功率开关器件驱动电路及电力电子设备论文和设计-金茜

全文摘要

本实用新型实施例提供了一种功率开关器件驱动电路及电力电子设备，所述功率开关器件驱动电路一种功率开关器件驱动电路，包括控制电路以及驱动芯片，其中：所述控制电路用于生成控制信号，所述驱动芯片集成有第一隔离单元和第二隔离单元；其中：所述第一隔离单元根据第一原边子电路从所述控制电路接收的所述控制信号生成驱动信号，并通过第一副边子电路输出到功率开关器件的控制端；所述第二隔离单元根据第二原边子电路从所述功率开关器件接收的反馈电平生成反馈信号，并通过第二副边子电路输出到所述控制电路。本实用新型实施例通过驱动电源直接驱动功率开关器件，省去了隔离传输电路，可有效降低整个驱动电路的成本、减小面积。

主设计要求

1.一种功率开关器件驱动电路，其特征在于，包括控制电路以及驱动芯片，其中：所述控制电路用于生成控制信号，所述驱动芯片集成有第一隔离单元和第二隔离单元；其中：所述第一隔离单元包括第一原边子电路和第一副边子电路，且所述第一隔离单元根据所述第一原边子电路从所述控制电路接收的所述控制信号生成驱动信号，并通过所述第一副边子电路输出到功率开关器件的控制端；所述第二隔离单元包括第二原边子电路和第二副边子电路，且所述第二隔离单元根据所述第二原边子电路从所述功率开关器件接收的反馈电平生成反馈信号，并通过所述第二副边子电路输出到所述控制电路。

设计方案

1.一种功率开关器件驱动电路，其特征在于，包括控制电路以及驱动芯片，其中：所述控制电路用于生成控制信号，所述驱动芯片集成有第一隔离单元和第二隔离单元；其中：

所述第一隔离单元包括第一原边子电路和第一副边子电路，且所述第一隔离单元根据所述第一原边子电路从所述控制电路接收的所述控制信号生成驱动信号，并通过所述第一副边子电路输出到功率开关器件的控制端；

所述第二隔离单元包括第二原边子电路和第二副边子电路，且所述第二隔离单元根据所述第二原边子电路从所述功率开关器件接收的反馈电平生成反馈信号，并通过所述第二副边子电路输出到所述控制电路。

2.根据权利要求1所述的功率开关器件驱动电路，其特征在于，所述控制电路生成的控制信号为方波信号，且所述第一隔离单元的工作频率是所述方波信号频率的100倍以上。

3.根据权利要求2所述的功率开关器件驱动电路，其特征在于，所述第一隔离单元包括变压器，所述第一原边子电路包括第一开关管和第二开关管，所述第一开关管和第二开关管串联连接在所述变压器的原边线圈的两个连接端子之间，且所述第一开关管和第二开关管的连接点连接参考地，所述第一开关管和第二开关管根据来自所述控制电路的控制信号驱动；所述变压器的原边线圈的中间抽头连接到所述驱动芯片的供电引脚。

4.根据权利要求3所述的功率开关器件驱动电路，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管分别为N沟道增强型金属-氧化物半导体场效应晶体管，其中：所述第一开关管的漏极连接到所述变压器的原边线圈的一个连接端子，所述第二开关管的漏极连接到所述变压器的原边线圈的另一个连接端子，所述第一开关管和第二开关管的源极分别连接参考地，且输入所述第一开关管和第二开关管的栅极的信号互补。

5.根据权利要求2所述的功率开关器件驱动电路，其特征在于，所述第一原边子电路包括四个第三开关管，所述四个第三开关管连接成H桥直流斩波器，且所述四个第三开关管分别根据来自所述控制电路的控制信号驱动。

6.根据权利要求2所述的功率开关器件驱动电路，其特征在于，所述第一原边子电路包括两个第四开关管，所述两个第四开关管连接成半桥直流斩波器，且所述两个第四开关管分别根据来自所述控制电路的控制信号驱动。

7.根据权利要求2所述的功率开关器件驱动电路，其特征在于，所述第一副边子电路包括滤波元件，并通过所述滤波元件将高频脉冲形式的驱动信号转换为方波形式的驱动信号；所述第一副边子电路向所述功率开关器件输出方波形式的驱动信号。

8.根据权利要求1所述的功率开关器件驱动电路，其特征在于，所述控制电路生成的控制信号为高频脉冲波，所述第一隔离单元直接将所述高频脉冲波转换为与所述高频脉冲波具有相同波形的驱动信号。

9.根据权利要求8所述的功率开关器件驱动电路，其特征在于，所述功率开关器件驱动电路还包括用于采样功率开关器件的输出电流的采样单元，所述第二原边子电路包括电流反馈元件，并通过所述电流反馈元件从所述采样单元获取采样的电流信号；所述第二隔离单元根据所述采样的电流信号生成反馈信号并通过第二副边子电路传输到所述控制电路，所述控制电路根据所述反馈信号调整所述高频脉冲波的占空比。

10.一种电力电子设备，其特征在于，包括功率开关器件以及如权利要求1-9中任一项所述的功率开关器件驱动电路，且所述功率开关器件驱动电路的输出端连接到所述功率开关器件的控制端。

设计说明书

技术领域

本实用新型实施例涉及功率开关器件领域，更具体地说，涉及一种功率开关器件驱动电路及电力电子设备。

背景技术

随着社会工业化的发展，因具有工作频率高、开关损耗小、元件容器大等优点，大功率开关器件，例如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)、SiC-MOSFET(碳化硅场效应晶体管)等已被广泛应用。

如图1所示，目前的大功率开关器件的驱动控制部分主要包括驱动电源1和驱动电路2。其中驱动电源1实现了电能的隔离传递，其输出以大功率开关器件3的输出端(例如IGBT的发射级)为参考地的电平，同时提供驱动大功率开关器件3所需要的能量；驱动电路2实现了控制信号的隔离传递，从控制器，如MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)，DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理器)等发出的控制信号，并通过磁隔离，光隔离等方式，传递到大功率开关器件的控制极(例如IGBT的门极)驱动侧。

不仅如此，为了实现对功率开关器件的保护，驱动电路2常包括驱动芯片21和控制电路22，并通过驱动芯片21实现对功率开关器件3的保护。如图2所示，驱动芯片21内部一般设有两个隔离电路，即保护信号隔离电路211和驱动信号隔离电路212，其中保护信号隔离电路211实现了功率开关器件3的控制端监控信号、Desat(Desaturation，去饱和)保护信号、错误反馈信号等多种保护信号的低压侧和高压侧之间的传递；驱动信号隔离电路212实现了控制电路22发出的驱动信号从低压侧到高压侧(即功率开关器件3的控制器端)的传递。驱动芯片2的驱动信号输出一般会接有推挽电路，实现驱动信号能力的放大，而驱动功率开关器件开关动作的能量来自驱动电源1。

然而，在上述功率开关器件的驱动控制电路中，由于包括驱动电源1、保护信号隔离电路211、驱动信号隔离电路212三个隔离电路，导致整体成本较高、体积较大。

实用新型内容

本实用新型实施例针对上述功率开关器件的驱动电路中由于包括驱动电源、保护信号隔离电路、驱动信号隔离电路三个隔离电路，导致整体成本较高、体积较大的问题，提供一种新的功率开关器件驱动电路及电力电子设备。

本实用新型实施例解决上述技术问题的技术方案是，提供一种功率开关器件驱动电路，其特征在于，包括控制电路以及驱动芯片，其中：所述控制电路用于生成控制信号，所述驱动芯片集成有第一隔离单元和第二隔离单元；其中：

优选地，所述控制电路生成的控制信号为方波信号，且所述第一隔离单元的工作频率是所述方波信号频率的100倍以上。

优选地，所述第一隔离单元包括变压器，所述第一原边子电路包括第一开关管和第二开关管，所述第一开关管和第二开关管串联连接在所述变压器的原边线圈的两个连接端子之间，且所述第一开关管和第二开关管的连接点连接参考地，所述第一开关管和第二开关管根据来自所述控制电路的控制信号驱动；所述变压器的原边线圈的中间抽头连接到所述驱动芯片的供电引脚。

优选地，所述第一开关管和第二开关管分别为N沟道增强型金属-氧化物半导体场效应晶体管，其中：所述第一开关管的漏极连接到所述变压器的原边线圈的一个连接端子，所述第二开关管的漏极连接到所述变压器的原边线圈的另一个连接端子，所述第一开关管和第二开关管的源极分别连接参考地，且输入所述第一开关管和第二开关管的栅极的信号互补。

优选地，所述第一原边子电路包括四个第三开关管，所述四个第三开关管连接成H桥直流斩波器，且所述四个第三开关管分别根据来自所述控制电路的控制信号驱动。

优选地，所述第一原边子电路包括两个第四开关管，所述两个第四开关管连接成半桥直流斩波器，且所述两个第四开关管分别根据来自所述控制电路的控制信号驱动。

优选地，所述第一副边子电路包括滤波元件，并通过所述滤波元件将高频脉冲形式的驱动信号转换为方波形式的驱动信号；所述第一副边子电路向所述功率开关器件输出方波形式的驱动信号。

优选地，所述控制电路生成的控制信号为高频脉冲波，所述第一隔离单元直接将所述高频脉冲波转换为与所述高频脉冲波具有相同波形的驱动信号。

优选地，所述功率开关器件驱动电路还包括用于采样功率开关器件的输出电流的采样单元，所述第二原边子电路包括电流反馈元件，并通过所述电流反馈元件从所述采样单元获取采样的电流信号；所述第二隔离单元根据所述采样的电流信号生成反馈信号并通过第二副边子电路传输到所述控制电路，所述控制电路根据所述反馈信号调整所述高频脉冲波的占空比。

本实用新型实施例还提供一种电力电子设备，包括功率开关器件以及如上任一项所述的功率开关器件驱动电路，且所述功率开关器件驱动电路的输出端连接到所述功率开关器件的控制端。

本实用新型实施例的功率开关器件驱动电路及电力电子设备，通过将驱动电源与驱动信号隔离电路集成到驱动芯片的第一隔离单元，可有效降低整个驱动电路的成本、减小面积。并且，本实用新型通过高频脉冲形式驱动功率开关器件，可以降低驱动信号传输错误率以及减小隔离变压器的体积。

本实用新型实施例还可由控制电路直接生成脉冲宽度调制信号形式的控制信号，从而可省去驱动芯片中开关管的高频控制结构。此外，本实用新型实施例还可根据功率开关器件的实际工况，灵活调整驱动信号的电压和驱动信号的形式，降低功率开关器件的开关损耗。

附图说明

图1是现有功率开关器件驱动控制方案的示意图；

图2是现有功率开关器件驱动控制方案中驱动电路的示意图；

图3是本实用新型实施例提供的功率开关器件驱动电路的示意图；

图4是本实用新型实施例提供的功率开关器件驱动电路中控制信号和驱动电压的波形示意图；

图5是本实用新型实施例提供的功率开关器件驱动电路中第一隔离单元的示意图；

图6是本实用新型另一实施例提供的功率开关器件驱动电路的示意图；

图7是本实用新型又一实施例提供的功率开关器件驱动电路的示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图3所示，是本实用新型实施例提供的功率开关器件驱动电路的示意图，该功率开关器件驱动电路可应用于逆变器、开关电源等电力电子设备中的功率开关器件(例如IGBT、SiC-MOSFET等)的驱动。本实施例的功率开关器件驱动电路包括控制电路41、驱动芯片42。

控制电路41具体可由控制芯片(例如MCU、DSP等)及外围电路构成，其可根据来自上位机的控制指令、功率开关管的反馈状态或相关设备的运行状态等生成控制信号。该控制电路41的控制信号输出端连接到驱动芯片42的控制信号输入引脚，并将其生成的控制信号输出到驱动芯片42的控制信号输入引脚。上述控制信号通常为如图4所示的方波V_{con<\/sub>。}

驱动芯片42具有驱动信号输出引脚，且该驱动信号输出引脚可连接到功率开关器件3的控制端(例如IGBT的栅极或碳化硅场效应管的门极)，且该驱动芯片42可根据控制信号输入引脚的信号(即控制电路41输出的控制信号)生成驱动信号，并将该驱动信号输出到功率开关器件3的控制端，从而实现功率开关器件3的通断控制。

具体地，该驱动芯片42集成有第一隔离单元421和第二隔离单元422。上述第一隔离单元421包括第一原边子电路4211和第一副边子电路4212，其中第一原边子电路4211连接到该驱动芯片42的控制信号输入引脚、第一副边子电路4212连接到该驱动芯片42的驱动信号输出引脚，且该第一隔离单元421根据第一原边子电路4211从控制信号输入引脚接收的控制信号生成驱动信号，并通过第一副边子电路4212输出到功率开关器件3的控制端。第二隔离单元422包括第二原边子电路4221和第二副边子电路4222，其中第二原边子电路4221通过驱动芯片42的反馈电压输入引脚连接到功率开关器件、第二副边子电路4222则通过驱动芯片42的反馈信号输出引脚连接到控制电路41，且该第二隔离单元422根据第二原边子电路4221从功率开关器件3接收的反馈电平生成反馈信号，并通过第二副边子电路4222输出到控制电路41，从而实现功率开关器件的Desat保护、ASC保护(主动短路保护)等多种保护。在实际应用中，第二隔离单元422还从控制电路41获取使能信号、复位信号等控制信号，以控制驱动芯片42运行。

上述功率开关器件驱动电路通过将驱动电源与驱动信号隔离电路集成到驱动芯片42的第一隔离单元421，可有效降低整个驱动电路的成本、减小面积。

特别地，上述控制电路41生成的控制信号为方波信号，且驱动芯片42中的第一隔离单元421的工作频率远大于控制电路41生成的控制信号的频率，例如第一隔离单元421的工作频率大于控制电路41生成的控制信号的频率的100倍以上。这样，第一隔离单元421生成的驱动信号的频率远大于控制电路41生成的控制信号的频率，如图4所示，在控制信号V_{con<\/sub>为高电平期间，驱动信号V_{dri<\/sub>开关次数较多，这样，即使存在传输中丢波的工况，对最终的驱动信号影响很小，从而有效降低驱动信号传输错误率。此外，上述驱动信号的自身的占空比可以根据需要调节，从而达到优化功率开关器件3的驱动信号的波形，以减小功率开关器件3的开关损耗的目的。}}

如图5所示，在本实用新型的一个实施例中，第一隔离单元421包括变压器T，且来自控制电路41的控制信号经由第一原边子电路4211连接到变压器T的原边线圈，该驱动芯片42的驱动信号输出引脚则经由第一副边子电路4212连接到该变压器T的副边线圈。上述第一隔离单元421的输入、输出电压由变压器T的原副边线圈的变比决定，可采用开环控制。

优选地，上述第一隔离单元421可包括推挽电路，即第一原边子电路4211包括第一开关管Q1和第二开关管Q2，其中第一开关管Q1和第二开关管Q2串联连接在变压器T的原边线圈的两个连接端子之间，第一开关管Q1和第二开关管Q2的连接点连接参考地，第一开关管Q1和第二开关Q2的控制端分别连接控制芯片(该控制芯片的频率即为第一隔离单元421的工作频率)，且该控制芯片根据控制信号实现第一开关管Q1和第二开关Q2的通断控制。并且，驱动芯片42的供电引脚连接到变压器T的原边线圈的中间抽头。由于推挽电路的漏感以及铜阻损耗都较小，因此第一隔离单元421的工作效率较高。

特别地，上述第一原边子电路4211中的第一开关管Q1和第二开关管Q2可分别采用N沟道增强型金属-氧化物半导体场效应晶体管，其中：第一开关管Q1的漏极连接到变压器T的原边线圈的一个连接端子，第二开关管Q2的漏极连接到变压器T的原边线圈的另一个连接端子，第一开关管Q1和第二开关管Q2的源极分别连接参考地，第一开关管Q1和第二开关管A2的栅极分别连接控制芯片的信号输出端，且输入第一开关管Q1和第二开关管Q2的栅极的电平互补(即在第一开关管Q1的栅极为低电平时，第二开关管Q2的栅极为高电平；在第一开关管Q1的栅极为高电平时，第二开关管Q2的栅极为低电平)。

上述第一副边子电路4212可包括二极管D_{s1<\/sub>，且二极管D_{s1<\/sub>的阴极连接变压器T的副边线圈的一端、阳极连接驱动芯片42的驱动信号输出引脚。此外，第一副边子电路4212还可包括电容C_{s1<\/sub>，从而吸收驱动信号中的尖刺，提高驱动信号的质量。}}}

在本实用新型的另一实施例中，上述第一隔离电路421可通过全桥斩波方式生成驱动信号，即第一原边子电路4211包括四个第三开关管，该四个第三开关管连接成H桥直流斩波器，且四个第三开关管的控制端分别连接控制芯片，并由控制芯片分别根据来自控制电路41的控制信号驱动。

此外，上述第一隔离电路421可通过半桥斩波方式生成驱动信号，即第一原边子电路4211包括两个第四开关管，该两个第四开关管连接成半桥直流斩波器，且两个第四开关管的控制端分别连接控制芯片，并由控制芯片分别根据来自控制电路41的控制信号驱动。

如图6所示，是本实用新型另一实施例提供的功率开关器件驱动电路的示意图。与图3所示的实施例相同，本实施例的功率开关器件驱动电路同样包括控制电路41、驱动芯片42，驱动芯片42内集成有第一隔离单元421和第二隔离单元422，且第一隔离单元421包括第一原边子电路4211和第一副边子电路4212。并且，上述第一副边子电路4212包括滤波元件，该滤波元件用于将高频脉冲形式的驱动信号转换为方波形式的驱动信号，从而使得功率开关器件驱动电路可兼容高频和低频的功率开关器件3的驱动控制。

如图7所示，是本实用新型又一实施例提供的功率开关器件驱动电路的示意图。本实施例的功率开关器件驱动电路包括控制电路41、驱动芯片42，驱动芯片42内集成有第一隔离单元421和第二隔离单元422，且第二隔离单元422包括第二原边子电路4221和第二副边子电路4222。

与图3、图6所示的实施例不同，上述控制电路41内集成有高频斩波功能，即控制电路41生成的控制信号为高频脉冲波。此时，驱动芯片42的第一隔离单元421无需设置开关管和控制芯片，只需将高频脉冲波转换为与输入的高频脉冲波具有相同波形的驱动信号即可，相对于图3的实施例，可省去驱动芯片42中的控制芯片，减少驱动芯片42的计算量。

此外，上述功率开关器件驱动电路还可包括用于采样功率开关器件3的输出电流的采样单元(该采样单元独立于驱动芯片42)，相应地，第二原边子电路4221包括电流反馈元件，并通过电流反馈元件从采样单元获取采样的电流信号。并且，第二隔离单元422将电流反馈元件获取的电流信号转为反馈信号，并通过第二副边子电路4222传输到控制电路41，使控制电路41根据反馈信号调整脉冲宽度调制信号的高频脉冲的占空比，实现驱动电压的闭环控制，优化驱动电压值，实现根据实际工况减小功率开关器件3开关损耗的效果。

本实用新型实施例还提供一种电力电子设备，该电力电子设备可为电动汽车中的逆变器、开关电源等，且该电力电子设备包括功率开关器件以及如上任一项所述的功率开关器件驱动电路，且所述功率开关器件驱动电路的驱动信号输出引脚连接到所述功率开关器件的控制端。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

设计图

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主设计要求

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