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。
技术实现要素：
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。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案的基本构思是：
首先，本发明提供一种有源栅极驱动控制电路，其特征在于，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(如igbt集电极电流或mosfet漏极电流)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。
根据本发明的实施例，所述主动控制模块包括：
开通控制单元，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上升速率，其输出端连接所述驱动输出模块的控制端，用于在功率半导体模块的开通过程中，当功率半导体模块的功率电流上升速率大于上升速率的预设阈值时，从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中抽取电流，以降低功率半导体模块的功率电流上升速率。
根据本发明的实施例，所述主动控制模块还包括：
关断控制单元，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下降速率，其输出端连接所述驱动输出模块的控制端，用于在功率半导体模块的关断过程中，当功率半导体模块的功率电流下降速率大于下降速率的预设阈值时，向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中注入电流，以降低功率半导体模块的功率电流下降速率。
根据本发明的实施例，所述开通控制单元从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中抽取电流的强度与所述功率电流上升速率成正比。
根据本发明的实施例，所述关断控制单元向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中注入电流的强度与所述功率电流下降速率成正比。
根据本发明的实施例，所述主动控制模块还包括：
使能控制单元，其输入端接收驱动信号，其输出端连接所述关断控制单元的控制端，用于在功率半导体模块的开通过程中，使得所述关断控制单元保持非工作状态。
根据本发明的实施例，所述驱动输出模块包括晶体管图腾柱。
根据本发明的实施例，所述驱动输出模块还包括在所述晶体管图腾柱前增加的一级贝卡箝位晶体管。
此外，本发明还提供一种有源栅极驱动控制方法，包括：
输出驱动信号以驱动功率半导体模块进行开关动作；
检测功率半导体模块的功率电流变化率，并将所检测的功率电流变化率与预设阈值进行比较；
根据所检测的电流变化率与预设阈值的比较结果，调节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。
根据本发明的实施例，根据所检测的功率电流变化率与预设阈值的比较结果，调节提供给功率半导体模块的栅极控制端的电流的步骤包括：
当功率半导体模块的功率电流上升速率大于上升速率的预设阈值时，从提供给功率半导体模块的栅极控制端的电流中抽取电流，以降低功率半导体模块的功率电流上升速率；
当功率半导体模块的功率电流下降速率大于下降速率的预设阈值时，向提供给功率半导体模块的栅极控制端的电流中注入电流，以降低功率半导体模块的功率电流下降速率。
根据本发明的实施例，抽取电流的强度与所述功率电流上升速率成正比；注入电流的强度与所述功率电流下降速率成正比。
采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
1)本发明使用相对传统的恒压源阻控型驱动输出模块，并配置为较小的驱动电阻，以增加开关速度；在功率半导体模块的功率电流(如igbt集电极电流或mosfet漏极电流)变化速率超过预设阈值(可能因为器件损坏导致)时，采用主动控制技术对功率电流变化速率进行负反馈闭环线性调控。其中，驱动输出模块属于开环控制，电路简单，无闭环不稳定的问题，并且较小的驱动电阻能够显著地加快开关速度；主动控制单元为闭环控制，能够较为准确地将功率电流变化率控制在预设阈值范围内，在预设阈值以下不进行闭环控制，仅在超过预设阈值时触发工作，能够有效避免由轻微的电流波形振荡所引起的不稳定问题，使得稳定性的设计难度与全闭环控制相比大大降低，最终能够以较为简单的电路实现对开关过程的优化，保证了可靠性，降低了开关损耗。
2)本发明的实施例采用传统的晶体管图腾柱前增加一级由贝卡箝位(bakerclamp)晶体管构成驱动输出模块，能够显著提高响应速度。
3)本发明的实施例利用稳压管齐纳电压设计电流变化速率阈值电路，简单、有效，并且制造成本低。
4)本发明的实施例利用晶体管和电阻电容等被动元件构成主动控制模块，根据发射极(或源极)感应电压向驱动输出模块注入/抽取电流，实现对功率半导体模块功率电流变化负反馈的控制电路，简单、有效，并且制造成本低。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
附图说明
附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：
图1是在igbt模块的发射极输出端的寄生杂散电感的等效电路图；
图2是根据本发明的有源栅极驱动控制电路的组成示意图；
图3是根据本发明实施例的有源栅极驱动控制电路的详细的组成示意图；
图4是图3所示的有源栅极驱动控制电路的驱动控制方法的工作流程图；
图5是根据本发明的驱动输出模块的实施例一的电路图；
图6是根据本发明的驱动输出模块的实施例二的电路图；
图7是根据本发明的开通控制单元的实施例一的电路图；
图8是根据本发明的关断控制单元和使能控制单元的实施例一的电路图；
图9是根据本发明的开通控制单元的实施例二的电路图；
图10是根据本发明的关断控制单元和使能控制单元的实施例二的电路图；
图11是根据本发明的开通控制单元的实施例三的电路图；
图12是根据本发明的关断控制单元和使能控制单元的实施例三的电路图；
图13是根据本发明的开通控制单元的实施例四的电路图；
图14是根据本发明的关断控制单元和使能控制单元的实施例四的电路图；
图15是根据本发明的使能控制单元的另一实施例的电路图；
图16是根据本发明的开通控制单元的实施例五的电路图；
图17是根据本发明的关断控制单元和使能控制单元的实施例五的电路图；
图18是根据本发明的有源栅极驱动控制电路的实施例一的电路图；
图19是根据本发明的有源栅极驱动控制电路的实施例二的电路图；
图20是根据本发明的有源栅极驱动控制电路的实施例三的电路图。
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，下面以igbt功率半导体模块为例，结合实施例及其附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应当说明的是，在下文中，所有的电流变化率中的电流均指的是功率半导体模块的功率电流，即例如igbt的集电极电流或mosfet的漏极电流，该电流不同于功率半导体模块栅极控制端的控制电流。
在igbt功率半导体模块的集电极电流ic变化时，会在igbt功率半导体模块的发射极的寄生杂散电感le上感应出电压vee，其关系如下式所示：
vee＝-le·dic/dt
由此，igbt功率半导体模块的电流变化速率可以借助图1所示的发射极杂散电感的感应电压来反映。
根据igbt功率半导体模块工作的基本原理，其集电极功率电流变化率在开关过程中由栅极电流ig控制，其关系如下式所示：
dic/dt≈ig·gm/cies
其中，gm和cies分别是igbt功率半导体模块自身的特征参数跨导和输入电容。
基于上述原理，本发明提出一种如图2所示的有源栅极驱动控制电路。该电路主要由驱动输出模块110和主动控制模块120构成。其中，驱动输出模块110负责根据驱动输入信号正向驱动igbt功率半导体模块进行开关工作，降低开关延迟，提高开关速度和效率；主动控制模块120通过检测杂散电感的感应电压值来获知电流变化速率，并具有设置电流变化速率阈值的功能。当电流变化速率超出预设阈值范围时，主动控制模块120对驱动输出模块110进行调节控制，向驱动输出模块110提供给igbt功率半导体模块栅极控制端注入/抽取栅极电流，形成对igbt功率半导体模块的电流变化速率的负反馈控制，最终将电流变化速率限制在预设阈值的范围内，确保电路安全可靠地工作。
具体地，如图3所示，主动控制模块120包括开通控制单元121、关断控制单元122和使能控制单元123。其中，
开通控制单元121的输入端连接igbt模块的发射极输出端，用于检测igbt模块的电流上升速率，开通控制单元121的输出端连接驱动输出模块110的控制端，用于在igbt的开通过程中，当igbt模块的电流上升速率大于电流上升速率的预设阈值时，从驱动输出模块110提供给igbt模块的栅极控制端的电流中抽取电流，以降低igbt模块的电流上升速率；
关断控制单元122的输入端连接igbt模块的发射极输出端，用于检测igbt模块的电流下降速率，关断控制单元122的输出端连接驱动输出模块110的栅极控制端，用于在igbt模块的关断过程中，当igbt模块的电流下降速率大于电流下降速率的预设阈值时，向驱动输出模块110提供给igbt模块的栅极控制端的电流中注入电流，以降低igbt模块的电流下降速率。
此外，为避免在开通过程中由于二极管反向恢复过程产生的电流下降(即-di/dt)错误地启动关断控制单元122，主动控制模块120还优选地包含由驱动输入信号控制的使能控制单元123。该使能控制单元123的输入端接收驱动信号，该使能控制单元123的输出端连接关断控制单元122的控制端，用于在igbt模块的开通过程中，使关断控制单元122保持非工作状态。当然，其他各种能够实现这种功能的电路也是可行的。
图4显示了上述有源栅极驱动控制电路的驱动控制方法的工作流程图。其中，
s10，输出驱动信号以驱动功率半导体模块进行开关动作；
s20，检测功率半导体模块的功率电流变化率，并将所检测的功率电流变化率与预设阈值进行比较；
s30，根据所检测的电流变化率与预设阈值的比较结果，调节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。
该方法的具体工作过程如下：
在igbt模块的开通过程，驱动输出模块110根据驱动输入信号控制igbt模块快速地开通。期间，开通控制单元121通过igbt模块发射极杂散电感电压感应igbt模块的电流上升速率。若igbt模块的电流上升速率超过电流上升速率的预设阈值，则激活开通控制单元121，使其从驱动输出模块110提供给igbt模块栅极控制端的电流中抽取电流来减缓开通速度。抽取电流的强度与电流上升变化的速率成正比例关系。
在igbt模块的关断过程，驱动输出模块110根据驱动输入信号控制igbt模块快速地关断。期间，关断控制单元122通过igbt模块发射极杂散电感电压感应igbt模块的电流下降速率，若igbt模块的电流下降速率超过电流下降速率的预设阈值，则激活关断控制单元122，使其向驱动输出模块110提供给igbt模块栅极控制端的电流中注入电流来减缓关断速度。注入电流的强度与电流下降变化的速率成正比例关系。
下面以实施例的方式来详细描述各模块的具体电路组成。
驱动输出模块11可以由晶体管图腾柱组成(如图5所示)，其上下各包括一个晶体管，上管q53为npn型晶体管，c极(集电极)接正电源，下管q54为pnp型晶体管，c极(集电极)接地。两个b极(基极)接在一起，通过电阻r411接收输入信号，上管q53和下管q54的e极(发射极)分别通过电阻r410和r412连接到igbt的栅极控制端。
当然，驱动输出模块11还可以有其它多种实现形式。例如，驱动输出模块11也可以通过在上述晶体管图腾柱前增加一级由贝卡箝位(bakerclamp)晶体管来构成(如图6所示)。这样不仅能够增大整体驱动输出模块11的电流放大系数，而且还可以在二极管d77和d78的箝位下，大幅提高新增的图腾柱的晶体管开关响应速度。
图7显示了开通控制单元121的一种电路结构。其中，稳压管d110用于设置激活阈值，开通电流变化时vee<0，其绝对值越大表明电流变化速率越大。晶体管q57的基极的电压由r415和r418分压得到:
当稳压管d110的阴极到q57的基极的电压差大于q57的发射极-基极电压与d110的齐纳电压之和时，q57开始导通而向q56基极注入电流，进而使q56导通，q56通过d112将驱动输出单元的驱动控制点电压下拉，降低开通速度，从而实现主动控制。
因此，可以根据下式确定开通控制单元121激活主动控制的阈值电压：
vref-vb＝veb vz
由此，可以获得开通控制单元121激活主动控制的电流变化速率的预设阈值：
其中，vref一般为5v。
图8显示了关断控制单元122和使能控制单元123的一种具体实现形式。其中，稳压管d100用于设置激活阈值，关断电流变化时vee>0，绝对值越大表明电流变化速率越大。晶体管q51的基极的电压由r407和r408分压得到:
当q51的基极电压大于q51的基极-发射极电压与d100的齐纳电压之和时，q51开始导通而从q50基极抽取电流，进而使q50导通，q50通过d103将驱动输出单元的驱动控制点电压上拉，降低关断速度，实现主动控制。
因此，可以根据下式确定关断控制单元122激活主动控制的阈值电压：
vb＝vbe vz
由此，可以获得关断控制单元122激活主动控制的电流变化速率的预设阈值：
r409、r405和q49则构成使能功能模块123。在igbt模块开通时q49导通，将q51的基极电压箝位在接近0v，进而将关断控制单元122保持于非激活的工作状态。
当然，上述开通控制单元121、关断控制单元122和使能控制单元123还有其它多种实现形式，例如，可以直接去掉各单元中用于设置阈值的稳压管，利用反馈控制的延时和达到稳定前的响应时间来设置阈值。又例如，如图9和图10所示，可以将图7中的稳压管d110和图8中的稳压管d100分别换到相应晶体管的基极放置。又或者，如图11和图12所示，可以将图7中的稳压管d110、晶体管q57和图8中的稳压管d100、晶体管q51分别用mosfet替代，并利用mosfet栅极开通阈值电压，或者利用mosfet栅极阈值电压与vref的和作为激活主动控制的阈值电压。又或者，如图13和图14所示，可以将图7中的晶体管q56和图8中的晶体管q50采用mosfet替代。又或者，如图15所示，将图8中的使能单元由晶体管q51处换到晶体管q50处。又或者，如图16和图17所示，在图7和图8的电路中增加一些非必要的电阻。
图18至图20显示了包含上述驱动输出模块11和主动控制模块12的有源栅极驱动控制电路的三个实施例。
本发明提供的栅极驱动控制电路及控制方法能够利用简单的易实现的电路实现电流变化速度的优化控制，在保证功率模块(即使是工作在最坏工况下)的开关过程都在soa内的前提下，降低开关时间和开关损耗，保证安全可靠性并提高开关效率。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。
1.一种有源栅极驱动控制电路，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述的有源栅极驱动控制电路，其特征在于，所述主动控制模块包括：
开通控制单元，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上升速率，其输出端连接所述驱动输出模块的控制端，用于在功率半导体模块的开通过程中，当功率半导体模块的功率电流上升速率大于上升速率的预设阈值时，从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中抽取电流，以降低功率半导体模块的功率电流上升速率。
3.根据权利要求1或2所述的有源栅极驱动控制电路，其特征在于，所述主动控制模块包括：
关断控制单元，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下降速率，其输出端连接所述驱动输出模块的控制端，用于在功率半导体模块的关断过程中，当功率半导体模块的功率电流下降速率大于下降速率的预设阈值时，向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中注入电流，以降低功率半导体模块的功率电流下降速率。
4.根据权利要求2所述的有源栅极驱动控制电路，其特征在于：
所述开通控制单元从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中抽取电流的强度与所述功率电流上升速率成正比。
5.根据权利要求3所述的有源栅极驱动控制电路，其特征在于：
所述关断控制单元向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中注入电流的强度与所述功率电流下降速率成正比。
6.根据权利要求3所述的有源栅极驱动控制电路，其特征在于，所述主动控制模块还包括：
使能控制单元，其输入端接收所述驱动信号，其输出端连接所述关断控制单元的控制端，用于在功率半导体模块的开通过程中，使得所述关断控制单元保持非工作状态。
7.根据权利要求1所述的有源栅极驱动控制电路，其特征在于，
所述驱动输出模块包括晶体管图腾柱。
8.根据权利要求7所述的有源栅极驱动控制电路，其特征在于，所述驱动输出模块还包括在所述晶体管图腾柱前增加的一级贝卡箝位晶体管。
9.一种有源栅极驱动控制方法，包括：
输出驱动信号以驱动功率半导体模块进行开关动作；
检测功率半导体模块的功率电流变化率，并将所检测的功率电流变化率与预设阈值进行比较；
根据所检测的电流变化率与预设阈值的比较结果，调节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。
10.根据权利要求9所述的有源栅极驱动控制方法，其特征在于，根据所检测的功率电流变化率与预设阈值的比较结果，调节提供给功率半导体模块的栅极控制端的电流的步骤包括：
当功率半导体模块的功率电流上升速率大于上升速率的预设阈值时，从提供给功率半导体模块的栅极控制端的电流中抽取电流，以降低功率半导体模块的功率电流上升速率；
当功率半导体模块的功率电流下降速率大于下降速率的预设阈值时，向提供给功率半导体模块的栅极控制端的电流中注入电流，以降低功率半导体模块的功率电流下降速率。
技术总结