开关驱动电路的制作方法

本申请是申请日为2012年08月20日、申请号为201210297466.3、发明名称为“开关驱动电路”的专利申请的分案申请。

本发明是有关于一种开关驱动电路，且特别是有关于一种用以驱动全控型功率开关元件组合的开关驱动电路。

背景技术：

在大功率电子装置(如工业电脑、服务器、电力设备等)的应用中，对产品的可靠性有着非常高的要求。通常用来衡量可靠性的指标是平均故障间隔时间(meantimebetweenfailures,mtbf)。电子装置的平均故障间隔时间越大，则其可靠性越高。

目前的电子设备的电力供应器中，通常采用光纤将控制信号传递到高压侧，来对电力供应器中的输出端高压侧的功率开关元件进行开关控制。采用光纤而不用电性连接的传递方式，可同时实现对变压模块的高压侧与低压侧之间，以及高压侧各功率开关元件之间进行电性隔离，避免其间的电力杂讯干扰。

然而，相比于系统中其他电子元件，一般来说，光纤收发器有着非常低的平均故障间隔时间，因而光纤成为整个系统可靠性提升的瓶颈。

其次，由于每一功率开关元件都需要与低压侧及同处高压侧的其他功率开关元件进行隔离，所以每个功率开关元件的驱动信号传递都需要一套光纤。因此，采用光纤进行隔离的方法，会大幅增加系统的成本和结构的复杂性。

此外，由于光纤传递会给信号带来较长的延时时间，进而导致在传送相同信号时的一致性(或同步性)较差。在对一致性要求较高的情况下，会影响功率开关元件安全可靠的工作。

采用磁隔离来代替光纤，进行驱动信号传递，实现电气隔离，可以大幅提高系统的可靠性、降低系统成本、简化系统结构、减少延时时间以及提高信号的一致性，有效解决了采用光纤隔离所带来的主要问题。

采用磁隔离传递串联开关单元驱动信号的方法，在半控型功率开关元件的串联驱动电路中曾有过应用。例如，将低压侧的驱动讯号经过串联的变压器，将具有驱动能力的触发脉冲传递到高压侧以驱动串联的多个半控型功率开关元件。较常见的半控型功率开关元件如晶闸管(siliconcontrolledrectifier,scr)。

由于半控型功率开关元件的特性，晶闸管对其驱动信号的要求为：(1)只需提供一个非常窄的脉冲触发其导通即可，无需关断信号，因半控型功率开关元件无法透过驱动讯号进行关断；以及(2)由于半控型功率开关元件的驱动讯号脉宽较窄，可同时通过脉冲变压器传递驱动信号以及驱动功率。

另一方面，全控型功率开关元件对驱动讯号的要求，与半控型功率开关元件存在许多差异，例如：(1)全控型功率开关元件的开通、关断均由驱动信号控制；(2)全控型功率开关元件在导通时需要提供一个稳定的高电压准位，在关断时通常需要提供一个稳定的低电压准位；以及(3)对于全控型功率开关器件的驱动信号脉宽会比半控型功率开关元件(如scr)采用的驱动信号来得宽，因此，在全控型功率开关器件上必须将驱动信号和驱动功率分开传递。

因此，已知技术中采用磁隔离传递半控型功率开关元件(如scr)的驱动信号的方法无法套用于全控型功率开关元件上。

技术实现要素：

为解决已知技术的问题，本发明提出了一种采用磁隔离方式传递全控型功率开关元件组合驱动信号的开关驱动电路，用以为全控型功率开关元件组合提供快速、稳定且可靠的驱动讯号。

本发明的一方面是在提供一种开关驱动电路，应用于大功率电子装置中，用以驱动包含多个全控性功率开关元件的全控型功率开关组合，该开关驱动电路包含一第一脉宽调变单元、一高压隔离脉冲变压模块以及多个输出模块。该第一脉宽调变单元用以接收一驱动输入讯号并将该驱动输入讯号转换为第一窄脉宽讯号。高压隔离脉冲变压模块包含一磁芯单元、绕设于该磁芯单元上的一一次侧绕线以及多个二次侧绕线。该一次侧绕线耦接至该第一脉宽调变单元，用以接收该第一窄脉宽信号，且在该多个二次侧绕线上感应出多个第二窄脉宽讯号。每一个该输出模块包含一第二脉宽调变单元以及一驱动功率放大单元。该第二脉宽调变单元耦接至对应的该高压隔离脉冲变压模块的该二次侧绕线，用以接收该第二窄脉宽讯号并将该第二窄脉宽讯号转换为驱动控制讯号，其中该驱动控制讯号与该驱动输入讯号之间具有一相位延迟。该驱动功率放大单元耦接于该第二脉宽调变单元与对应的该全控型功率开关元件之间，用以将该驱动控制讯号进行功率放大并产生驱动输出讯号以驱动对应的该全控型功率开关元件的导通或关闭。

根据本发明的一实施例，该多个全控型功率开关元件彼此串联，或该多个全控型功率开关元件为一单相全桥电路中一个桥臂的上管与另一桥臂的下管。

根据本发明的一实施例，每个该驱动功率放大单元输出的该驱动输出讯号的相位相同且每一个该驱动输出讯号之间彼此隔离。

根据本发明的一实施例，该驱动输入讯号为包含多个上升缘和多个下降缘的脉宽调变型讯号，该第一窄脉宽讯号包含多个正脉冲以及多个负脉冲，该正脉冲对应该驱动输入讯号的该上升缘，该负脉冲对应该驱动输入讯号的该下降缘。

根据本发明的一实施例，该驱动输出讯号具有正、负驱动电位。

根据本发明的一实施例，该驱动控制讯号为包括多个上升缘和下降缘的脉宽调变型讯号，其中，该驱动控制讯号的该上升缘对应该正脉冲的下降缘；驱动控制讯号的该下降缘对应该负脉冲的上升缘。

本发明的另一方面是在提供一种开关驱动电路，应用于大功率电子装置中，用以驱动包含多个全控型功率开关元件的全控型功率开关组合，该开关驱动电路包含一第一脉宽调变单元、一高压隔离脉冲变压模块以及多个输出模块。该第一脉宽调变单元用以接收一驱动输入讯号并将该驱动输入讯号转换为第一窄脉宽讯号。高压隔离脉冲变压模块包含多个磁芯单元、多个一次侧绕线以及多个二次侧绕线。每一该多个磁芯单元上分别绕设有该多个一次侧绕线其中之一以及该多个二次侧绕线其中之一，该多个一次侧绕线串接后耦接至该第一脉宽调变单元，用以接收该第一窄脉宽信号，且在该多个二次侧绕线上感应出多个第二窄脉宽讯号。每一个该输出模块包含一第二脉宽调变单元以及一驱动功率放大单元。该第二脉宽调变单元耦接至对应的该高压隔离脉冲变压模块的该二次侧绕线，用以接收该第二窄脉宽讯号并将该第二窄脉宽讯号转换为驱动控制讯号，其中该驱动控制讯号与该驱动输入讯号之间具有一相位延迟。驱动功率放大单元耦接于该第二脉宽调变单元与对应的该全控型功率开关元件之间，用以将该驱动控制讯号进行功率放大并产生驱动输出讯号以驱动对应的该全控型功率开关元件的导通或关闭。

根据本发明的一实施例，该多个全控型功率开关元件彼此串联，或该多个全控型功率开关元件为一单相全桥电路中一个桥臂的上管与另一桥臂的下管。

根据本发明的一实施例，每个该驱动功率放大单元输出的该驱动输出讯号的相位相同且每一个该驱动输出讯号之间彼此隔离。

根据本发明的一实施例，该驱动输入讯号为包含多个上升缘和多个下降缘的脉宽调变型讯号，该第一窄脉宽讯号包含多个正脉冲以及多个负脉冲，该多个正脉冲分别对应该驱动输入讯号中相应的该上升缘，该多个负脉冲分别对应该驱动输入讯号中相应的该下降缘。

根据本发明的一实施例，该驱动输出讯号具有正、负驱动电位。

根据本发明的一实施例，该驱动控制讯号为包括多个上升缘和下降缘的脉宽调变型讯号，其中，该驱动控制讯号的该上升缘对应该正脉冲的下降缘；驱动控制讯号的该下降缘对应该负脉冲的上升缘。

附图说明

图1绘示根据本发明的一实施例中一种开关驱动电路的功能方块图；

图2绘示根据本发明的一实施例中开关驱动电路中各讯号的波形示意图；

图3绘示根据本发明第一具体实施例中高压隔离脉冲变压模块与多个输出模块之间的架构示意图；

图4绘示根据本发明第二具体实施例中高压隔离脉冲变压模块与多个输出模块之间的架构示意图；

图5绘示根据本发明的第一操作实例中开关驱动电路以及全控型功率开关组合的示意图；

图6绘示根据本发明的第一操作实例中开关驱动电路以及全控型功率开关组合的示意图；以及

图7绘示根据本发明的第一操作实例中开关驱动电路以及全控型功率开关组合的示意图。

【主要组件符号说明】

本发明：

100：开关驱动电路

120：第一脉宽调变单元

140,140a,140b：高压隔离脉冲变压模块

142：磁芯单元

w1：一次侧绕线

w2：二次侧绕线

160：输出模块

162：第二脉宽调变单元

164：驱动功率放大单元

200,200a,200b,200c：全控型功率开关组合

202：全控型功率开关元件

204：单相全桥电路

220：驱动级

drin：驱动输入讯号

npw1、npw2：窄脉宽讯号

drcon：驱动控制讯号

drout,drout1,drout2：驱动输出讯号

具体实施方式

以下将以附图揭露本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化附图起见，一些已知惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式绘示。

请参阅图1，其绘示根据本发明的一实施例中一种开关驱动电路100的功能方块图。如图1所示，开关驱动电路100包含第一脉宽调变单元120、高压隔离脉冲变压模块140以及多个输出模块160。其中，开关驱动电路100耦接于驱动级220与全控型功率开关组合200之间，用以将驱动级220提供的驱动输入讯号drin转换为多个彼此隔离的驱动输出讯号drout，多个驱动输出讯号drout分别用以控制全控型功率开关组合200中的多个全控型功率开关元件202。于本揭示文件的实施例中，全控型功率开关元件202可为绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor,igbt)。

于本发明中为方便说明，仅示意地绘示两输出模块160以及两全控型功率开关元件202，但本揭示文件并不以两组为限，实际应用中，开关驱动电路100可包含n组输出模块160对应n个全控型功率开关元件202，其中n为2以上的正整数。

其中，开关驱动电路100通过高压隔离脉冲变压模块140在驱动输入讯号drin与驱动输出讯号drout之间进行磁隔离，避免驱动输入讯号drin与驱动输出讯号drout之间相互影响。此外，开关驱动电路100通过高压隔离脉冲变压模块140在多个驱动输出讯号drout彼此间进行磁隔离，避免驱动输出讯号drout与其他驱动输出讯号drout之间相互影响。

请一并参阅图2，其绘示根据本发明的一实施例中开关驱动电路100中各讯号的波形示意图。于图2的实施例中，驱动级220提供驱动输入讯号drin输入至开关驱动电路100的输入端，第一脉宽调变单元120耦接至开关驱动电路100的输入端。于此实施例中，驱动输入讯号drin为脉宽调变型(pulse-widthmodulation,pwm)讯号，第一脉宽调变单元120脉宽调变型的将驱动输入讯号drin转换成窄脉宽讯号npw1，其中窄脉宽讯号npw1包含多个正脉冲(如图2中的正脉冲p1,p3)以及多个负脉冲(如图2中的负脉冲p2,p4)，该多个正脉冲(p1,p3)分别对应驱动输入讯号drin的多个上升缘(risingedge)，该多个负脉冲(p2,p4)分别对应驱动输入讯号drin的多个下降缘(fallingedge)，如图2所示。第一脉宽调变单元120转换完成的窄脉宽讯号npw1传送至高压隔离脉冲变压模块140的一次侧(primaryside)。

高压隔离脉冲变压模块140以磁感应方式在二次侧形成多个窄脉宽讯号npw2，并分别输出至多个输出模块160，借此实现在一次侧(于部份实施例中可为低压侧)与二次侧(于部份实施例中可为高压侧)之间的磁隔离效果。

多个窄脉宽讯号npw2分别传送至各输出模块160中的第二脉宽调变单元162，第二脉宽调变单元162用以将其转换为脉宽调变型(pwm)的驱动控制讯号drcon。各输出模块160中的驱动功率放大单元164随后对驱动控制讯号drcon进行功率放大，并各自产生具有正、负驱动电位的驱动输出讯号drout并传送到全控型功率开关组合200其中一个全控型功率开关元件202。

请一并参阅图3，其绘示根据本揭示文件第一具体实施例中高压隔离脉冲变压模块140a与多个输出模块160之间的架构示意图。如图3所示，于第一具体实施例中高压隔离脉冲变压模块140a(对应图1与图2中的高压隔离脉冲变压模块140)包含一磁芯单元142、一次侧绕线w1以及多个二次侧绕线w2，其中一次侧绕线w1绕设于磁芯单元142上并耦接至第一脉宽调变单元120。多个二次侧绕线w2皆绕设于磁芯单元142上并分别耦接至各个输出模块160的第二脉宽调变单元162。

如此一来，如图1、图2以及图3所示，高压隔离脉冲变压模块140a便可将一次侧的窄脉宽讯号npw1以磁感应方式在二次侧形成多个窄脉宽讯号npw2，并分别输出至多个输出模块160。借此，可在窄脉宽讯号npw1与各窄脉宽讯号npw2之间形成磁隔离，并且可在多个窄脉宽讯号npw2彼此间形成磁隔离。

随后，多个窄脉宽讯号npw2分别由各输出模块160中的第二脉宽调变单元162用以将其转换为脉宽调变型的驱动控制讯号drcon，并经驱动功率放大单元164的功率放大形成具有正、负驱动电位的驱动输出讯号drout并传送到全控型功率开关元件202。

请一并参阅图4，其绘示根据本发明第二具体实施例中高压隔离脉冲变压模块140b(对应图1与图2中的高压隔离脉冲变压模块140)与多个输出模块160之间的架构示意图。如图4所示，于第二具体实施例中高压隔离脉冲变压模块140b包含多个磁芯单元142、多个一次侧绕线w1以及多个二次侧绕线w2，每一磁芯单元142上分别绕设有其中一条一次侧绕线w1以及其中一条二次侧绕线w2。上述多条一次侧绕线w1串接后耦接至该第一脉宽调变单元120，如图4的实施例中，多条一次侧绕线w1彼此串联并耦接至第一脉宽调变单元120。多个输出模块160各自包含第二脉宽调变单元162以及驱动功率放大单元164。上述多个二次侧绕线w2分别耦接至该多个输出模块160的第二脉宽调变单元162。驱动功率放大单元164则耦接于第二脉宽调变单元162与其中一个全控型功率开关元件202之间。

如此一来，高压隔离脉冲变压模块140b便可将一次侧的窄脉宽讯号npw1以磁感应方式在二次侧形成多个窄脉宽讯号npw2，并分别输出至多个输出模块160。借此，可在窄脉宽讯号npw1与各窄脉宽讯号npw2之间形成磁隔离，并且可在多个窄脉宽讯号npw2彼此间形成磁隔离。

综上所述，第一具体实施例与第二具体实施例分别揭露透过单一磁芯单元以一对多方式对应多输出模组的驱动耦接架构，以及，透过多磁芯单元以一对一方式对应多输出模组的驱动耦接架构。

以下以多个操作实例来说明本发明驱动一全控型功率开关组合的运作。

请参阅图5，其绘示根据本发明的第一操作实例中开关驱动电路100以及全控型功率开关组合200a(对应先前实施例中的全控型功率开关组合200)的示意图。

如图5所示的第一操作实例中，全控型功率开关组合200a包含彼此串联的多个全控型功率开关元件202，其可分别为绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor,igbt)。该多个输出模块160分别产生相同相位且彼此隔离的多个驱动输出讯号drout1及drout2至上述多个全控型功率开关元件202。

请一并参阅图3与图4，于图5的第一操作实施例中，各个输出模块160的第二脉宽调变单元162可耦接至二次侧绕线w2(二次侧绕线w2采用相同的绕线方向)，借此，可形成相同相位的驱动输出讯号drout1及drout2。

接着，请参阅图6，其绘示根据本发明的第二操作实例中开关驱动电路100以及全控型功率开关组合200b(对应先前实施例中的全控型功率开关组合200)的示意图。

如图6所示的第二操作实例中，全控型功率开关组合200a包含耦接于单相全桥电路204中相对两侧(分别为单相全桥电路中一个桥臂的上管与另一桥臂的下管)的多个全控型功率开关元件202，其可分别为绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor,igbt)。该多个输出模块160分别产生相同相位且彼此隔离的多个驱动输出讯号drout1及drout2，传送至单相两电平的单相全桥电路204中对管全控型功率开关元件202(如图6所示)。相似于第一操作实例，各个输出模块160的第二脉宽调变单元162可耦接至二次侧绕线w2的同名端(且二次侧绕线w2可采相同的绕线方向)。

请参阅图7，其绘示根据本发明的第三操作实例中开关驱动电路100以及全控型功率开关组合200c(对应先前实施例中的全控型功率开关组合200)的示意图。

如图7所示的第三操作实例中，全控型功率开关组合200c包含两电平桥臂电路的两桥臂上的(上、下两管)全控型功率开关元件202，其可分别为绝缘栅双极电晶体(insulatedgatebipolartransistor,igbt)。

综上所述，本发明提出了一种采用磁隔离方式传递全控型功率开关元件组合驱动信号的开关驱动电路，用以为全控型功率开关元件组合提供快速、稳定且可靠的驱动讯号。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。