开关电路的驱动电路的制作方法

本发明涉及一种开关的驱动电路。

背景技术：

常见地，已知有一种用于对开关进行驱动的驱动电路。例如，jp-a-2016-144255公开了一种用于对彼此并联连接的多个开关进行驱动的驱动电路。具体地，驱动电路包括针对各个开关设置的、被指定为驱动对象的驱动部件。每个驱动部件对针对自身驱动对象指定的开关进行驱动。驱动信号提供接通命令或断开命令，以用于切换。

这里，因驱动电路的构造，从接通命令被输入到各个驱动电路到开关被接通的时段可能显着变化。在这种情况下，在多个开关中首先被接通的开关上可能会出现电流不平衡。电流不平衡是一种较大量的电流(偏置电流)短暂地流过除其他开关之外的首先被接通的开关的现象。当出现电流不平衡时，偏置电流流过的开关的可靠性可能会降低。

技术实现要素：

本公开鉴于上述情况完成，并且提供一种能够抑制开关可靠性降低的开关驱动电路。

本公开提供了一种开关驱动电路，该开关驱动电路对相互并联连接的多个开关进行驱动。

开关驱动电路包括：充电单元，每个充电单元针对多个开关中的各个开关设置，允许充电电流流到每个开关的栅极；断开开关，每个断开开关针对多个开关中的各个开关设置，连接在每个开关的栅极与供栅极的电荷放电的接地之间；检测单元，每个检测单元针对多个开关中的各个开关设置，对每个开关的栅极的充电状态是否处于预定状态进行检测；以及转换单元，该转换单元在各个充电单元允许充电电流流到每个开关的栅极时改变各个断开开关的状态。转换单元构造成当各个检测单元未检测到每个开关的栅极的充电状态处于预定状态时，将各个断开开关的状态变为接通，当各个检测单元检测到每个开关的栅极的充电状态处于预定状态时，将各个断开开关的状态变为断开。

根据本公开，针对每个开关设置充电单元，以便将每个开关的状态变为接通状态。这里，取决于各个充电单元的构造，可能会发生电流不平衡。

在这一方面，根据本公开，针对各个开关各自设置断开开关和检测单元。本公开的转换单元构造成当各个检测单元没有检测到每个开关的栅极的充电状态处于预定状态时，将各个断开开关的状态变为接通。在这种状态下，由于各个开关的栅极端子处的电荷量不足以使开关变为处于接通状态，因此，各个开关保持为断开状态。另一方面，转换单元在所有检测单元检测到栅极的充电状态处于预定状态时，将断开开关的状态变为断开状态。通过将断开开关变为断开状态，改变开关的栅极所需的电荷量足以使各个开关变为接通状态。其结果是，可以抑制要变为接通状态的各个开关的开关时刻的变化。因此，可以抑制电流不平衡，并且可以抑制开关可靠性降低。

附图说明

在附图中：

图1是根据本发明第一实施例的旋转电机的控制系统的整体构造；

图2是表示驱动电路的构造的图；

图3是表示驱动电路的运行的时序图，其中各信号标为(a)至(j)；

图4是表示第二实施例的驱动电路的构造的图；

图5是表示根据第二实施例的驱动电路的运行的时序图，其中各信号标为(a)至(k)；

图6是表示根据第三实施例的驱动电路的图；

图7是表示根据另一实施例的驱动电路的构造的图。

具体实施例

(第一实施例)

在下文中，参考附图，将描述实施本公开的驱动电路的第一实施例。根据本实施例的驱动电路构造成旋转电机的控制系统。

如图1所示，控制系统设置有作为dc(直流)电源的电池10、作为电力转换器的逆变器20、旋转电机30和控制单元40。旋转电机30经由逆变器20而与电池10连接。注意，平滑电容器11设置在电池10与逆变器20之间。对于旋转电机30，可以采用永磁场型同步电机。

逆变器20设有用于三相位单元的上臂开关和下臂开关。上臂开关和下臂开关中的每一个包括并联连接的第一开关swa和第二开关swb。平滑电容器11的第一端连接到每个相位单元的上臂开关的第一开关swa和第二开关swb的高侧端子。每个相位单元的下臂开关的第一开关swa和第二开关swb的高侧端子连接到每个相位单元的上臂开关的第一开关sw和第二开关swb的低侧端子。平滑电容器11的第二端连接到每个相位单元的下臂开关的第一开关swa和第二开关swb的低侧端子。在每个相位单元中，旋转电机30的绕组31的第一端连接到上臂开关的第一开关swa和第二开关swb的低侧端子与下臂开关的第一开关swa和第二开关swb的高侧端子之间的连接点。每个相位单元的绕组31的第二端连接到中性点。

根据本实施例，电压控制型半导体开关元件被用作第一开关swa和第二开关swb。具体地，采用si-igbt(绝缘栅双极晶体管)。因此，在第一开关和第二开关中的每一个中，高侧端子是集电极而低侧端子是发射极。对于第一开关swa和第二开关swb，第一续流二极管fda和第二续流二极管fdb反向并联连接。另外，根据本实施例，作为第一开关swa和第二开关swb，使用具有相同规格的开关。具体地，使用具有相同阈值电压vth的开关。

控制单元40在每个相位单元中将上臂开关的第一开关swa及第二开关swb和下臂开关的第一开关swa及第二开关swb控制为交替地处于接通状态。控制量例如是扭矩。控制单元40将命令接通状态的接通命令和命令断开状态的断开命令作为第一开关swa和第二开关swb的驱动信号sg，输出至驱动电路dr，该驱动电路dr针对在每个臂和每个相位单元中的成对的第一开关swa和第二开关swb单独设置。

包括在逆变器20中的驱动电路dr从控制单元40获取驱动信号sg，并且基于所获取的驱动信号sg，将第一开关swa和第二开关swb以同步方式控制为接通或断开状态。

接下来，参考图2，将描述第一开关和第二开关的驱动电路dr。

驱动电路dr包括恒电压源41、第一基板50和第二基板70。第一基板50和第二基板70布置成彼此分开。

首先，将描述第一基板50的构造。驱动电路dr设置有第一a充电电阻51a、第一充电开关52和第一b充电电阻51b。根据本实施例，第一充电开关52构造成p沟道mosfet。第一充电电阻51a、第一充电开关52和第一b充电电阻51b安装在第一基板50上。

恒电压源41连接到第一a充电电阻51a的第一端，并且第一充电开关52的源极连接到第一a充电电阻51a的第二端。第一b充电电阻51b的第一端连接到第一充电开关52的漏极。第一基板50的第一a端子t1a连接到第一b充电电阻51b的第二端。第一开关swa的栅极连接到第一a端子t1a。

驱动电路dr设置有第一放电电阻53、第一放电开关54和第一断开开关55。第一放电开关54和第一断开开关55构造成n沟道mosfet。第一放电电阻53、第一放电开关54和第一断开开关55安装在第一基板50上。

第一放电电阻53的第一端和第一断开开关55的漏极连接到第一a端子t1a。第一放电开关54的漏极连接到第一放电开关54。作为接地的第一开关swa的发射极连接到第一放电开关54和第一断开开关55的每个源极。

驱动电路dr包括第一a调节电阻56a、第一b调节电阻56b、第一转换开关57、第一恒电流源58、第一运算放大器(op-amp)59、第一比较器60、第一与电路61和第一驱动单元62。根据本实施例，第一a调节电阻56a、第一b调节电阻56b、第一转换开关57、第一恒电流源58、第一运算放大器59、第一比较器60、第一与电路61和第一驱动单元62安装在第一基板50上。

恒电压源41连接到第一a调节电阻56a的第一端，并且第一b调节电阻56b的第一端连接到第一a调节电阻56a的第二端。第一开关swa的发射极经由第一转换开关57和第一恒电流源58而连接到第一b调节电阻56b的第二端。

第一a电阻51a的第二端连接到第一运算放大器59的反相输入端子，第一b调节电阻56b的第二端连接到第一运算放大器59的非反相输入端子。第一充电开关52的栅极连接到第一运算放大器59的输出端子。根据本实施例，第一a充电电阻51a、第一充电开关52、第一a调节电阻56a、第一b调节电阻56b、第一转换开关57和第一恒电流源58相当于与第一开关swa对应的恒电流充电单元。

第一驱动单元62经由第一基板50的第一b端子t1b从控制单元40获取驱动信号sg。第一驱动单元62基于所获取的驱动信号sg，将第一充电开关52、第一放电开关54、第一断开开关55、第一转换开关57控制为接通和断开。第一驱动单元62的功能可以通过存储在实质有形记录介质的软件、执行该软件的计算机或硬件、或是他们的组合来实现。

第一充电电阻51a的第二端连接到第一比较器60的反相输入端子，并且第一a调节电阻56a与第一b调节电阻56b之间的连接点连接到第一比较器60的非反相输入端子。第一基板50的第一c端子t1c连接到第一比较器60的输出端子。根据本实施例，第一比较器60对应于针对第一开关swa的检测单元。

第一与电路61接收由第一驱动电路62输出的用于第一转换开关57的命令信号以及第一比较器60的输出信号的逻辑反相信号。第一断开开关55的栅极连接到第一与电路61的输出端子。

随后，将描述第二基板70的构造。第二基板70的构造与第一基板50的构造相同。因此，将适当省略对第二基板70的详细构造的说明。

驱动电路dr设置有第二a充电电阻71a、第一充电开关72和第二b充电电阻71b。根据本实施例，第二充电开关72构造成p沟道mosfet。第二充电电阻71a、第二充电开关72和第二b充电电阻71b安装在第二基板70上。

第二b充电电阻71b的第一端连接到第二开关72的漏极。第二基板70的第二a端子t2a连接到第二b充电电阻71b的第二端。第二开关swb的栅极连接到第二a端子t2a。

驱动电路dr设有安装在第二基板70上的第二放电电阻73、第二放电开关74、第二断开开关75、第二a调节电阻76a、第二b调节电阻76b、第二转换开关77、第二恒电流源78、第二运算放大器79、第二比较器80、第二与电路81和第二驱动电路92。根据本实施例，第二放电开关74和第二断开开关75构造成n沟道mosfet。作为接地的第二开关swb的发射极连接到第二放电开关74和第二断开开关75的每个源极。

第二驱动单元82获取驱动信号sg，所述驱动信号sg是经由第二基板70的第二b端子t2b输入到第一b端子t1b的驱动信号sg的共用信号。第二驱动单元82基于所获取的驱动信号sg，将第二充电开关72、第二放电开关74、第二断开开关75和第二转换开关77控制为接通和断开。

第二基板70的第二c端子t2c连接到第二比较器80的输出端子。第二与电路81接受由第二驱动电路82输出的用于第二转换开关77的命令信号以及第二比较器80的输出信号的逻辑反相信号。第二断开开关75的栅极连接到第二与电路81的输出端子。

驱动电路dr设有第二恒电压源43、电阻42和通信线l。第二恒电压源43连接到电阻42的第一端，并且第一c端子t1c和第二c端子t2c经由通信线l连接到电阻42的第二端。在下文中，电阻42的第二端侧的电压信号被称为通信信号com。

根据本实施例，第二充电电阻71a、第二充电开关72、第二a调节电阻76a、第二转换开关77和第二恒电流源78相当于用于第二开关swb的恒电流充电单元。第一与电路61相当于用于第一开关swa的转换单元，第二与电路81相当于用于第二开关swb的转换单元。

根据本实施例，第一a调节电阻56a和第二a调节电阻76a的电阻值设定为相同的值，并且第一b调节电阻56b和第二b调节电阻76b的电阻值设定为相同的值。此外，第一b充电电阻51b和第二b充电电阻71b的电阻值设定为相同的值。

随后，参考图3，将描述驱动电路dr的运行模式。图3的(a)表示驱动信号sg的变化，图3的(b)和(f)表示第一开关swa和第二开关swb的驱动状态的变化，图3的(c)和(g)表示第一放电开关54和第二放电开关74的驱动状态的变化，图3的(d)和(h)表示第一断开开关55和第二断开开关75的驱动状态的变化。图3的(e)和(i)表示第一比较器60和第二比较器80的判断结果的变化，图3的(j)表示通信信号com的变化。

在时刻t1，第一驱动单元62判断所获取的驱动信号sg为接通命令，并且将具有逻辑h的接通命令输出到第一转换开关57，以将第一转换开关57的状态改变为接通，并且将第一放电开关54的状态改变为断开。进而，第一充电开关52的栅极电压被调节成使得第一充电电阻51a的第二端侧与第一开关swa的发射极之间的电压差和第一b调节电阻56b的第二端侧与第一开关swa的发射极之间的电压差相同。其结果是，恒定电流开始流到第一开关swa的栅极。

同样在时刻t1，第二驱动单元82判断所获取的驱动信号sg为接通命令，将具有逻辑h的接通命令输出到第二转换开关77，以将第二转换开关77的状态改变为接通，并且将第二放电开关74的状态改变为断开。因此，第二充电开关72的栅极电压被调节成使得第二a充电电阻71a的第二端侧与第二开关swb的发射极之间的电压差和第二b调节电阻76b的第二端侧与第二开关swb的发射极之间的电压差相同。其结果是，恒定电流开始流到第二开关swb的栅极。

这里，由于第一运算放大器59的响应时间和第二运算放大器79的响应时间不同，因此，恒定电流开始流过第一a充电电阻51a的时刻早于恒定电流开始流过第二a充电电阻71a的时刻。其结果是，如图3的(e)所示，在时刻t2，可以判断的是第一比较器60的非反相输入端子处的信号电压大于第一比较器60的反相输入端子处的信号电压。这一判断时刻被设定为流过第一a充电电阻51a的恒定电流达到预定电流的时间，在上述预定电流中，预定比率(例如，50％以上，具体地80％)被乘以目标电流itgt。通过调节第一a调节电阻56a和第一b调节电阻56b的每个电阻值来设定这一时刻。

然而，在时刻t2，第二比较器80的非反相输入端子处的电压被判断为不大于第二比较器80的反相输入端子处的电压。因此，来自第二比较器80的输出信号的逻辑变为l，并且通信信号com的逻辑保持在l。换句话说，通信信号com的输出模式并未改变。其结果是，第一断开开关55和第二断开开关75保持在接通状态。

然而，在时刻t3，第二比较器80的非反相输入端子处的电压被判断为大于第二比较器80的反相输入端子处的电压。这一判断时刻被定义为流过第二a充电电阻71a的恒定电流变为上面描述的预定电流的时间。因此，通信信号com的逻辑变为h。换句话说，通信信号com的输出模式发生改变。其结果是，第一与电路61和第二与电路81的两个输出信号的逻辑变为逻辑l，并且第一断开开关55和第二断开开关75变为断开状态。

在第一断开开关55和第二断开开关75变为断开状态的情况下，第一开关swa和第二开关swb的栅极电压开始增加。因而，第一开关swa和第二开关swb的栅极电压超过阈值电压vth，并且第一开关swa和第二开关swb被同步为接通状态。

在时刻t4，第一驱动单元62和第二驱动单元82判断所获取的驱动信号sg为断开命令。在这种情况下，第一充电开关52和第二充电开关72以及第一转换开关57和第二转换开关77变为断开状态，并且第一放电开关54和第二放电开关74变为接通状态。进而，放电电流从第一开关swa和第二开关swb的栅极放电，并且第一开关swa和第二开关swb的栅极电压变得小于阈值电压vth。其结果是，第一开关和第二开关变为断开状态。另外，由于逻辑l信号被施加到第一转换开关57和第二转换开关77的栅极，因此，第一断开开关55和第二断开开关75变为断开状态。

根据上面描述的本实施例，第一开关swa和第二开关swb改变为接通状态的时刻可以是相同的时刻，由此可以防止电流不平衡的发生。其结果是，可以防止第一开关swa和第二开关swb的可靠性降低。

根据本实施例，针对第一比较器60和第二比较器80，共同地设置通信线l、电阻42和第二恒电压源43作为通信单元。因此，包括第一比较器60的第一基板50侧和包括第二比较器80的第二基板70侧中的每一个能够监控供给至栅极的充电电流的状态。特别地，根据本实施例，各个与电路61和81将输出信号从比较器60和80经由共用通信线l输入。因此，除了由两个比较器监视充电电流的状态的构造之外，还可以容易地实现基于监控结果将断开开关改变为接通状态的构造。

(第二实施例)

在下文中，将参考附图描述第二实施例。在第二实施例中，将主要描述与第一实施例不同的构造。根据本实施例，第一断开开关55和第二断开开关75拥有断开钳位功能。

图4示出了根据本实施例的驱动电路dr的构造。在图4中，为了方便起见，相同的附图标记应用于与图2中所示的构造相同的构造。

第一基板50还包括第一判断比较器63、第一判断与电路64和第一或电路65。

第一a端子t1a连接到第一判断比较器63的反相输入端子。参考电压vref连接到第一判断比较器63的非反相输入端子。参考电压vref设定为高于0并且小于上面描述的阈值电压vth。

第一判断与电路64输入由第一驱动单元62输出的相对于第一转换开关57的命令信号的逻辑反相信号以及第一判断比较器63的输出信号。第一或电路65输入每个来自第一与电路61和第一判断与电路64的输出信号。第一断开开关55的栅极输入第一或电路的输出信号。

对于第二基板70，安装有第二判断比较器83、第二判断与电路84以及第二或电路85。

第二a端子t2a连接到第二判断比较器83的反相输入端子。第二判断比较器83的非反相输入端子输入上面描述的参考电压vref。

第二判断与电路84输入从第二驱动电路82输出的相对于第二转换开关77的命令信号的逻辑反相信号以及第二判断比较器83的输出信号。第二或电路85输入第二与电路81和第二判断与电路84的输出信号。第二或电路85的输出信号输入到第二断开开关75的栅极。

根据本实施例，第一与电路61和第一或电路65相当于第一开关swa的转换单元，第二与电路81和第二或电路85相当于第二开关swb的转换单元。第一判断比较器63、第一判断与电路64和第一或电路65相当于用于第一开关swa的断开钳位控制单元，第二判断比较器83、第二判断与电路84和第二或电路85相当于用于第二开关swb的断开钳位控制单元。

随后，参考图5，将描述第一断开开关55和第二断开开关75起到断开钳位开关的作用。图5的(a)至图5的(j)对应于上述图3的(a)至图3的(j)。图5的(k)表示第一判断比较器63和第二判断比较器83的输出信号的变化。此外，图5中所示的时刻t1至t4相当于图3中所示的上述t1至t4。

在时刻t4之后，第一开关swa和第二开关swb处的栅极电压减小。然后在时刻t5，栅极电压降低到低于参考电压vref，由此第一判断比较器63和第二判断比较器83的输出信号的逻辑状态从l变为h。因此，第一判断与电路64和第二判断与电路84的输出信号的逻辑状态变为h，并且第一或电路65和第二或电路85的输出信号的逻辑状态变为h。其结果是，在驱动信号sg指示断开命令的时段期间，第一断开开关55和第二断开开关75变为接通状态，由此起到断开钳位开关的作用。因此，可以避免应该保持断开状态的第一开关swa和第二开关swb错误地接通的自接通现象。

此后，在通信信号com的逻辑状态变为h的时刻t6，第一断开开关55和第二断开开关75变为断开状态。因此，第一开关swa和第二开关swb变为接通状态。

根据如上所述的本实施例，通过添加这样的简单构造、即第一判断比较器63和第二判断比较器83、第一判断与电路64和第二判断与电路84以及第一或电路65和第二或电路85，第一断开开关55和第二断开开关75可起到断开钳位开关的作用。

(第三实施例)

在下文中，将参考附图描述第三实施例。在第三实施例中，将主要描述与第一实施例不同的构造。根据本实施例，恒定电压控制被用于改变第一开关swa和第二开关swb的状态，以替代使用恒定电流控制。

图6示出了根据本实施例的驱动电路dr。在图6中，为了方便起见，相同的附图标记应用于与图2中所示的构造相同的构造。

首先，将描述第一基板50的构造。恒电压源41连接到第一充电开关52的源极。第一a端子t1a连接到第一比较器60的反相输入端子。安装在第一基板50上的第一电源66的正端子连接到第一比较器60的非反相输入端子。第一开关swa的发射极连接到第一电源66的负端子。

随后，将描述第二基板70的构造。恒电压源41连接到第二充电开关72的源极。第二a端子t2a连接到第二比较器80的反相输入端子。安装在第二基板70上的第二电源86的正端子连接到第二比较器80的非反相输入端子。第二开关swb的发射极连接到第二电源86的负端子。

根据本实施例，第一充电开关52和第一b充电电阻51b相当于用于第一开关swa的恒电压充电单元，第二充电开关72和第二b充电电阻71b相当于用于第二开关swb的恒电压充电单元。根据本实施例，第一电源66和第二电源86的输出电压称为预定电压vs。预定电压vs设定为大于0且小于上面描述的阈值电压。

根据如上所述的本实施例，当在驱动信号sg指示接通命令的状态下，第一开关swa和第二开关swb的两个栅极电压都超过预定电压vs时，第一断开开关55和第二断开开关75变为断开状态。因此，第一开关swa和第二开关swb被同步为接通状态，并且可以防止电流不平衡的发生。

(其他实施例)

可以以下面的方式修改上面描述的实施例。

施加到第一比较器60和第二比较器80的反相输入端子的电压可以是第一开关swa和第二开关swb的栅极电压的分压。在这种情况下，由于预定电压vs相当于分压值，因此，预定电压vs可以设定为小于第三实施例中设定的值。

第一断开开关55和第二断开开关75起到断开钳位开关的作用的构造可以适用于第三实施例的构造。

作为通信单元的构造，例如，可以利用如图7所示的构造。在图7中，为了方便起见，相同的附图标记应用于与图2中的所示的构造相同的构造。

第一开关swa和第二开关swb的发射极连接到电阻42的第一端。此外，对于第一比较器60和第二比较器80中的每一个，与图2所示的信号相比，非反相输入端子处的输入信号和反相输入端子处的输入信号交换。第一与电路61和第二与电路81输入第一比较器60和第二比较器80的输出信号，以代替第一比较器60和第二比较器80的输出信号的逻辑反相信号。在这种情况下，当流过各个第一a充电电阻51a和第二a充电电阻71a的每个充电电流超过预定电流时，第一比较器60和第二比较器80的输出信号的逻辑状态从h变为l，并且第一断开开关55和第二断开开关75可以是断开状态。

驱动电路dr的组件可以安装到单个共用基板上，以代替安装在分开的两个基板上。

构成逆变器的开关不限于igbt，例如可以采用sic的n沟道mosfet。在这种情况下，开关的高侧端子是漏极，低侧端子是源极。

作为接地，不限于开关swa和开关swb的发射极。例如，可以使用负电压源。负电压源输出低于上述发射极的电压的负电压。

构成逆变器的开关的并联连接的数量不限于2，而是可以使用3或更多个连接。例如，可以根据逆变器的输出电流的量来改变开关的并联连接的数量。在这种情况下，当设置与并联连接的数量相适的驱动电路时，制造成本和开发工时增加。在这个方面，由于利用了可以使各个开关变为接通状态的变化时刻相同的上面描述的构造，即使在设计阶段改变开关的并联连接的数量，也能使各个开关变为接通状态的变化时刻相同，同时减少制造成本和开发工时。

作为电力转换器，不限于逆变器，而是输出转换后的输入电压的dc-dc转换器。具体地，转换器包括使输入电压降压的降压功能和输出升压后的输入电压的升压功能中的至少一个。