一种门极驱动电路

技术领域

本发明涉及半导体器件应用领域，尤其涉及一种门极驱动电路。

背景技术

单个功率器件能够提供的电压和电流有限，即功率容量受限，为了适合大功率的应用场合，需要多个功率器件的并联，以提高输出电流的能力。多个器件的并联，必然涉及并联器件之间的电流均衡，以实现器件之间的电流均分。多个器件的并联包括封装好的分立器件的并联，也可以是裸晶片，如功率模块的并联再封装。

不均流问题是半导体器件并联应用中最主要的问题。由于并联器件之间存在参数的容差，这些参数的偏差会导致并联器件的电流不均衡。电流均衡分为稳态下的电流均衡(通常称为静态均流)以及开关瞬态下的电流均衡(通常称为动态均流)。其中，在稳态下的电流可以由半导体器件的导通电阻决定，通常选择导通电阻匹配性较好的器件并联可以避免这个问题，影响因素较为单一。但在开关瞬态下，电流的均衡受半导体器件的众多参数影响，而且开关瞬态很短，控制动态均流难度很大，因此，动态均流问题一直是本领域的技术难题。在高频应用场景下，动态不均流有着更为显著的影响，包括并联器件损耗分布不均、热应力不均衡、栅源电压振荡等。

随着宽禁带器件，如SiC器件的兴起，开关速度相对传统硅器件可以提升一个数量级。开关瞬态的时间变短，对动态均流的调整或者控制带来更大的挑战。

为了改善不均流现象，通常会在功率回路布局上尽量对称，以消除回路寄生参数不对称与器件参数不一致造成的不均流，同时在同一批次生产出的晶圆中筛选尽量一致的器件，使得并联器件的参数匹配，但该方案筛选难度大。传统的被动均流方法，通过在并联器件中串联耦合电感，利用耦合电感的磁耦合效果，强制使得并联器件电流一致，虽然均流效果较好，但存在体积大，多个器件并联时电路复杂等缺点。有源门极驱动方案是另一种均流方案，主要由检测、反馈、调节三部分实现。检测部分感应出并联器件的不均流大小，反馈部分将检测到的不均流传送给驱动电路，调节部分通过改变驱动信号来调整各并联器件的电流，从而达到均衡。但传统的数字型有源门极驱动方案存在系统构成复杂，控制速度慢，从而无法进行实时调节的问题。多个器件并联时，由于反馈信号较多，控制电路需要复杂的数字逻辑芯片来处理多个信号，电路更为复杂。

模拟型有源门极驱动方案是一种能进行快速门极控制的有效方案，已经在大功率IGBT开关瞬态控制中有广泛研究，包括IGBT开关过程中电压、电流过冲抑制。美国专利No.9,438,228中提出一种有源门极驱动电路，用于IGBT开关瞬态的电压和电流变化率的控制，如图1所示。通过PWM信号控制IGBT开关的门极电压，从而控制IGBT的导通与关断。在IGBT导通时，通过源极电感器L

发明内容

根据现有技术的上述缺陷，本发明提出一种门极驱动电路，包括：

n个并联的开关器件，并且选择n个开关器件中的一个作为基准开关器件，其中，n为大于1的整数；

n个电流变化率采样电路，分别用于采样所述n个开关器件的电流变化率；

n-1个注入电流源，分别连接在除所述基准开关器件之外的n-1个开关器件的门极和源极之间，用于向开关器件的门极注入电流；

n-1个抽取电流源，分别连接在除所述基准开关器件之外的n-1个开关器件的门极和源极之间，用于从开关器件的门极抽取电流；

所述n-1个注入电流源和所述n-1个抽取电流源被配置为将所述n-1个开关器件的电流变化率分别与所述基准开关器件的电流变化率相比较，并根据比较结果从所述n-1个开关器件的门极抽取或注入电流，以使得所述n-1个开关器件的电流变化率与所述基准开关器件的电流变化率相一致。

优选地，如果所述n-1个开关器件的电流变化率大于所述基准开关器件的电流变化率，则相应的抽取电流源开始从所述n-1个开关器件的门极抽取电流。

优选地，如果所述n-1个开关器件的电流变化率小于所述基准开关器件的电流变化率，则相应的注入电流源开始向所述n-1个开关器件的门极注入电流。

优选地，所述电流变化率采样电路是电感器，所述电感器连接至开关器件的源极。

优选地，所述电感器是线路内部的寄生电感。

优选地，所述开关器件是基于SiC或Si的MOSFET或IGBT。

优选地，所述抽取电流源包括第一NPN三极管，所述第一NPN三极管的基极用于接收与其对应的开关器件的电感器的电压，所述第一NPN三极管的发射极用于接收所述基准开关器件的电感器的电压，以及所述第一NPN三极管的集电极连接至所述与其对应的开关器件的门极。

优选地，所述注入电流源包括第二NPN三极管，所述第二NPN三极管的基极用于接收所述基准开关器件的电感器的电压，所述第二NPN三极管的发射极用于接收与其对应的开关器件的电感器的电压，以及所述第二NPN三极管的集电极连接至由第三PNP三极管和第四PNP三极管组成的第一镜像电流源电路，以及所述第四PNP三极管的集电极连接至所述与其对应的开关器件的门极。

优选地，所述抽取电流源包括差分放大电路、图腾柱功率电路和第二镜像电流源电路，

所述差分放大电路包括第一运算放大器，所述第一运算放大器的正输入端用于接收与其对应的开关器件的电感器的电压，所述第一运算放大器的负输入端用于接收所述基准开关器件的电感器的电压；以及

所述图腾柱功率电路用于将所述差分放大电路的输出结果转换为电流并经由所述第二镜像电流源电路改变电流方向。

优选地，所述注入电流源包括差分放大电路、图腾柱功率电路和2个镜像电流源电路，

所述差分放大电路包括第二运算放大器，所述第二运算放大器的正输入端用于接收所述基准开关器件的电感器的电压，所述第二运算放大器的负输入端用于接收与其对应的开关器件的电感器的电压；以及

所述图腾柱功率电路用于将所述差分放大电路的输出结果转换为电流并经由所述2个镜像电流源电路改变电流方向。

本发明提出的新型有源门极驱动电路，改善了并联开关器件瞬态不均流问题。该方案不会被并联个数所限制、反馈电路简单、响应速度快、成本低且易于集成，并且可以同时解决电流变化时间点不同以及斜率不同引起的不均流问题。此外，本发明所设计的反馈回路同时适用于电流上升和下降瞬态过程中的均流。

附图说明

图1示出了现有技术中的模拟型有源门极驱动电路的示意图；

图2为本发明的门极驱动电路的一个应用电路的示意图；

图3为根据本发明一个实施例的门极驱动电路的示意图；

图4为本发明的门极驱动电路的主从式控制示意图；

图5为根据本发明一个实施例的开关器件电流变化率采样电路的示意图；

图6为根据本发明一个实施例的抽取电流源I

图7为根据本发明一个实施例的注入电流源I

图8为根据本发明一个实施例的带运放的抽取电流源I

图9为根据本发明一个实施例的带运放的注入电流源I

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出一种门极驱动电路，其适用于MOSFET、IGBT等半导体器件并联应用，能够改善传统并联应用中不均流问题，避免由于电流不均导致的器件损耗差异和可靠性差异，从而延长器件使用寿命。

图2为本发明的门极驱动电路的一个应用电路的示意图。图2中示出了一种工业上应用较为广泛的由半导体器件组成的半桥电路。其中，n个开关器件Q

图3为根据本发明一个实施例的门极驱动电路的示意图。其中，可任选一个开关器件作为基准开关，为了方便起见，在下文中以第一个开关器件Q

具体而言，在开关器件Q

在关断瞬态过程中，当开关器件Q

本发明采用主从式的思想，可以并联任意数量的开关器件，如图4所示。在开关瞬态过程中，以第1开关器件Q

图5为根据本发明一个实施例的开关器件电流变化率采样电路的示意图。如图5所示，电感器ks和s均是开关器件Q

其中，V

图6为根据本发明一个实施例的抽取电流源I

在开通瞬态过程中，若第1开关器件Q

图7为根据本发明一个实施例的注入电流源I

在开通瞬态过程中，若第i开关器件Q

当第i开关器件Q

在上述实施例中，仅利用三极管完成反馈，将第1开关器件Q

当源极电感器上采样的信号较小的时候，也可以通过专门的运放，对第i开关器件Q

图8为根据本发明一个实施例的带运放的抽取电流源I

图9为根据本发明一个实施例的带运放的注入电流源I

本发明使用的反馈回路能同时解决漏极电流上升和下降瞬态过程中的不均流问题。在漏极电流上升过程中，注入电流源I

本发明提出的新型有源门极驱动方案，改善了并联开关器件瞬态不均流问题。该方案不会被并联个数所限制、反馈电路简单、响应速度快、成本低且易于集成，并且可以同时解决电流变化时间点不同以及斜率不同引起的不均流问题。此外，本发明所设计的反馈回路同时适用于电流上升和下降瞬态过程中的均流。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。