一种功率开关驱动电路、方法及电器设备与流程

本发明涉及电子电路技术领域，具体而言，涉及一种功率开关驱动电路、方法及电器设备。

背景技术：

在电器设备的电力转换设备中，功率开关(例如绝缘栅双极性晶体管，insulatedgatebipolartransistor，igbt)是最核心的器件之一，决定着电力转换是否正常进行。然而功率开关在运行过程中，栅极电压常常会受到各种干扰，形成尖峰电压，该尖峰电压会导致功率开关被击穿损坏的风险，功率开关一旦被击穿，将降低整个设备运行的可靠性和安全性。

针对现有技术中功率开关的栅极产生的尖峰电压导致功率开关被击穿的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

本发明实施例中提供一种功率开关驱动电路、方法及电器设备方法及装置，以解决现有技术中功率开关的栅极产生的尖峰电压导致功率开关被击穿的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种功率开关驱动电路，该电路包括：

首末串联设置的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的首端连接驱动芯片的第一输出端口，所述第二电阻的末端连接功率开关的栅极；

第一开关，其输入端连接至所述第一电阻和所述第二电阻之间，其输出端连接至所述第二电阻与所述功率开关的栅极之间；

控制模块，其输入端连接至所述第二电阻和所述功率开关的栅极之间，其输出端连接所述第一开关的控制端，用于根据所述第二电阻和所述功率开关的栅极之间的电压，控制所述第一开关的通断状态，以控制所述功率开关的驱动电阻的值。

进一步地，所述第二电阻的阻值大于所述第一电阻的阻值。

进一步地，所述控制模块包括第一分压单元、第二开关、第二分压单元和单向元件；

其中，所述第一分压单元的第一端连接正向偏压源，第二端连接第二开关的输入端，第三端连接所述第一开关的控制端；

所述第二开关的输出端连接至第二分压单元的第二端与所述驱动芯片的第二输出端口之间；

所述第二分压单元的第一端连接所述单向元件的阳极，第二端连接至所述功率开关的射极和所述驱动芯片的第二输出端口之间，第三端连接第二开关的控制端；

所述单向元件的阴极连接至所述第二电阻和所述功率开关的栅极之间。

进一步地，所述第一分压单元包括：

首末串联的第三电阻和第四电阻，所述第三电阻的首端连接所述正向偏压源，所述第四电阻的末端连接所述第二开关的输入端，所述第三电阻和所述第四电阻之间的线路连接所述第一开关的控制端。

进一步地，所述第二分压单元包括：

首末串联的第五电阻和第六电阻，所述第五电阻的首端连接所述单向元件的阳极，所述第六电阻的末端连接至所述功率开关的射极和所述驱动芯片的第二输出端口之间，所述第五电阻和所述第六电阻之间的线路连接所述第二开关的控制端。

进一步地，所述第一开关为n沟道型mos管，所述第二开关为npn型三级管。

进一步地，所述控制模块还包括：

第一防反接元件，其阳极连接所述单向元件的阳极，阴极连接所述第二分压单元的第一端。

进一步地，所述电路还包括：

第二防反接元件，其阳极连接所述第一开关的输出端，其阴极连接至所述第二电阻与所述功率开关的栅极之间。

本发明还提供一种电器设备，包括功率开关，还包括上述功率开关驱动电路。

进一步地，所述电器设备至少包括以下其中之一：

空调、洗衣机、冰箱、热水器、风扇、烘干机、空气净化器、净水器、纯水机。

本发明还提供一种功率开关驱动方法，应用于上述功率开关驱动电路，该方法包括：

根据第二电阻与功率开关的栅极之间的电压控制第一开关的通断状态；

根据所述第一开关的通断状态控制功率开关的驱动电阻的值。

进一步地，根据第二电阻与功率开关的栅极之间的电压控制第一开关的通断状态，包括：

根据所述第二电阻与所述功率开关的栅极之间的电压控制单向元件的击穿状态；其中，所述单向元件的阴极连接至所述第二电阻和所述功率开关的栅极之间，阴极连接第二分压单元；

根据所述单向元件的击穿状态控制第二开关的通断状态；其中，所述第二开关的控制端连接第二分压单元，输入端连接第一分压单元，所述分压单元连接第一开关；

根据所述第二开关的通断状态控制所述第一开关的通断状态。

进一步地，根据所述第二电阻与所述功率开关的栅极之间的电压控制单向元件的击穿状态，包括：

如果所述第二电阻与所述功率开关的栅极之间的电压大于或等于预设阈值，则所述单向元件击穿；

如果所述第二电阻与所述功率开关的栅极之间的电压小于所述预设阈值，则所述单向元件截止。

进一步地，根据所述单向元件的击穿状态控制第二开关的通断状态，包括：

如果所述单向元件击穿，则控制所述第二开关导通；

如果所述单向元件截止，则控制所述第二开关关断。

进一步地，根据所述第二开关的通断状态控制所述第一开关的通断状态，包括：

如果所述第二开关导通，则控制所述第一开关关断；

如果所述第二开关关断，则控制所述第一开关导通。

进一步地，根据所述第一开关的通断状态控制功率开关的驱动电阻的值，包括：

如果所述第一开关导通，则控制所述功率开关的驱动电阻的值为第一电阻的阻值；

如果所述第一开关关断，则控制所述功率开关的驱动电阻的值为第一电阻的阻值与第二电阻的阻值之和；

其中，所述第二电阻的阻值大于所述第一电阻的阻值。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述功率开关驱动方法。

应用本发明的技术方案，通过在串联设置的第一电阻和第二电阻中的第二电阻两端并联第一开关，通过控制模块，根据第二电阻和功率开关的栅极之间的电压，控制所述第一开关的通断状态，进而控制所述功率开关的驱动电阻值等于为第一电阻的阻值或者第一电阻与第二电阻的阻值之和，从而改变功率开关的驱动电阻大小，进而改变功率开关的开关速率，通过上述方案，能够实现根据功率开关的栅极电压改变功率开关的开关速率，在出现尖峰电压后，抑制尖峰电压，避免功率开关在栅极出现尖峰电压时被击穿，提升可靠性和安全性。

附图说明

图1为根据本发明实施例的功率开关驱动电路的结构图；

图2为根据本发明另一实施例的功率开关驱动电路的结构图；

图3为根据本发明实施例的功率开关驱动方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二等来描述电阻，但这些电阻不应限于这些术语。这些术语仅用来将不同电阻区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一电阻也可以被称为第二电阻，类似地，第二电阻也可以被称为第一电阻。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”、“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。

下面结合附图详细说明本发明的可选实施例。

实施例1

本实施例提供一种功率开关驱动电路，图1为根据本发明实施例的功率开关驱动电路的结构图，如图1所示，该电路包括：首末串联的第一电阻r1和第二电阻r2，第一电阻r1的末端与第二电阻r2的首端连接，形成串联结构，同时，第一电阻r1的首端和第二电阻r2的末端可连接其他元器件。第一电阻r1的首端连接驱动芯片ic的第一输出端口vo，第二电阻r2的末端连接功率开关的栅极g。

上述功率开关驱动电路还包括第一开关q1，其输入端连接至第一电阻r1和第二电阻r2之间，其输出端连接至第二电阻r2与功率开关的栅极g之间，即第一开关q1与第二电阻r2并联设置；

上述功率开关驱动电路还包括控制模块10，其输入端连接至第二电阻r2和功率开关的栅极g之间，其输出端连接第一开关q1的控制端，用于根据第二电阻r2和功率开关的栅极g之间的电压，控制第一开关q1的通断状态，以控制功率开关的驱动电阻的值，进而控制功率开关的开关速率。

具体地，在功率开关的栅极g未出现尖峰电压时，第二电阻r2和功率开关的栅极g之间的电压小于预设阈值，控制第一开关q1导通，第二电阻r2被短路，只有第一电阻r1接入电路，驱动电阻的值等于第一电阻r1的阻值，此时，由于驱动电阻较小，功率开关的开关速率相对较高；在功率开关的栅极g出现尖峰电压时，第二电阻r2和功率开关的栅极g之间的电压大于或等于预设阈值，控制第一开关q1关断，第一电阻r1和第二电阻r2同时接入电路，驱动电阻的值等于第一电阻r1和第二电阻r2的阻值之和，此时，由于驱动电阻的值增大，功率开关的开关速率降低，尖峰电压得到抑制。

本实施例的功率开关驱动电路，通过在串联设置的第一电阻和第二电阻中的第二电阻两端并联第一开关，通过控制模块，根据第二电阻和功率开关的栅极之间的电压，控制第一开关的通断状态，进而控制功率开关的驱动电阻值等于为第一电阻的阻值或者第一电阻与第二电阻的阻值之和，从而改变功率开关的驱动电阻大小，进而改变功率开关的开关速率，通过上述方案，能够实现根据功率开关的栅极电压改变功率开关的开关速率，在出现尖峰电压后，抑制尖峰电压，避免功率开关在栅极出现尖峰电压时被击穿，提升可靠性和安全性。

实施例2

本实施例提供另一种功率开关驱动电路，在本实施例中，第二电阻r2的阻值大于第一电阻的阻值，以便于在第二电阻r2和功率开关的栅极g之间的电压大于或等于预设阈值时，使驱动电阻增大较大的幅度，从而明显降低功率开关的开关速率。但是第二电阻r2的阻值也不可以无限大，因为正常状态下的开关速率的标准需根据实际工作电路中设定的功率开关的死区时间来确定，第二电阻r2接入电路时会降低功率开关的开关速率，会使实际死区时间缩短，需至少保证实际死区时间大于零或者实际电路要求的最小死区时间，否则会存在两个功率开关同时开通而造成短路损坏的风险。因此，当设定的死区时间较大时，第二电阻r2的极限阻值也可相应的更大，当设定的死区时间较小时，第二电阻r2的极限阻值也可相应的更小。

图2为根据本发明另一实施例的功率开关驱动电路的结构图，为了实现在第二电阻r2和功率开关的栅极g之间的电压小于预设阈值时，控制第一开关q1导通；在第二电阻r2和功率开关的栅极g之间的电压大于或等于预设阈值时，控制第一开关q1关断，如图2所示，控制模块10包括第一分压单元101、第二开关q2、第二分压单元102和单向元件z。

其中，上述第一分压单元101的第一端连接正向偏压源vcc，第一分压单元101的第二端连接第二开关q2的输入端，第一分压单元101的第三端连接第一开关q1的控制端，第二分压单元102用于输出第一控制电压，控制第一开关q1导通或关断。

上述第二开关q2的输出端连接至第二分压单元102的第二端与驱动芯片ic的第二输出端口ve之间，第二开关q2用于根据自身的通断状态控制第一开关q1的通断状态。

上述第二分压单元102的第一端连接单向元件z的阳极，第二端连接至功率开关的射极e和驱动芯片ic的第二输出端口ve之间，第三端连接第二开关q2的控制端，第二分压单元102用于输出第二控制电压，以控制第二开关q2的导通或关断。

上述单向元件z的阴极连接至第二电阻r2和功率开关的栅极g之间，用于基于第二电阻r2和功率开关的栅极g之间的电压控制自身的击穿状态，在本实施例中该单向元件z为击穿二极管。

在功率开关的栅极g未出现尖峰电压时，第二电阻r2和功率开关的栅极g之间的电压小于预设阈值，单向元件z截止，第二开关q2关断，第一开关q1的输入电压为正向偏压源vcc输出的正向偏压经第一分压单元101中的第三电阻r3分压后的电压，该电压较高，能够控制第一开关导通，第二电阻r2被短路，只有第一电阻r1接入电路，驱动电阻的值等于第一电阻r1的阻值，此时，由于驱动电阻较小，功率开关的开关速率较高；在功率开关的栅极g出现尖峰电压时，第二电阻r2和功率开关的栅极g之间的电压大于或等于预设阈值，单向元件z击穿，第二开关q2导通，第一开关q1的输入电压被拉低，不能够控制第一开关导通，因此第一开关q1关断，第一电阻r1和第二电阻r2同时接入电路，驱动电阻的值等于第一电阻r1和第二电阻r2的阻值之和，此时，由于驱动电阻增大，功率开关的开关速率降低，尖峰电压得到抑制。在本实施例中，预设阈值设置为单向元件z的击穿电压，即，单向元件z输入的反向电压超过该预设阈值，单向元件z将被击穿。

由于第一开关的输入电压有最大限值，为了实现分压保护作用，第一分压单元101包括：首末串联设置的第三电阻r3和第四电阻r4，第三电阻r3的末端与第四电阻r4的首端连接，形成串联结构，第三电阻r4的首端连接正向偏压源vcc，第四电阻r4的末端连接第二开关q2的输入端，第三电阻r3和第四电阻r4之间的线路连接第一开关q1的控制端。

由于第二开关的输入电压同样也有最大限值，为了实现分压保护作用，第二分压单元102包括：首末串联设置的第五电阻r5和第六电阻r6，第五电阻r5的末端与第六电阻r6的首端连接，形成串联结构，第五电阻r5的首端连接单向元件z的阳极，第六电阻r6的末端连接至功率开关的射极e和驱动芯片ic的第二输出端口ve之间，第五电阻r5和第六电阻r6之间的线路连接所述第二开关的控制端。

由于通过电压控制通断的开关的类型和原理不同，为了实现在单向元件击穿时导通，在单向元件截止时关断，上述第二开关q2为npn型三级管。为了实现在第二开关q2关断时导通，在第二开关q2导通时关断，所述第一开关为n沟道型mos管。

为了控制电流方向，避免电流反向导通，上述控制模块10中还包括：第一防反接元件d1，其阳极连接单向元件z的阳极，阴极连接第二分压单元102的第一端，以控制电流只能沿单向元件z的阳极流向第二分压单元102的第一端。

类似地，上述功率开关驱动电路还包括：第二防反接元件d2，其阳极连接第一开关q1的输出端，其阴极连接至第二电阻r2与功率开关的栅极g之间，以控制电流只能沿第一开关q1的输出端流向第二电阻r2与功率开关的栅极g之间。

在本实施例中，上述第一防反接元件d1和第二防反接元件d2均为二极管。

实施例3

本实施例提供一种功率开关驱动方法，应用于上述实施例中的功率开关驱动电路，图3为根据本发明实施例的功率开关驱动方法的流程图，如图3所示，该方法包括：

s101，根据第二电阻与功率开关的栅极之间的电压控制第一开关的通断状态。

在功率开关的栅极未出现尖峰电压时，第二电阻和功率开关的栅极之间的电压小于预设阈值，此时控制第一开关导通；在功率开关的栅极出现尖峰电压时，第二电阻和功率开关的栅极之间的电压大于或等于预设阈值，控制第一开关关断。

s102，根据第一开关的通断状态控制功率开关的驱动电阻的值。

在功率开关的栅极未出现尖峰电压，第一开关导通后，第二电阻被短路，只有第一电阻接入电路，驱动电阻的值等于第一电阻的阻值，此时，由于驱动电阻较小，功率开关的开关速率较高；在功率开关的栅极出现尖峰电压，第一开关关断后，第一电阻和第二电阻同时接入电路，驱动电阻的值等于第一电阻和第二电阻的阻值之和，此时，由于驱动电阻增大，功率开关的开关速率降低，尖峰电压得到抑制。

本实施例的功率开关驱动方法，首先根据第二电阻与功率开关的栅极之间的电压控制第一开关的通断状态，进而根据第一开关的通断状态控制功率开关的驱动电阻的值。能够实现根据功率开关的栅极电压改变功率开关的开关速率，在出现尖峰电压后，抑制尖峰电压，避免功率开关在栅极出现尖峰电压时被击穿，提升可靠性和安全性。

实施例4

本实施例提供另一种功率开关驱动方法，为了实现在出现尖峰电压时，控制第一开关导通，在未出现尖峰电压时，控制第一开关关断，上述步骤s101，具体包括：

根据第二电阻与功率开关的栅极之间的电压控制单向元件的击穿状态；其中，单向元件的阴极连接至第二电阻和功率开关的栅极之间，阴极连接第二分压单元。具体地，如果第二电阻与功率开关的栅极之间的电压小于预设阈值，则说明出现尖峰电压，单向元件击穿；如果第二电阻与功率开关的栅极之间的电压小于上述预设阈值，则说明未出现尖峰电压，单向元件截止。

根据单向元件的击穿状态控制第二开关的通断状态；其中，第二开关的控制端连接第二分压单元，输入端连接第一分压单元，第一分压单元连接第一开关。具体地，如果单向元件击穿，则控制所述第二开关导通；如果单向元件截止，则控制第二开关关断。

根据第二开关的通断状态控制第一开关的通断状态。具体地，如果第二开关导通，则控制第一开关关断；如果第二开关关断，则控制第一开关导通。

为了实现在未出现尖峰电压时，使功率开关的开关速率保持正常，在出现尖峰电压时，使功率开关的开关速率降低，根据所述第一开关的通断状态控制功率开关的驱动电阻的值，包括：如果所述第一开关导通，则控制功率开关的驱动电阻的值为第一电阻的阻值，使功率开关的开关速率保持正常；如果所述第一开关关断，则控制功率开关的驱动电阻的值为第一电阻的阻值与第二电阻的阻值之和，使功率开关的开关速率降低；其中，第二电阻的阻值大于第一电阻的阻值。

综上所述，在功率开关栅极未出现尖峰电压时，第二电阻与功率开关的栅极之间的电压小于上述预设阈值，单向元件截止，第二开关关断，第一开关导通，驱动电阻的值为第一电阻的阻值，开关速率保持正常；在功率开关栅极出现尖峰电压时，第二电阻与功率开关的栅极之间的电压大于或等于上述预设阈值，单向元件击穿，第二开关导通，第一开关关断，驱动电阻的值为第一电阻的阻值与第二电阻的阻值之和，开关速率降低，抑制尖峰电压。

实施例5

本实施例提供另一种功率开关驱动电路，应用于igbt的驱动，该功率开关驱动电路的结构如上文提及的图2中所示，其中，驱动芯片ic的第一输出端口vo和第二输出端口ve为驱动芯片的驱动信号端口，用于输出驱动信号，驱动芯片ic上还设置由正向偏压源vcc，第一输出端口vo通过串联的第一电阻r1和第二电阻r2连接功率开关的栅极g，第二输出端口ve连接功率开关的射极e。

第一电阻r1的阻值为igbt的驱动电阻的推荐值，第二电阻r2的阻值大于第一电阻r1的阻值，第二电阻r2的阻值需根据实际工作电路来确定，但是其值也不能过大，否则会使开关速率过慢导致与其他igbt存在同时开通的现象，也会造成功率开关短路击穿损坏。

上述功率开关驱动还包括单向元件z，第一防反接二元件d1、第二防反接二元件d2，第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6，用于实现分压保护。

如图2所示，第一开关q1和第二防反接元件d2串联后，并联在第二电阻r2两端，第一开关q1的栅极(即控制端)通过第三电阻r3连接正向偏压源vcc，同时第一开关q1的栅极还通过第四电阻r4连接第二开关q2的输入端，第二开关q2的栅极(即控制端)依次通过第五电阻r5、第一防反接二元件d1和单向元件z连接至igbt的栅极g，第二开关q2的栅极还通过第六电阻r6连接至igbt的射极e。其中，第二开关q2为npn型三极管，第一开关q1为n沟道型mos管。

本实施例提供另一种功率开关驱动方法，该方法包括：

s1，检测igbt的栅极电压，判断是否出现尖峰电压，如果否，则执行步骤s2；如果是，则执行步骤s3。

s2，控制第一开关q1导通。

未出现尖峰电压时，第一输出端口vo正常输出导通与关断信号，igbt的栅极低于预设阈值，单向元件z截止，第二开关q2关断，vcc持续向第一开关q1输出正向偏压，使得第一开关q1导通，第二防反接元件d2也导通，此时第二电阻r2被短路，igbt的驱动电阻的值为第一电阻r1的阻值，igbt此时保持正常工作时的开关速率。

s3，控制第一开关q1关断。

当栅极出现尖峰电压时，第一输出端口vo正常输出导通与关断信号，igbt的栅极超过预设阈值，单向元件z被击穿，第一防反接二元件d1导通，第二开关q2导通，将第四电阻r4前端电位拉低，使得第一开关q1栅极电压降低，进而第一开关q1关断，第二电阻r2接入电路中，驱动电阻的值为第一电阻r1与第二电阻r2的阻值之和，此时驱动电阻增大，igbt的开关速率降低，电压尖峰得到抑制。

本实施例的功率开关驱动电路和方法，在igbt运行时监测其栅极是否有尖峰电压，从而控制的驱动电阻的阻值，来改变igbt的开关速率，当有尖峰电压时，降低igbt的开关速率，降低尖峰电压，保护igbt不被击穿。

实施例6

本实施例提供一种电器设备，包括功率开关，还包括上述功率开关驱动电路，用于抑制功率开关的栅极的尖峰电压，保证电器设备的稳定和可靠运行，在本实施例中，上述电器设备至少包括以下其中之一：空调、洗衣机、冰箱、热水器、风扇、烘干机、空气净化器、净水器、纯水机。

实施例7

本实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现上述实施例中的功率开关驱动方法。

以上所描述的电路实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

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各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，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)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。