功率开关管的驱动装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种功率开关管的驱动装置，包括：用于提供驱动信号的信号提供模块；具有负压单元的驱动模块，用于在接收到开通驱动信号时输出正电压给功率开关管的门极以驱动功率开关管开通，并且用于在接收到关断驱动信号时通过负压单元输出负电压给功率开关管的门极以驱动功率开关管关断；其中，负压单元用于在驱动装置启动后的预设时间内建立负电压，负压单元包括第一电容、第二电容、第一电阻和第一稳压管，第一电容的一端与第一电阻的一端相连，第二电容的一端与第一电阻的另一端相连，第二电容的另一端接地，第一稳压管的阳极与第一电容的另一端相连，第一稳压管的阴极与第一电容的一端相连后接地，可防止上下桥臂的功率开关管发生直通事故。
【专利说明】
功率开关管的驱动装置
技术领域
[0001]本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种功率开关管的驱动装置。
【背景技术】
[0002]在桥式电路或者Buck、B00St等电路同步整流应用中，上(下)开关管开通关断会使节点电压产生比较大的电压变化率，进而使下(上)开关管的门极与源极之间的电压有个明显的尖峰。
[0003]普通高压MOSFET的阈值电压较高，约为3?5V，而且寄生电容比较大，开关速度比较慢，上述问题还未引起足够的重视。但是，在相关技术中，低压MOSFET的阈值电压减小至约2V，而且低压MOSFET的寄生电容小，开关速度快，电压变化率比较大，在开关管的门极与源极之间引起的电压尖峰很容易达到其阈值电压，从而引起上下桥臂的MOSFET直通。
【发明内容】
[0004]本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种功率开关管的驱动装置，该装置可防止上下桥臂的功率开关管发生直通事故，提高可靠性。
[0005]为达到上述目的，本发明提出了一种功率开关管的驱动装置，包括:信号提供模块，所述信号提供模块用于提供驱动信号，其中，所述驱动信号包括开通驱动信号和关断驱动信号；
[0006]驱动模块，所述驱动模块的第一输入端与所述信号提供模块的第一输出端相连，所述驱动模块的第二输入端与所述信号提供模块的第二输出端相连，所述驱动模块的输出端与所述功率开关管的门极相连，所述驱动模块具有负压单元，所述驱动模块用于在接收到所述开通驱动信号时输出正电压给所述功率开关管的门极以驱动所述功率开关管开通，并且所述驱动模块用于在接收到所述关断驱动信号时通过所述负压单元输出负电压给所述功率开关管的门极以驱动所述功率开关管关断；其中，所述负压单元用于在所述驱动装置启动后的预设时间内建立负电压，所述负压单元包括第一电容、第二电容、第一电阻和第一稳压管，所述第一电容的一端与所述第一电阻的一端相连，所述第二电容的一端与所述第一电阻的另一端相连，所述第二电容的另一端接地，所述第一稳压管的阳极与所述第一电容的另一端相连，所述第一稳压管的阴极与所述第一电容的一端相连，所述第一稳压管的阴极还接地。
[0007]根据本实施例提出的功率开关管的驱动装置，可在驱动装置的启机阶段即在第一次开关中，便可使得功率开关管关断时功率开关管的门极与源极之间电压为负值，防止上下桥臂的功率开关管发生直通事故，提高可靠性。
[0008]根据本发明的一个实施例，所述预设时间与所述第一电容和所述第二电容的电容值相关，且所述第一电容的电容值大于所述第二电容的电容值。
[0009]根据本发明的一个实施例，所述驱动模块包括:第二电阻，所述第二电阻的一端与所述信号提供模块的第一输出端相连;第一二极管，所述第一二极管的阳极与所述信号提供模块的第一输出端相连;可控开关管，所述可控开关管的第一端分别与所述第一二极管的阴极和所述第二电阻的另一端相连，所述可控开关管的第二端与所述第一电容的另一端相连，所述可控开关管的控制端与所述信号提供模块的第二输出端相连;第二二极管，所述第二二极管的阳极与所述可控开关管的第一端相连，所述第二二极管的阴极与所述第二电容的一端相连;第三二极管，所述第三二极管的阳极与所述可控开关管的第二端相连，所述第三二极管的阴极与所述可控开关管的控制端相连。
[0010]进一步地，所述驱动模块还包括:第三电阻，所述第三电阻的一端与所述可控开关管的第一端相连，所述第三电阻的另一端与可控开关管的控制端相连。
[0011]进一步地，所述驱动模块还包括:第四电阻，所述第四电阻的一端分别与所述第二二极管的阳极和所述可控开关管的第一端相连，所述第四电阻的另一端与所述第二电容的另一端相连，所述第四电阻的另一端还接地。
[0012]进一步地，所述驱动模块还包括:第五电阻，所述第五电阻的一端与所述第四电阻的一端相连，所述第五电阻的另一端与所述功率开关管的门极相连。
[0013]进一步地，所述驱动模块还包括:第二稳压管，所述第二稳压管的阴极与所述第四电阻的一端相连;第三稳压管，所述第三稳压管的阳极与所述第二稳压管的阳极相连，所述第三稳压管的阴极与所述第四电阻的另一端相连。
[0014]根据本发明的一个实施例，当所述驱动模块为两个时，所述信号提供模块用于对应提供两路驱动信号，其中，所述信号提供模块包括:变压器，所述变压器用于将控制装置输出的控制信号变换为所述驱动信号，所述变压器具有初级线圈、第一次级线圈和第二次级线圈，所述初级线圈的同名端与所述控制装置的第一输出端相连，所述初级线圈的异名端与所述控制装置的第二输出端相连，所述第一次级线圈的同名端与第一个驱动模块的第一输入端相连，所述第一次级线圈的异名端与所述第一个驱动模块的第二输入端相连，所述第二次级线圈的同名端与第二个驱动模块的第二输入端相连，所述第二次级线圈的异名端与所述第二个驱动模块的第一输入端相连。
[0015]根据本发明的一个实施例，所述功率开关管可为碳化硅MOSFET或者氮化镓MOSFETo
【附图说明】
[0016]图1是根据本发明实施例的功率开关管的驱动装置的方框示意图；
[0017]图2是根据本发明一个实施例的功率开关管的驱动装置的电路原理图；
[0018]图3是根据本发明另一个实施例的功率开关管的驱动装置的电路原理图；
[0019]图4是根据本发明一个实施例的全桥LLC的三路驱动信号的波形示意图；
[0020]图5是图4的展开图；
[0021]图6是相关技术中的全桥LLC的三路驱动信号的波形示意图；以及
[0022]图7是图6的展开图。
【具体实施方式】
[0023]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0024]下面先简单介绍一下相关技术中功率开关管的驱动装置。
[0025]为了解决上下桥臂的MOSFET(Metal-Oxide_SemiconductorField-EffectTransistor，金属半导体场效应管)直通的问题，相关技术提出了一种在驱动线路上加入负压的方案，即在MOSFET关断时输出驱动负压值。相关技术的驱动电压的波形示意图如图6和7所示，从图6和图7所示的波形图可以看出，相关技术存在以下问题:在启动阶段，需经过约400uS，才使MOSFET关闭时MOS FET的门极和源极之间电压为某一固定负值，由此可知，在启动阶段还是存在MOS FET直通的隐患。
[0026]基于此，本发明提出了一种新的功率开关管的驱动装置，该驱动装置适用于移相全桥、LLC半(全)桥谐振变换器等桥式电路拓扑，并且，驱动装置可用于驱动不适用普通对称正负压驱动的功率开关管。
[0027]图1是根据本发明实施例的功率开关管的驱动装置的方框示意图。如图1所示，功率开关管的驱动装置包括:信号提供模块10和驱动模块20。根据本发明的一个实施例，功率开关管可为碳化娃MOSFET或者氮化镓MOSFET等低阈值电压的MOSFET。
[0028]其中，信号提供模块10用于提供驱动信号，驱动信号包括开通驱动信号和关断驱动信号；驱动模块20的第一输入端与信号提供模块10的第一输出端相连，驱动模块20的第二输入端与信号提供模块10的第二输出端相连，驱动模块20的输出端与功率开关管30的门极相连，驱动模块20用于根据驱动信号驱动功率开关管30开通或关断。
[0029]驱动模块20具有负压单元21，驱动模块20用于在接收到开通驱动信号时输出正电压给功率开关管30的门极以驱动功率开关管30开通，并且驱动模块20用于在接收到关断驱动信号时通过负压单元21输出负电压给功率开关管30的门极以驱动功率开关管30关断。即言，驱动模块20可通过正电压驱动功率开关管30开通，并通过负电压驱动功率开关管30关断。
[0030]其中，负压单元21用于在驱动装置启动后的预设时间内建立负电压，负压单元21包括第一电容Cl、第二电容C2、第一电阻Rl和第一稳压管ZDl，第一电容Cl的一端与第一电阻Rl的一端相连，第二电容C2的一端与第一电阻Rl的另一端相连，第二电容C2的另一端接地，第一稳压管ZDl的阳极与第一电容Cl的另一端相连，第一稳压管ZDl的阴极与第一电容Cl的一端相连，第一稳压管ZDl的阴极还接地。
[0031]其中，根据本发明的一个实施例，预设时间与第一电容Cl和第二电容C2的电容值相关，且第一电容Cl的电容值大于第二电容C2的电容值。具体地，预设时间可为功率开关管30的一个开关周期。
[0032]具体来说，如图1所示，在第一电阻Rl的两端并联一个第二电容C2，在驱动装置通电的瞬间，由于第二电容C2两端的电压为0，因此第一电容Cl上的电压可很快建立，通过适当选取第一电容Cl的电容值和第二电容C2的电容值，可以使负压单元21在一个开关周期内建立负压。由此，可在启动阶段即在第一次开关中输出负电压至功率开关管30的门极，以使功率开关管30的门极和源极之间电压为某一固定负值，使得功率开关管30关断，从而防止桥式电路中上下桥臂的功率开关管发生直通事故，
[0033]由此，根据本实施例提出的功率开关管的驱动装置，可在驱动装置的启机阶段即在第一次开关中，便可使得功率开关管关断时功率开关管的门极与源极之间电压为负值，防止上下桥臂的功率开关管发生直通事故，提高可靠性。
[0034]下面结合图2来描述本发明实施例的功率开关管的驱动装置的电路结构。
[0035]根据本发明的一个实施例，如图2所示，驱动模块20包括:第二电阻R2、第一二极管Dl、可控开关管Ql、第二二极管D2、第三二极管D3。
[0036]其中，第二电阻R2的一端与信号提供模块10的第一输出端相连;第一二极管Dl的阳极与信号提供模块10的第一输出端相连，即第一二极管DI的阳极与第二电阻R2的一端相连以作为驱动模块20的第一输入端;可控开关管Ql的第一端即漏极分别与第一二极管Dl的阴极和第二电阻R2的另一端相连，可控开关管Ql的第二端即源极与第一电容Cl的另一端相连，可控开关管Ql的控制端即门极与信号提供模块20的第二输出端相连，即言可控开关管Ql的控制端作为驱动模块20的第二输入端;第二二极管D2的阳极与可控开关管Ql的第一端相连，第二二极管D2的阴极与第二电容C2的一端相连;第三二极管D3的阳极与可控开关管Ql的第二端相连，第三二极管D3的阴极与可控开关管Ql的控制端相连。
[0037]进一步地，驱动模块20还包括:第三电阻R3，第三电阻R3的一端与可控开关管Ql的第一端相连，第三电阻R3的另一端与可控开关管Ql的控制端相连。
[0038]进一步地，驱动模块20还包括:第四电阻R4，第四电阻R4的一端分别与第二二极管D2的阳极和可控开关管Ql的第一端相连，第四电阻R4的另一端与第二电容C2的另一端相连，第四电阻R4的另一端还接地。
[0039 ] 进一步地，驱动模块20还包括:第五电阻R5，第五电阻R5的一端与第四电阻R4的一端相连，第五电阻R5的另一端作为驱动模块20的输出端与功率开关管30的门极相连，其中，功率开关管30的源极接地。
[0040] 进一步地，驱动模块20还包括:第二稳压管ZD2和第三稳压管ZD3，第二稳压管ZD2的阴极与第四电阻R4的一端相连;第三稳压管ZD3的阳极与第二稳压管ZD2的阳极相连，第三稳压管ZD3的阴极与第四电阻R4的另一端相连。
[0041 ] 在本发明的一个示例中，可控开关管Ql为MOSFET管。
[0042]具体来说，当信号提供模块10输出开通驱动信号时，驱动模块20的第一输入端为正电压，驱动模块20的第二输入端为负电压，可控开关管Ql关断，驱动模块20的输出端输出正电压给功率开关管30以驱动功率开关管30开通，驱动模块20的第一输入端、第一二极管Dl、第二二极管D2、第一电容Cl、第二电容C2、第三二极管D3和驱动模块20的第二输入端形成一个为第一电容Cl和第二电容C2充电的电流回路，在驱动装置通电瞬间，由于第二电容C2的电压为O，因此，第一电容Cl上的电压可以很快建立。其中，通过适当选取Cl的电容值和C3的电容值，可以使驱动装置在一个功率开关管30的一个开关周期内建立负压，其中，Cl大于C3。
[0043]当信号提供模块10输出关断驱动信号时，驱动模块20的第一输入端为负电压，驱动模块20的第二输入端为正电压，可控开关管Ql开通，驱动模块20的输出端在第一电容Cl和第一稳压管ZDl的共同作用下输出负电压给功率开关管30，以驱动功率开关管30关断，其中，第一稳压管ZDl决定了第一电容Cl上的电压幅值，即需要输出的负电压的电压值。
[0044]另外，根据本发明的一个实施例，以桥式电路中的一对上下桥臂为例，当驱动模块20为两个时，信号提供模块20用于对应提供两路驱动信号，其中，信号提供模块10包括:变压器Tl，变压器Tl用于将控制装置输出的控制信号变换为驱动信号，变压器Tl具有初级线圈T1-A、第一次级线圈Tl-B和第二次级线圈T1-C，初级线圈Tl-A的同名端与控制装置的第一输出端相连，初级线圈Tl-A的异名端与控制装置的第二输出端相连，第一次级线圈Tl-B的同名端与第一个驱动模块20-A的第一输入端相连，第一次级线圈Tl-B的异名端与第一个驱动模块20-A的第二输入端相连，第二次级线圈Tl-C的同名端与第二个驱动模块20-B的第二输入端相连，第二次级线圈Tl-C的异名端与第二个驱动模块20-B的第一输入端相连。
[0045]应该理解的是，控制装置用于控制功率开关管的驱动装置，以通过驱动装置驱动功率开关管的开通或关断。
[0046]具体来说，当初级线圈Tl-A的同名端的电压为正时，第一次级线圈Tl-B和第二次级线圈Tl-C的同名端的电压相应地也为正，此时可控开关管Ql关断，驱动模块20的输出端输出正电压给功率开关管30以驱动功率开关管30开通，并且，第一次级线圈Tl-B的同名端、第一二极管Dl、第二二极管D2、第一电容Cl、第二电容C2、第三二极管D3和和第一次级线圈Tl-B的异名端形成一个为第一电容Cl和第二电容C2充电的电流回路，在驱动装置通电瞬间，由于第二电容C2的电压为O，因此，第一电容Cl上的电压可以很快建立。
[0047]当初级线圈Tl-A的同名端的电压为负时，第一次级线圈Tl-B和第二次级线圈Tl-C的同名端的电压相应地也为负，第一次级线圈Tl-B和第二次级线圈Tl-C的异名端的电压相应地也为正，此时可控开关管Ql开通，驱动模块20的输出端在第一电容Cl和第一稳压管ZDl的共同作用下输出负电压给功率开关管30，以驱动功率开关管30关断。
[0048]在本发明的一个实施例中，将上述驱动装置应用到全桥LLC上，图5和图6是在650VDC、8KW/360Vo情况下全桥LLC的三路驱动信号的波形示意图。从图5和图6的波形图中可以看出，在启动阶段即功率开关管30第一次关闭后，功率开关管30的门极和源极之间电压为负电压，证明了此驱动装置的可应用性。
[0049]由上述分析可知，本发明实施例的功率开关管的驱动装置，在启动阶段即在功率开关管第一次开关中，便可使得功率开关管关闭时功率开关管的门极和源极之间电压为负值，防止上下桥臂的功率开关管发生直通事故，提高可靠性。
[0050]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0051 ]此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0052]在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体;可以是机械连接，也可以是电连接;可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0053]在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0054]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0055]尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
【主权项】
1.一种功率开关管的驱动装置，其特征在于，包括: 信号提供模块，所述信号提供模块用于提供驱动信号，其中，所述驱动信号包括开通驱动信号和关断驱动信号； 驱动模块，所述驱动模块的第一输入端与所述信号提供模块的第一输出端相连，所述驱动模块的第二输入端与所述信号提供模块的第二输出端相连，所述驱动模块的输出端与所述功率开关管的门极相连，所述驱动模块具有负压单元，所述驱动模块用于在接收到所述开通驱动信号时输出正电压给所述功率开关管的门极以驱动所述功率开关管开通，并且所述驱动模块用于在接收到所述关断驱动信号时通过所述负压单元输出负电压给所述功率开关管的门极以驱动所述功率开关管关断； 其中，所述负压单元用于在所述驱动装置启动后的预设时间内建立负电压，所述负压单元包括第一电容、第二电容、第一电阻和第一稳压管，所述第一电容的一端与所述第一电阻的一端相连，所述第二电容的一端与所述第一电阻的另一端相连，所述第二电容的另一端接地，所述第一稳压管的阳极与所述第一电容的另一端相连，所述第一稳压管的阴极与所述第一电容的一端相连，所述第一稳压管的阴极还接地。2.根据权利要求1所述的功率开关管的驱动装置，其特征在于，其中，所述预设时间与所述第一电容和所述第二电容的电容值相关，且所述第一电容的电容值大于所述第二电容的电容值。3.根据权利要求1所述的功率开关管的驱动装置，其特征在于，所述驱动模块包括: 第二电阻，所述第二电阻的一端与所述信号提供模块的第一输出端相连； 第一二极管，所述第一二极管的阳极与所述信号提供模块的第一输出端相连； 可控开关管，所述可控开关管的第一端分别与所述第一二极管的阴极和所述第二电阻的另一端相连，所述可控开关管的第二端与所述第一电容的另一端相连，所述可控开关管的控制端与所述信号提供模块的第二输出端相连； 第二二极管，所述第二二极管的阳极与所述可控开关管的第一端相连，所述第二二极管的阴极与所述第二电容的一端相连； 第三二极管，所述第三二极管的阳极与所述可控开关管的第二端相连，所述第三二极管的阴极与所述可控开关管的控制端相连。4.根据权利要求3所述的功率开关管的驱动装置，其特征在于，所述驱动模块还包括: 第三电阻，所述第三电阻的一端与所述可控开关管的第一端相连，所述第三电阻的另一端与可控开关管的控制端相连。5.根据权利要求4所述的功率开关管的驱动装置，其特征在于，所述驱动模块还包括: 第四电阻，所述第四电阻的一端分别与所述第二二极管的阳极和所述可控开关管的第一端相连，所述第四电阻的另一端与所述第二电容的另一端相连，所述第四电阻的另一端还接地。6.根据权利要求5所述的功率开关管的驱动装置，其特征在于，所述驱动模块还包括: 第五电阻，所述第五电阻的一端与所述第四电阻的一端相连，所述第五电阻的另一端与所述功率开关管的门极相连。7.根据权利要求6所述的功率开关管的驱动装置，其特征在于，所述驱动模块还包括: 第二稳压管，所述第二稳压管的阴极与所述第四电阻的一端相连； 第三稳压管，所述第三稳压管的阳极与所述第二稳压管的阳极相连，所述第三稳压管的阴极与所述第四电阻的另一端相连。8.根据权利要求1-7中任一项所述的功率开关管的驱动装置，其特征在于，当所述驱动模块为两个时，所述信号提供模块用于对应提供两路驱动信号，其中，所述信号提供模块包括: 变压器，所述变压器用于将控制装置输出的控制信号变换为所述驱动信号，所述变压器具有初级线圈、第一次级线圈和第二次级线圈，所述初级线圈的同名端与所述控制装置的第一输出端相连，所述初级线圈的异名端与所述控制装置的第二输出端相连，所述第一次级线圈的同名端与第一个驱动模块的第一输入端相连，所述第一次级线圈的异名端与所述第一个驱动模块的第二输入端相连，所述第二次级线圈的同名端与第二个驱动模块的第二输入端相连，所述第二次级线圈的异名端与所述第二个驱动模块的第一输入端相连。9.根据权利要求1所述的功率开关管的驱动装置，其特征在于，所述功率开关管为碳化硅MOSFET或者氮化镓MOSFET。
【文档编号】H02M1/38GK105896955SQ201610234897
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月15日
【发明人】张亮, 刘学超, 赫文强, 阮胜超
【申请人】深圳市鹏源电子有限公司