[发明专利]一种感性负载下MOSFET开关控制方法

说明书

本发明涉及一种感性负载下MOSFET开关控制方法，以改善感性负载下MOSFET器件开关过程中的损耗问题和关断尖峰问题。本发明包括一个控制信号模块，一个栅极电阻切换模块，一个负感性载模块以及一个开关器件。其特征在于，控制信号模块输出控制信号到栅极电阻切换模块，栅极电阻切换模块在不同的控制信号下采取适当的栅极电阻组合控制开关器件导通、关闭，最终达到降低开关损耗，抑制电压和电流的振荡和过冲的目的。

技术领域

本发明涉及一种开关器件控制方法，尤其是涉及一种感性负载下MOSFET开关控制方法。

背景技术

近年来，随着电力电子技术的不断发展，功率半导体开关器件MOSFET在越来越多的场合得到了应用。由于工业现场存在着大量的感性负载，如交、直流继电器、接触器、变压器和交直流电磁铁等，当对其进行投切操作时，会在电感线圈的两端产生极高的电压和电流的振荡及过冲，威胁系统的安全运行。此外，功率半导体开关器件的开关损耗在总损耗中也占了很大比重。

因此，随着对开关频率的要求越来越高，感性负载下MOSFET的开关损耗以及过压、过流的优化问题显得越来越重要。通过增加开关速度可以有效的降低损耗，但随开关速度增加产生的过压、过流尖峰又会影响系统的稳定性以及安全性。故提出一种有效的MOSFET开关控制方法对节约能源、器件保护和效率提高都有很强的意义。

在现有技术中，通常采用改变栅极驱动回路来改善感性负载下开关损耗和电压电流过冲问题。有文章提出，采用一个串联于栅极的外接电阻来对MOSFET开关时间进行控制，从而改善感性负载下MOSFET控制效果。如图2示出，该方法包括一个外接栅极电阻R，一个被控开关器件N沟道MOSFET管Q，一个感性负载L。PWM控制信号输出高电平时，Q导通，感性负载L接通；PWM控制信号输出低电平时，Q关闭，感性负载L关断；由于MOSFET开关速度可以由栅极电阻R调整，因此可以通过调节R的大小来改善开关性能。但是栅极电阻过大会增加开关损耗，过小又会产生电压电流过冲，因此电压电流过冲与开关损耗两个问题很难折中。

在上述技术基础上，又有文章提出了多电阻导通关断法。如图3示出，该方法包括一个外接栅极开通电阻Ron，一个外接栅极关断电阻Roff，一个二极管D，一个被控开关器件N沟道MOSFET，一个感性负载L。PWM控制信号输出高电平时，Q导通，感性负载L接通，此时仅有Ron接入电路，Roff被二极管D阻断；PWM控制信号输出低电平时，Q关闭，感性负载L关断，此时Ron、Roff并联作为栅极电阻。针对开关过程的不同，通常取Ron>Roff。这种方法一定程度上减少了开关损耗和电流过冲，但是对电压过冲抑制不明显，效果仍然不够理想。再加之MOSFET对温度敏感，在许多方法中都涉及了集成功率管模块，这就相当于引入了一个温度很高的热源，在正常工作时，集成部分的温度也会较髙，因此同时也需要考虑温度对电路以及驱动性能的影响。

发明内容

为了解决上述问题，本发明结合MOSFET开通、关闭过程作出分析。

如图4示出，MOSFET的总开通持续时间可分为四个阶段。分别是导通延迟时间（T1），负载电流上升时间（T2），漏源电压下降时间（T3）和栅极电压上升时间（T4）。由于负载电感的存在，所以漏源极电压（Vds）在T2阶段存在一定的压降；漏极电流的变化速率di/dt反映导通时间长短，漏源电压（Vds）和漏极电流（Id）波形下的面积反映开关损耗大小。di/dt可以通过减小栅极电阻来增加。 然而，由于负载回路中存在负载电感，在漏源电压下降（T3）期间，过高的di/dt将导致负载器件电流的过冲和振荡。因此，如果可以控制di/dt在T2间隔期间较快并且在T3阶段相对较慢，则可以最大程度的优化开关速度与开关损耗之间关系，成功实现MOSFET开通过程中减少开关损耗以及减小负载器件电流过冲。