不仅会影响变流器自身的正常工作，也会对周边电子设备的正常工作产生电磁干扰问题。目前，抑制电磁干扰最基本的方法有屏蔽、接地和优化pcb的布线。结合开关变换器的特点，比较常用的技术有：emi滤波器设计技术、软开关技术和应用缓冲电路等。滤波器技术作为目前抑制电磁干扰的重要方法之一，可以对我们进行抑制之后多余的能量进行衰减。因为在emi的通带之外，emi信号能受到极大地衰减，从而使设备满足有关电磁兼容性标准。但在应用时一定得注意滤波器的安装问题，如果滤波器安装得不合适反而会得到一个更差的效果。由于电磁干扰源是电磁干扰问题的第一要素，为了更好的实现电磁兼容(electromagneticcompatibility,emc)，需要在从源头上抑制emi的产生。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明旨在提供一种在从源头上抑制emi的产生的离散型开环有源电压驱动电路及控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种抑制igbt和mosfet电磁干扰的开环有源电压驱动电路，应用于功率开关管的驱动电路中，所述电压驱动电路包括驱动模块和门极电阻；所述门极电阻为可变电阻，所述门极电阻一端连接功率开关管的门极，另一端连接功率开关管的发射极；所述驱动模块与所述门极电阻连接，用以动态连续离散改变门极电阻值。

进一步的，所述驱动模块包括由驱动器组成的存储器、输出级和控制单元。

作为一种改进，所述存储器，用以保存门极驱动序列和逻辑；

所述控制单元，由pwm信号触发，在功率开关管瞬态过程中调用存储器中的门极驱动序列和逻辑以控制驱动信号输出状态；

所述输出级，用以根据所述控制单元输出状态动态连续离散的输出驱动信号，所述门极电阻根据驱动信号改变阻值。

更进一步的，所述输出级由两个并行驱动器组成，分别为主驱动器和辅助驱动器，所述辅助驱动器具有更小时间分辨率。

一种抑制igbt和mosfet电磁干扰的开环有源电压驱动电路方法，此处指控制方法，根据功率开关管开通瞬态过程包括以下步骤：

s1、开通延迟阶段，所述驱动电路输出小阻值的门极电阻；

s2、电流上升阶段，所述驱动电路输出大阻值的门极电阻；

s3、电压下降阶段，所述驱动电路在功率开关管电压下降过程中动态连续离散调节输出电阻值；将原来单一斜率的集射极电压波形，调整为对电磁干扰有更好抑制作用的高斯s型电压波形；

s4、全部导通阶段，所述驱动电路输出小阻值的门极电阻。

进一步的，所述步骤s3调整方法为：将实际电压下降曲线斜率与s型曲线斜率进行比较，如果其斜率的绝对值小于s型曲线，则选择较小的输出门极电阻值；相反，若其斜率的绝对值大于s型曲线，则选择较大的输出门极电阻值。

一种抑制igbt和mosfet电磁干扰的开环有源电压驱动电路的方法，此处指控制方法，根据功率开关管关断瞬态过程包括以下步骤：

s1、关断延迟阶段，所述驱动电路输出小阻值的门极电阻；

s2、电压上升阶段，所述驱动电路在功率开关管电压下降过程中动态连续离散调节输出电阻值；将原来单一斜率的集射极电压波形，调整为对电磁干扰有更好抑制作用的高斯s型电压波形；

s3、电流下降阶段，所述驱动电路输出大阻值的门极电阻；

s4、全部关断阶段，所述驱动电路输出小阻值的门极电阻。

进一步的，所述步骤s2调整方法为：将实际电压下降曲线斜率与s型曲线斜率进行比较，如果其斜率的绝对值小于s型曲线，则选择较小的输出门极电阻值；相反，若其斜率的绝对值大于s型曲线，则选择较大的输出门极电阻值。

本发明抑制igbt和mosfet电磁干扰的开环有源电压驱动电路及方法，通过连续离散调节门极电阻阻值大小，实现开关暂态电压波形接近高斯s曲线形状，从而干预emi的产生源，因而能够在每个阶段选择最佳的门极电阻来驱动，以达到电磁干扰、电压过冲等影响最小的效果。

附图说明

图1是含有源门极驱动电路的igbt斩波电路示意图；

图2是igbt暂态过程波形；

图3是驱动电路输出门极电阻示意图。

图1中所示标号含义：r，l：负载；fwb：续流二极管；ld：续流回路杂散电感；ls：电路中杂散电感；le：发射极寄生电感；rg：门极电阻；cgc：门极和集电极间寄生电容；cge：门极和发射极间寄生电容；cce：集电极和发射极间寄生电容。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一种实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。还需说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连。也可以通过中间媒介物间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供一种抑制igbt和mosfet电磁干扰的开环有源电压驱动电路，应用于功率开关管的驱动电路中，所述电压驱动电路包括驱动模块和门极电阻；所述门极电阻为可变电阻，所述门极电阻一端连接功率开关管的门极，另一端连接功率开关管的发射极；所述驱动模块与所述门极电阻连接，用以动态连续离散改变门极电阻值。

作为一种优选实施例，所述驱动模块包括由驱动器组成的存储器、输出级和控制单元，其中，

所述存储器，用以保存门极驱动序列和逻辑；

所述控制单元，由pwm信号触发，在功率开关管瞬态过程中调用存储器中的门极驱动序列和逻辑以控制驱动信号输出状态；

所述输出级，用以根据所述控制单元输出状态动态连续离散的输出驱动信号，所述门极电阻根据驱动信号改变阻值。作为一种优选实施例，所述输出级由两个并行驱动器组成，分别为主驱动器和辅助驱动器，所述辅助驱动器具有更小时间分辨率。

由于igbt的开关过程是由igbt的mosfet部分决定的，所以mosfet的开关过程与igbt基本相同，下面以igbt为例，介绍它们的动态特性，同时以动态特性中开关管电压变化率与门极电阻的关系为依据讲解本发明的具体实施方式。

开通过程研究

如图2所示，是典型igbt开关过程中的门极电压，集电极电流和集射极电压波形。igbt的开通过程可以分为四个阶段。

第1阶段：开通延迟(t0-t1)

t0开始，当门极驱动电压从ugl上升到ugh，门极电流开始对igbt的输入电容cies(cies＝cgc+cge)充电。门极电压ugs逐渐上升，但仍小于uth，igbt仍未开通。

如图3所示，该阶段驱动电路输出一个阻值较小的门极电阻来缩短开关管开通延迟的时间。

第2阶段：电流上升(t1-t2)

当ugs达到uth时，集电极电流开始上升。il由原来经fwb续流，逐渐转移到igbt。但由于fwb仍未关断，集射极依然承受着电压udc。

这时集电极电流可以表示为：

id＝gm(uge+utk)

其中gm为跨导，用来表征uge对ic的控制作用和放大能力。通过对两边直接求导得出t1-t2间集电极电流上升变化率di/dt为：

式中：ip为漏电流，l为负载电感。

可见，增大门极电阻值可以降低集电极电流变化率。如图3所示，该阶段驱动电路输出一个阻值较大的门极电阻。

第3阶段：电压下降(t2-t3)

t2时fwb电流下降为0自然关断，器件开始进入有源区并快速向欧姆电阻区过渡，同时uce快速下降。由于米勒电容cgc急速放电抽取全部ig，ugs几乎不升出现米勒平台。

在电压下降的阶段，集射极电压uce可以表示为：

由上式可以看出：igbt开通过程中集射极电压变化率的绝对值是门极电阻rg的减函数，rg越大，uce的变化率绝对值就越小，即变化就越缓慢。

该阶段为本发明控制的关键阶段，操作原理如图3所示。有源电压驱动电路在开关管电压下降过程中动态连续离散调节输出电阻值。将原来单一斜率的集射极电压波形，调整为对电磁干扰有更好抑制作用的高斯s型电压波形。工作机理为：将实际电压下降曲线斜率与s型曲线斜率进行比较，如果其斜率的绝对值小于s型曲线，则选择较小的输出门极电阻值；相反，若其斜率的绝对值大于s型曲线，则选择较大的输出门极电阻值。

第4阶段：全部导通(t3-t4)

为降低开关的导通损耗，cge需要继续充电，uge上升到ugh。

如图3所示，该阶段输出一个较小的门极电阻来使igbt快速地完全开通，减小开通时间与开通损耗。

具体的，根据上述研究结果，本发明实施例提供一种离散型开环有源电压驱动电路控制方法，根据功率开关管开通瞬态过程包括以下步骤：

s1、开通延迟阶段，所述驱动电路输出小阻值的门极电阻；

s2、电流上升阶段，所述驱动电路输出大阻值的门极电阻；

s3、电压下降阶段，所述驱动电路在功率开关管电压下降过程中动态连续离散调节输出电阻值；将原来单一斜率的集射极电压波形，调整为对电磁干扰有更好抑制作用的高斯s型电压波形；作为本发明一种优选实施例，所述步骤s3调整方法为：将实际电压下降曲线斜率与s型曲线斜率进行比较，如果其斜率的绝对值小于s型曲线，则选择较小的输出门极电阻值；相反，若其斜率的绝对值大于s型曲线，则选择较大的输出门极电阻值。

s4、全部导通阶段，所述驱动电路输出小阻值的门极电阻。

由于igbt的开关过程是由igbt的mosfet部分决定的，所以mosfet的开关过程与igbt基本相同，下面以igbt为例，介绍它们的动态特性，同时以动态特性中开关管电压变化率与门极电阻的关系为依据讲解本发明的具体实施方式。

关断过程研究

如图2所示，igbt的关断过程同样分为四个阶段。

第5阶段：关断延迟(t5-t6)

t5开始，门极驱动电压从ugh跳变到ugl，寄生电容cgc和cge开始放电，门极电压uge开始下降。

如图3所示，该阶段驱动电路输出一个较小的门极电阻来加快igbt地开通速度。

第6阶段：电压上升(t6-t7)

从t6时刻开始快速向截止区过渡，集射极电压uce开始上升，因密勒电容cgc放电抽取全部ig，门极电压uge几乎不降，出现米勒平台。

考虑利用与开通过程类似的方法求出集射极电压变化率为：

由上式可以看出：与开通过程相同，igbt关断过程中集射极电压变化率的绝对值是门极电阻rg的减函数，rg越大，uce的变化率绝对值就越小，即变化就越缓慢。

该阶段同样为本发明控制的关键阶段，操作原理如图3所示。有源电压驱动电路在开关管电压上升过程中动态连续离散调节输出电阻值。将原来单一斜率的集射极电压波形，调整为高斯s型电压波形，工作机理与电压上升阶段相同。

第7阶段：电流下降(t7-t8)

t7时uce稍大于udc，fwb导通il由igbt逐渐转移到fwb续流，ic由逐渐降为0，期间门极经由驱动源泄放电荷，uge随ic减小而下降。

集电极电流的变化率为：

如图3所示，该阶段驱动电路输出一个阻值较大的门极电阻来降低集电极电流变化率。

第8阶段：全部关断(t8-t9)

uge继续下降到ugl。

该阶段电路输出一个阻值较小的门极电阻来缩短关断时间。

具体的，根据上述研究结果，本发明实施例提供一种抑制igbt和mosfet电磁干扰的开环有源电压驱动电路的方法，此处指控制方法，根据功率开关管关断瞬态过程包括以下步骤：

s1、关断延迟阶段，所述驱动电路输出小阻值的门极电阻；

s2、电压上升阶段，所述驱动电路在功率开关管电压下降过程中动态连续离散调节输出电阻值；将原来单一斜率的集射极电压波形，调整为对电磁干扰有更好抑制作用的高斯s型电压波形；作为本发明一种优选实施例，所述步骤s2调整方法为：将实际电压下降曲线斜率与s型曲线斜率进行比较，如果其斜率的绝对值小于s型曲线，则选择较小的输出门极电阻值；相反，若其斜率的绝对值大于s型曲线，则选择较大的输出门极电阻值。

s3、电流下降阶段，所述驱动电路输出大阻值的门极电阻；

s4、全部关断阶段，所述驱动电路输出小阻值的门极电阻。

本发明抑制igbt和mosfet电磁干扰的开环有源电压驱动电路及方法，通过连续离散调节门极电阻阻值大小，将开关暂态电压波形由原来的单一斜率的集射极电压波形，调整为对电磁干扰有更好抑制作用的高斯s型电压波形；并且，由于本发明主要是进行开关过程电压波形的调节，所以控制的动态阶段最重要的为上述的电压下降阶段和电压上升阶段，有源电压驱动电路在开关管电压下降和电压上升过程中动态连续离散调节输出门极电阻值。最终本发明能够在每个阶段选择最佳的门极电阻来驱动，以达到电磁干扰、电压过冲等影响最小的效果。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。