一种可控开关器件的驱动电路及可控开关器件单元的制作方法
【专利摘要】本发明实施例提供了一种可控开关器件的驱动电路及可控开关器件单元，用以解决目前的可控开关器件由于采用固定电压驱动，导致要么存在导通损耗较大，要么存在短路关断尖峰电压过大而超出其安全工作范围的问题。该电路包括：短路检测电路，用于检测可控开关器件是否短路；驱动电平切换电路，用于在可控开关器件短路时，采用第一电平的电压信号驱动可控开关器件的控制端；并在可控开关器件未短路时，停止采用第一电平的电压信号驱动可控开关器件的控制端；逻辑控制电路，用于在可控开关器件短路，关断可控开关器件；并在可控开关器件未短路时，使放大电路在第二电平的电压信号的驱动下将该控制信号放大，用以驱动可控开关器件的控制端。
【专利说明】—种可控开关器件的驱动电路及可控开关器件单元
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力电子【技术领域】，尤其涉及一种可控开关器件的驱动电路及可控开关器件单元。
【背景技术】
[0002]在大功率电力电子【技术领域】，由于受到可控开关器件损耗与散热的限制，开关器件开关的频率往往不会很高，以功率为几百kW的光伏逆变器为例，两电平逆变器中的开关器件的开关频率往往在2-5kHZ，三电平逆变器中的开关器件的开关频率往往在5-12kHz。因此，在开关频率比较低的中大功率应用场合，IGBT模块的导通损耗在总损耗中占主导地位。因此，通过降低IGBT的模块损耗，从而降低IGBT模块的导通损耗是一个有效途径。
[0003]IGBT模块导通损耗与IGBT导通时间、导通电流和通态压降成正比。导通时间、导通电流往往由使用IGBT模块的系统的具体应用决定，不能自由改变；通态压降与IGBT的结温及驱动电压有关。
[0004]目前的IGBT—般采用固定电压驱动，最常见的就是高电平15V驱动IGBT门极。在使用IGBT的系统一定时，导通电流相等的情况下，IGBT的结温越低，该IGBT的通态压降越小，但相应的散热成本会有较大增加。另外，导通电流相等的情况下，IGBT的驱动电压Vge增大，该IGBT的通态压降Vce会有所下降；但是，IGBT的驱动电压Vge增大后，IGBT模块发生短路时的短路电流也会增加，导致短路关断尖峰电压可能过大而超出其安全工作范围。
[0005]IGBT在发生短路后到IGBT被关断之前的时长为承受短路电流的时长，如果IGBT发生短路后，未能在IGBT承受短路电流的最大时长内关闭IGBT，则IGBT会损坏。
[0006]综上所述，目前的可控开关器件采用固定电压驱动，当驱动电压较低时，可控开关器件的通态压降较大，导致可控开关器件的导通损耗较大，可控开关器件的短路电流较小；当驱动电压较高时，可控开关器件的通态压降较小，可控开关器件的导通损耗较小，但此时，可控开关器件的短路电流较大，导致短路关断尖峰电压可能过大而超出其安全工作范围。
【发明内容】
[0007]本发明实施例提供了一种可控开关器件的驱动电路及可控开关器件单元，用以解决目前的可控开关器件由于采用固定电压驱动，导致要么存在导通损耗较大，要么存在短路关断尖峰电压过大而超出其安全工作范围的问题。
[0008]第一方面，提供一种可控开关器件的驱动电路，包括逻辑控制电路、放大电路、短路检测电路、驱动电平切换电路；
[0009]所述短路检测电路，用于在检测到可控开关器件短路时，向驱动电平切换电路和逻辑控制电路输出第一指示信号；并在检测到可控开关器件未短路时，向驱动电平切换电路和逻辑控制电路输出第二指示信号；
[0010]驱动电平切换电路，用于在接收到第一指示信号时，采用第一电平的电压信号驱动可控开关器件的控制端；并在接收到第二指示信号时，停止采用第一电平的电压信号驱动可控开关器件的控制端；
[0011]逻辑控制电路，用于在接收到第一指示信号、且驱动电平切换电路采用第一电平的电压信号驱动可控开关器件的控制端后，关断可控开关器件；并在接收到第二指示信号时，向放大电路输出控制信号，使放大电路在第二电平的电压信号的驱动下将该控制信号放大，放大后的控制信号用于驱动可控开关器件的控制端，放大后的控制信号中能够使可控开关器件开通的信号的电平为第二电平；其中，第一电平低于第二电平，第一电平的电压信号能够使可控开关器件开通。
[0012]结合第一方面，在第一种可能的实现方式中，所述驱动电平切换电路包括分压电路和第一开关电路；
[0013]分压电路，用于对第二电平的电压信号进行分压，并输出分压后的电压信号作为第一电平的电压信号；
[0014]第一开关电路，用于在接收到第一指示信号且可控开关器件的控制端的电平高于第一电平时，采用第一电平的电压信号驱动可控开关器件的控制端；并在接收到第二指示信号时，停止采用第一电平的电压信号驱动可控开关器件的控制端。
[0015]结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述分压电路包括第一电阻和稳压二极管；
[0016]所述第一电阻将接收到的第二电平的电压信号通过所述稳压二极管传输至地，所述第一电阻与所述稳压二极管相连的一端的电压信号为第一电平的电压信号。
[0017]结合第一方面的第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述分压电路还包括储能电容；
[0018]所述储能电容与所述稳压二极管并联，所述储能电容的电容值大于所述可控开关器件的控制端与所述可控开关器件的输出端之间的寄生电容。
[0019]结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述第一开关电路包括第一开关管和第一二极管；所述第一开关管的控制端接收短路检测电路输出的信号，所述第一开关管和所述第一二极管串联；
[0020]所述第一开关管，用于在所述短路检测电路输出第一指示信号、且可控开关器件的控制端的电平高于第一电平时开通，将可控开关器件的控制端的电平拉低至第一电平；并在所述短路检测电路输出第二指示信号时关断。
[0021]结合第一方面的第四种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述驱动电平切换电路还包括第二开关电路；
[0022]所述第二开关电路，用于在接收到第一指示信号且可控开关器件的控制端的电平低于第一电平时，采用第一电平的电压信号驱动可控开关器件的控制端；并在接收到第二指示信号时，停止采用第一电平的电压信号驱动可控开关器件的控制端。
[0023]结合第一方面的第五种可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，所述第二开关电路包括第二开关管和第二二极管；所述第二开关管的控制端接收短路检测电路输出的信号，所述第二开关管和所述第二二极管串联；
[0024]所述第二开关管，用于在所述短路检测电路输出第一指示信号、且可控开关器件的控制端的电平低于第一电平时开通；并在所述短路检测电路输出第二指示信号时关断。[0025]第二方面，提供一种可控开关器件单元，包括可控开关器件和本发明实施例提供的可控开关器件的驱动电路。
[0026]本发明实施例的有益效果包括:
[0027]本发明实施例提供的可控开关器件的驱动电路，由于能够在可控开关器件未短路时，采用第二电平的电压信号驱动该可控开关器件导通，并在可控开关器件短路时，采用第一电平的电压信号驱动该可控开关器件导通，第一电平低于第二电平，因此，既能够实现在可控开关器件未短路时，降低通态压降，从而降低通态损耗，又能够实现在可控开关器件短路时，减小短路电流，从而降低关断时的尖峰电压，提高可控开关器件的工作可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1为本发明实施例提供的可控开关器件的驱动电路的结构示意图之一；
[0029]图2为本发明实施例提供的可控开关器件的驱动电路的结构示意图之二 ；
[0030]图3为本发明实施例提供的可控开关器件的驱动电路的结构示意图之三；
[0031]图4为本发明实施例提供的可控开关器件的驱动电路的结构示意图之四；
[0032]图5为本发明实施例提供的可控开关器件的驱动电路的结构示意图之五。
【具体实施方式】
[0033]本发明实施例提供的一种可控器件的驱动电路，在可控开关器件未短路时，采用第二电平的电压信号驱动该可控开关器件导通，并在可控开关器件短路时，采用第一电平的电压信号驱动该可控开关器件导通，第一电平低于第二电平，从而实现在可控开关器件未短路时，降低通态压降，进而降低通态损耗，并实现在可控开关器件短路时，减小短路电流，进而降低关断时的尖峰电压，提高可控开关器件的工作可靠性。
[0034]下面结合说明书附图，对本发明实施例提供的一种可控开关器件的驱动电路及可控开关器件单元的【具体实施方式】进行说明。
[0035]本发明实施例提供的一种可控开关器件的驱动电路，如图1所示，包括逻辑控制电路11、放大电路12、短路检测电路13、驱动电平切换电路14 ;图1中的可控开关器件为IGBT,当然，也可以为其它类型的开关器件。
[0036]短路检测电路13，用于在检测到IGBT Ql短路时，向驱动电平切换电路14和逻辑控制电路11输出第一指示信号；并在检测到IGBT Ql未短路时，向驱动电平切换电路14和逻辑控制电路11输出第二指示信号；
[0037]驱动电平切换电路，用于在接收到第一指示信号时，采用第一电平的电压信号驱动可控开关器件的控制端，即IGBT Ql的门极G ;并在接收到第二指示信号时，停止采用第一电平的电压信号驱动IGBT Ql的门极G ;
[0038]逻辑控制电路11，用于在接收到第一指示信号、且驱动电平切换电路14采用第一电平的电压信号驱动IGBT Ql的门极G后，关断IGBT Ql ;并在接收到第二指示信号时，向放大电路12输出控制信号，使放大电路12在第二电平的电压信号的驱动下将该控制信号放大，放大后的控制信号用于驱动IGBT Ql的门极G，放大后的控制信号中能够使IGBT Ql开通的信号的电平为第二电平；其中，第一电平低于第二电平，第一电平的电压信号能够使IGBT Ql 开通。[0039]逻辑控制电路需要在可控开关器件能够承受短路电流的最大时长结束前，即在IGBT Ql能够承受短路电流的最大时长结束前关断可控开关器件，以避免可控开关器件损坏。
[0040]其中，短路检测电路通过检测可控开关器件的输入端与输出端之间的电压来确定可控开关器件是否短路。在图1所示的电路中，短路检测电路13可以通过检测IGBT Ql的集电极与发射极之间的电压来确定IGBT Ql是否短路，也可以通过其他方式来确定IGBT Ql是否短路。
[0041]在短路检测电路检测到可控开关器件未短路时，不采用第一电平的电压信号驱动可控开关器件的控制端，而逻辑控制电路在短路检测电路检测到可控开关器件未短路时，会向放大电路输出控制信号，使放大电路在第二电平的电压信号的驱动下将该控制信号放大，放大后的控制信号用于驱动可控开关器件的控制端，由于控制信号经过放大后，控制信号中能够使可控开关器件开通的信号的电平为第二电平，也就是说，在可控开关器件未短路时，可控开关器件在第二电平的电压信号的驱动下开通；当短路检测电路检测到可控开关器件短路时，采用第一电平的电压信号驱动可控开关器件的控制端，将发生短路时可控开关器件的控制端的电平即第二电平下拉至第一电平，逻辑控制电路在短路检测电路检测到可控开关器件短路且可控开关器件的控制端采用第一电平的电压信号驱动后，在可控开关器件能够承受短路电流的最大时长结束前，即可控开关器件被损坏前，会关断可控开关器件；也就是说，逻辑控制电路在关断可控开关器件时，可控开关器件采用第一电平的电压信号驱动并开通，由于第一电平低于第二电平，因此，采用本发明实施例提供的可控开关器件的驱动电路可以使得可控开关器件未短路时，采用第二电平的电压信号驱动该可控开关器件导通，并在可控开关器件短路时，采用第一电平的电压信号驱动该可控开关器件导通，采用第一电平的电压信号驱动的可控开关器件导通，从而实现在可控开关器件未短路时，降低通态压降，进而降低通态损耗，并实现在可控开关器件短路时，减小短路电流，从而降低关断时的尖峰电压，提高可控开关器件的工作可靠性。
[0042]可选地，本发明实施例提供的可控开关器件的驱动电路，如图2所示，其中的驱动电平切换电路包括分压电路141和第一开关电路142 ；
[0043]分压电路141，用于对第二电平的电压信号V2进行分压，并输出分压后的电压信号作为第一电平的电压信号；
[0044]第一开关电路142，用于在接收到第一指示信号且可控开关器件的控制端，即IGBTQl的门极G的电平高于第一电平时，采用第一电平的电压信号驱动IGBT Ql的门极G ;并在接收到第二指示信号时，停止采用第一电平的电压信号驱动IGBT Ql的门极G。
[0045]可选地，如图3所示，分压电路包括第一电阻Rl和稳压二极管DWl ;第一电阻Rl将接收到的第二电平的电压信号V2通过稳压二极管DW2传输至地，第一电阻Rl与稳压二极管DW2相连的一端的电压信号为第一电平的电压信号。
[0046]可选地，如图3所示，分压电路还包括储能电容Cl，储能电容Cl与稳压二极管DWl并联，储能电容Cl的电容值大于可控开关器件的控制端与所述可控开关器件的输出端之间的寄生电容，即大于IGBT Ql的门极G与发射极E之间的寄生电容。
[0047]可选地，如图3所示，第一开关电路包括第一开关管(图3中采用NPN型第一三极管Tl，当然也可以是其它具有类似功能的开关管)和第一二极管Dl ;第一开关管的控制端，即第一三极管Tl的基极接收短路检测电路13输出的信号，三极管Tl和第一二极管Dl串联；
[0048]第一开关管，用于在所述短路检测电路13输出第一指示信号、且可控开关器件的控制端，即IGBT Ql的门极G的电平高于第一电平时开通，将IGBT Ql的门极G的电平拉低至第一电平；并在短路检测电路13输出第二指示信号时关断。
[0049]这样在检测到IGBT Ql未发生短路时，储能电容Cl上已经完成充电，在检测到IGBT Ql发生短路时，储能电容Cl上存储的电荷可以迅速将IGBT Ql的门极G的电压拉低到第一电平，避免在检测到IGBT Ql发生短路时，由于电路中没有储能电容存储的电荷，而流过第一开关电路的电流又比较小，使得将可控开关器件的控制端的第二电平下拉至第一电平的时长大于在可控开关器件能够承受短路电流的最大时长，使得逻辑控制电路在关断可控开关器件时，可控开关器件的控制端的电平未能降低至第一电平，导致可控开关器件的短路电流还是比较大。
[0050]可选地，本发明实施例提供的可控开关器件的驱动电路，如图4所示，驱动电平切换电路还包括第二开关电路143 ;第二开关电路143，用于在接收到第一指示信号且可控开关器件的控制端，即IGBT Ql的门极G的电平低于第一电平时，采用第一电平的电压信号驱动可控开关器件的控制端；并在接收到第二指示信号时，停止采用第一电平的电压信号驱动即IGBT Ql的门极G。
[0051]可选地，如图5所示，本发明实施例提供的第二开关电路包括第二开关管(图3中采用NPN型第二三极管T2，当然也可以是其它具有类似功能的开关管)和第二二极管D2 ;第二开关管的控制端，即第二三极管T2的基极接收短路检测电路13输出的信号，第二三极管T2和第二二极管D2串联；
[0052]第二开关管，即第二三极管T2，用于在短路检测电路13输出第一指示信号、且可控开关器件的控制端，即IGBT Ql的门极G的电平低于第一电平时开通；并在短路检测电路13输出第二指示信号时关断。
[0053]当可控开关器件被关断后，其控制端的电压逐渐降低，当该电压降至第一电平以下是，第二三极管T2导通，从而减小可控开关器件的控制端的电压的降低速度，即降低可控开关器件的关断速度，进一步减小其关断时的尖峰电流。另外，由于在可控开关器件的控制端投入储能电容Cl，相当于增大了可控开关器件的控制端与输出端之间的寄生电容，这可以进一步减小可控开关器件的控制端的电压的降低速度，从而进一步减小其关断时的尖峰电流。
[0054]短路检测电路可以输出高电平信号作为第一指不信号，输出低电平信号作为第二指示信号；也可以输出低电平信号作为第一指示信号，输出高电平信号作为第二指示信号。
[0055]目前常用的IGBT的门极的驱动电压为15V，采用本发明实施例提供的驱动电路，可以将IGBT未短路时的门极的驱动电压升到16V-18V，短路时的门极电压降至12V。
[0056]本发明实施例提供的一种可控开关器件单元，包括可控开关器件，和本发明实施例提供的可控开关器件的驱动电路，用于驱动可控开关器件。
[0057]通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例可以通过硬件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是⑶-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
[0058]本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
[0059]本领域技术人员可以理解实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述进行分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
[0060]上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0061]显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
【权利要求】
1.一种可控开关器件的驱动电路，其特征在于，包括逻辑控制电路、放大电路、短路检测电路、驱动电平切换电路； 所述短路检测电路，用于在检测到可控开关器件短路时，向驱动电平切换电路和逻辑控制电路输出第一指示信号；并在检测到可控开关器件未短路时，向驱动电平切换电路和逻辑控制电路输出第二指示信号； 驱动电平切换电路，用于在接收到第一指示信号时，采用第一电平的电压信号驱动可控开关器件的控制端；并在接收到第二指示信号时，停止采用第一电平的电压信号驱动可控开关器件的控制端； 逻辑控制电路，用于在接收到第一指示信号、且驱动电平切换电路采用第一电平的电压信号驱动可控开关器件的控制端后，关断可控开关器件；并在接收到第二指示信号时，向放大电路输出控制信号，使放大电路在第二电平的电压信号的驱动下将该控制信号放大，放大后的控制信号用于驱动可控开关器件的控制端，放大后的控制信号中能够使可控开关器件开通的信号的电平为第二电平；其中，第一电平低于第二电平，第一电平的电压信号能够使可控开关器件开通。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述驱动电平切换电路包括分压电路和第一开关电路； 分压电路，用于对第二电平的电压信号进行分压，并输出分压后的电压信号作为第一电平的电压信号； 第一开关电路，用于在接收到第一指示信号且可控开关器件的控制端的电平高于第一电平时，采用第一电平的电压信号驱动可控开关器件的控制端；并在接收到第二指示信号时，停止采用第一电平的电压信号驱动可控开关器件的控制端。
3.如权利要求2所述的 电路，其特征在于，所述分压电路包括第一电阻和稳压二极管； 所述第一电阻将接收到的第二电平的电压信号通过所述稳压二极管传输至地，所述第一电阻与所述稳压二极管相连的一端的电压信号为第一电平的电压信号。
4.如权利要求3所述的电路，其特征在于，所述分压电路还包括储能电容； 所述储能电容与所述稳压二极管并联，所述储能电容的电容值大于所述可控开关器件的控制端与所述可控开关器件的输出端之间的寄生电容。
5.如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述第一开关电路包括第一开关管和第一二极管；所述第一开关管的控制端接收短路检测电路输出的信号，所述第一开关管和所述第一二极管串联； 所述第一开关管，用于在所述短路检测电路输出第一指示信号、且可控开关器件的控制端的电平高于第一电平时开通，将可控开关器件的控制端的电平拉低至第一电平；并在所述短路检测电路输出第二指示信号时关断。
6.如权利要求5所述的电路，其特征在于，所述驱动电平切换电路还包括第二开关电路； 所述第二开关电路，用于在接收到第一指示信号且可控开关器件的控制端的电平低于第一电平时，采用第一电平的电压信号驱动可控开关器件的控制端；并在接收到第二指示信号时，停止采用第一电平的电压信号驱动可控开关器件的控制端。
7.如权利要求6所述的电路，其特征在于，所述第二开关电路包括第二开关管和第二二极管；所述第二开关管的控制端接收短路检测电路输出的信号，所述第二开关管和所述第二二极管串联； 所述第二开关管，用于在所述短路检测电路输出第一指示信号、且可控开关器件的控制端的电平低于第一电平时开通；并在所述短路检测电路输出第二指示信号时关断。
8.—种可控开关器件单元，其特征在于，包括可控开关器件，和如权利要求1-7任一项所述的可控开关器件的驱动 电路。
【文档编号】H03K17/08GK103701445SQ201310704238
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月19日 优先权日:2013年12月19日
【发明者】曹震, 刘云峰, 张旭 申请人:华为技术有限公司