功率开关器件驱动电路及电力电子设备的制作方法

本发明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(insulatedgatebipolartransistor，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11和驱动电路12。其中驱动电源11实现了电能的隔离传递，其输出以大功率开关器件的输出端(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所需要的能量；驱动电路12实现了控制信号的隔离传递，从控制器，如mcu(microcontrollerunit，微控制单元)，dsp(digitalsignalprocessing，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13的控制极(例如igbt的门极)驱动侧。

然而，在上述功率开关器件的驱动电路中，由于驱动电源和控制信号需要隔离传输，使得该驱动电路成本较高，体积较大。

技术实现要素：

本发明实施例针对上述功率开关器件的驱动电路中因驱动电源和控制信号需要隔离传输，并导致驱动电路成本较高、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。

本发明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，包括直流变换器、驱动电源以及控制器，其中：所述控制器的输出端连接到所述驱动电源的信号输入端，并向所述驱动电源的信号输入端输出控制信号；所述直流变换器用于将外部输入电压转换为驱动功率开关器件所需的电压，并使用转换后的电压为所述驱动电源供电；所述驱动电源的输出端连接到所述功率开关器件的控制端，且所述驱动电源根据所述信号输入端的控制信号生成驱动信号并输出。

优选地，所述控制信号为方波，所述驱动信号为高频脉冲波，所述驱动电源的工作频率是所述控制信号频率的100倍以上。

优选地，所述驱动电源包括变压器单元，且所述驱动电源的信号输入端经由第一子电路连接到所述变压器单元的原边，所述驱动电源的输出端经由第二子电路连接到所述变压器单元的副边。

优选地，所述第一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单元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分别根据来自所述驱动电源的信号输入端的控制信号驱动；

所述直流变换器的正输出端连接到所述变压器单元的原边线圈的中间抽头，所述直流变换器的负输出端连接参考地。

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单元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单元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的控制端分别根据来自所述驱动电源的信号输入端的控制信号驱动。

优选地，所述第一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的控制端分别根据来自所述驱动电源的信号输入端的控制信号驱动。

优选地，所述驱动电路还包括采样单元和隔离传输单元，其中：

所述采样单元，用于采样所述功率开关器件的输出电流；

所述隔离传输单元连接到所述采样单元的输出端，并将所述采样单元采样的输出电流转换为电压信号隔离输出到所述控制器；

所述控制器连接到所述直流变换器，并根据来自所述隔离传输单元的电压信号控制所述直流变换器调整输出电压。

优选地，所述控制信号和驱动信号为波形相同的高频脉冲波；所述驱动电源包括隔离元件，且所述隔离元件的原边子电路直接由所述控制信号驱动，所述隔离元件的副边子电路连接到所述驱动电源的输出端。

本发明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。

本发明实施例的功率开关器件驱动电路及电力电子设备，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。

并且，本发明通过高频脉冲波驱动功率开关器件，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。此外，本发明实施例还可以根据功率开关器件的实际工况，灵活调整驱动电压和驱动电压的形式，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电路的示意图；

图2是本发明实施例提供的功率开关器件驱动电路的示意图；

图3是本发明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4是本发明实施例提供的功率开关器件驱动电路中驱动电源的示意图；

图5是本发明另一实施例提供的功率开关器件驱动电路的示意图；

图6是本发明另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

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。

如图2所示，是本发明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直流变换器21、驱动电源22以及控制器23。

控制器23具体可采用mcu、dsp等，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。该控制器23的输出端连接到驱动电源22的信号输入端，并将其生成的控制信号输出到驱动电源22的信号输入端。上述控制信号通常为如图3所示的方波vcon。

直流变换器21用于将外部输入电压转换为驱动功率开关器件3所需的电压(也就是使功率开关器件3导通所需的电平值)，并使用转换后的电压为驱动电源22供电。具体地，上述直流变换器21通过对功率开关管的快速通、断控制把恒定直流电压斩成一系列的脉冲电压，并通过控制占空比的变化改变这一脉冲系列的脉冲宽度，以实现输出电压平均值的调节，再经输出滤波器滤波得到预定电压的直流电。

驱动电源22的输出端连接到功率开关器件3的控制端(例如igbt的栅极或可控硅的门极)，且该驱动电源22可根据信号输入端的信号(即控制器23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。

上述功率开关器件驱动电路通过驱动电源22直接根据控制信号生成驱动信号，并使用生成的驱动信号驱动功率开关器件3，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。

特别地，上述驱动信号具体可为如图3所示的高频脉冲波vdri。相应地，上述驱动电源22的工作频率远大于控制器23生成的控制信号的频率，例如驱动电源22的工作频率大于控制器23生成的控制信号的频率的100倍以上。在控制信号为高电平期间，驱动电源22生成的驱动信号开关次数较多，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的驱动信号的波形，以减小功率开关器件的开关损耗的目的。

如图4所示，在本发明的一个实施例中，驱动电源22包括变压器单元t，且驱动电源22的信号输入端经由第一子电路221连接到变压器单元t的原边，该驱动电源22的输出端则经由第二子电路222连接到该变压器单元t的副边。上述驱动电源22输入、输出电压由变压器单元t的原副边线圈的变比决定，可采用开环控制。

优选地，上述驱动电源22可包括推挽电路，即第一子电路221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串联连接在变压器单元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和第二开关管q2分别根据来自驱动电源22的信号输入端的控制信号驱动(例如通过输入端连接控制信号、输出端连接第一开关管q1和第二开关管q2的控制端的芯片驱动)。并且，直流变换器21的正输出端连接到变压器单元t的原边线圈的中间抽头，直流变换器21的负输出端连接参考地。由于推挽电路的漏感以及铜阻损耗都较小，因此驱动电源22的工作效率较高。

特别地，上述驱动电源22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单元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单元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，且第一开关管q1和第二开关管q2的栅极分别连接驱动电源22的信号输入端，且输入第一开关管q1和第二开关管q2的栅极的控制信号互补(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)。

上述第二子电路222可包括二极管ds1，且二极管ds1的阴极连接变压器单元t的副边线圈的一端、阳极连接驱动电源22的输出端vo的正极+。此外，第二子电路222还可包括电容cs1，从而吸收驱动信号中的尖刺，提高驱动信号的质量。

在本发明的另一实施例中，上述驱动电源22可通过全桥斩波方式生成驱动信号，即第一子电路221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，且四个第三开关管分别根据来自驱动电源22的信号输入端的控制信号驱动(例如通过输入端连接控制信号、输出端连接第三开关管的控制端的芯片驱动)。

此外，上述驱动电源22可通过半桥斩波方式生成驱动信号，即第一子电路221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，且两个第四开关管分别根据来自驱动电源22的信号输入端的控制信号驱动(例如通过输入端连接控制信号、输出端连接第四开关管的控制端的芯片驱动)。

如图5所示，是本发明另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除了包括直流变换器21、驱动电源22以及控制器23外，还可包括采样单元24和隔离传输单元25。

上述采样单元24连接到功率开关器件3，并用于采样功率开关器件3的输出电流。隔离传输单元25连接到采样单元24的输出端，并在将采样单元24采样的输出电流转换为电压信号后，隔离输出到控制器23；控制器23连接到直流变换器21，并根据来自隔离传输单元25的电压信号控制直流变换器21调整输出电压。

通过上述结构，上述功率开关器件驱动电路根据功率开关器件的工况，通过运算改变直流变换器21的电压基准，从而改变直流变换器21输出的电压值，即优化驱动电压值，实现根据实际工况减小功率开关器件开关损耗的效果。

如图6所示，在本发明另一实施例提供的功率开关器件驱动电路中，控制器23输出的控制信号可为高频脉冲波(即控制器内集成有高频斩波电路)。此时，驱动电源22包括隔离元件(具体可采用图4所示的变压器单元t或光耦等)，且该隔离元件的原边子电路由控制信号直接驱动(例如原边子电路中的开关管等由控制信号直接驱动)，隔离元件的副边子电路则连接到驱动电源22的输出端。该实施例无需在驱动电源22中增加额外的芯片，并同样可实现高频脉冲形式的驱动信号输出。

本发明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输出端连接到所述功率开关器件的控制端。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。