用于电功率控制的开关器件的驱动电路的制作方法

本公开内容的各实施例涉及用于电功率控制的开关器件的驱动电路，并且更特别地涉及能够改善接通(ON)/断开(OFF)驱动和状态监视的可靠性的用于电功率控制的开关器件的驱动电路。

背景技术：

为了控制被供应给交流电机的电功率，用于电功率控制的半导体开关器件(例如，绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)等)用于电功率转换或电功率控制，其中交流电流被转换成直流电流并且直流电流再次通过逆变器被转换成交流电流。

本公开内容涉及用于电功率控制的这种半导体开关器件的驱动电路。

在用于电功率控制的这种半导体开关器件的驱动电路中，下面将参考图1描述相关技术。

如图1所示，根据相关技术的用于电功率控制的半导体开关器件的驱动电路被配置为包括驱动器电路单元20和控制电路10。

在图1中，附图标记30是半导体开关器件(在下文中被称为开关器件)，其是驱动电路的接通驱动或断开驱动的目标。

开关器件30可以通常被配置有上述IGBT或MOSFET。

开关器件30可以具有发射极、栅极和集电极，并且可以根据在发射极与栅极之间的电压差而被接通或断开。例如，当在发射极与栅极之间的电压差处于12伏(V)到20V的范围中时开关器件30被接通，而当在发射极与栅极之间的电压差处于0V到11V的范围中时开关器件30被断开。

此外，当开关器件30处于接通状态时，在发射极与集电极之间的电压差从处于断开状态中的十伏到几十伏下降到2伏到3伏，并且可以通过检测集电极电压来确定开关器件30是否处于接通状态。然而，根据在发射极与集电极之间流动的电流的量，可能发生在其间的电压差的变化。

驱动器电路单元20连接到开关器件30的栅极和集电极，并且是将驱动信号输出到栅极以将开关器件30驱动为接通状态或者停止驱动信号的输出以将开关器件30从接通状态改变为断开状态的电路单元。此处，驱动信号可以为例如大约几安培的电流信号或者例如十伏到几十伏的电压信号。

驱动器电路单元20可以被配置有用于输出驱动信号的集成电路。

驱动器电路单元20可以从开关器件30的集电极接收表示开关器件30的集电极电压值的电压检测信号。

附图标记40a表示发送端电路，其将电压检测信号发送到驱动器电路单元20。

在图1中，附图标记40表示发送端电路40a的保护二极管，其在发送端电路40a的电压高于开关器件30的集电极电压时导通。

此外，驱动器电路单元20根据从开关器件30的集电极接收到的电压检测信号和表示驱动器电路单元20的状态的监视信号来向控制电路10提供集电极电压值。另外，在图1中，在驱动器电路单元20与控制电路10之间的指向左侧的箭头示出监视信号的传输。

控制电路10连接到驱动器电路单元20以将关于开关器件30的接通控制指令信号或断开控制指令信号输出到驱动器电路单元20。在图1中，在驱动器电路单元20与控制电路10之间的指向右侧的箭头示出接通控制指令信号或断开控制指令信号的传输。

因此，控制电路10可以基于从驱动器电路单元20提供的监视信号来确定开关器件30的当前接通/断开状态和驱动器电路单元20的当前状态。

然而，根据相关技术的用于电功率控制的半导体开关器件的驱动电路被配置为借助于仅仅单个驱动器电路单元20来执行对开关器件30的接通/断开驱动和状态监视。因此，当发生诸如单个驱动器电路单元20的烧毁的故障时，存在如下问题：其中对开关器件30的接通/断开驱动和状态监视被中止。

技术实现要素：

因此，本公开内容被提供以解决上述问题，并且本公开内容的目的在于提供一种能够通过配置用于开关器件的接通/断开驱动和状态监视操作的多路复用配置来改善开关器件的接通/断开驱动和状态监视操作的可靠性的用于电功率控制的开关器件的驱动电路。

本公开内容的目的可以通过提供一种用于电功率控制的开关器件的驱动电路来获得，该驱动电路包括：驱动器电路单元，其连接到开关器件并被配置为控制开关器件处于接通状态或断开状态；第一逻辑器件，其连接到开关器件和驱动器电路单元并被配置为将关于开关器件的接通控制信号或断开控制信号发送到驱动器电路单元或者被配置为将检测开关器件的接通状态或断开状态的监视信号提供给驱动器电路单元；第二逻辑器件，其连接到开关器件和第一逻辑器件并被配置为将关于开关器件的接通控制信号或断开控制信号发送到第一逻辑器件或者被配置为将检测开关器件的接通状态或断开状态的监视信号提供给第一逻辑器件；以及控制器，其连接到第一逻辑器件和第二逻辑器件并被配置为将关于开关器件的接通控制指令信号或断开控制指令信号提供给第一逻辑器件和第二逻辑器件中的至少一个。

根据本公开内容的一个方面，驱动器电路单元可以包括多个驱动器电路，多个驱动器电路共同地重复地连接到开关器件并被配置为控制开关器件处于接通或断开。

根据本公开内容的另一方面，第一逻辑器件和第二逻辑器件可以连接到开关器件的栅极和集电极以便接收指示检测开关器件的接通状态或断开状态的监视信号。

根据本公开内容的又一方面，还可以包括各电平向下移位器，其分别连接在第二逻辑器件与开关器件的栅极之间、连接在第二逻辑器件与开关器件的集电极之间以及连接在第一逻辑器件与开关器件的栅极之间并且被配置为降低监视信号的电压电平。

根据本公开内容的又一方面，当分别从第一逻辑器件和第二逻辑器件接收到的关于开关器件的接通状态或断开状态的监视信号彼此不同时，控制器可以被配置为确定在第一逻辑器件和第二逻辑器件中的一个中发生异常。

根据本公开内容的又一方面，控制器可以被配置为基于分别从第一逻辑器件和第二逻辑器件接收到的接通控制指令信号或断开控制指令信号和关于开关器件的接通状态或断开状态的监视信号来确定第一逻辑器件和第二逻辑器件中发生异常的逻辑器件。

根据本公开内容的又一方面，第一逻辑器件和第二逻辑器件中的每个可以被配置有以下中的一个：现场可编程门阵列(FPGA)、微机单元(MCU)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)以及专用集成电路(ASIC)。

根据本公开内容的又一方面，还可以包括电阻器，其连接在驱动器电路单元与开关器件的栅极之间并被配置为将用于控制开关器件处于接通状态或断开状态的栅极驱动信号变成预定电压信号。

根据本公开内容的又一方面，各电平向下移位器可以被配置有以下中的一个：电阻器轨道、比较器和运算放大器。

根据本公开内容的电功率控制的开关器件的驱动电路可以包括逻辑器件，其连接在驱动器电路单元与控制器之间并被配置为将关于开关器件的接通控制指令信号或断开控制指令信号发送到驱动器电路单元并被配置为监视开关器件的接通状态或断开状态以发送监视结果，并且可以被配置为具有逻辑器件的多路复用配置，由此提供与相关技术相比能够改善开关器件的接通/断开控制和监视操作的可靠性的效果。

在根据本公开内容的用于电功率控制的开关器件的驱动电路中，驱动器电路单元可以被配置具有多个驱动器电路使得能够提供能够甚至在多个驱动器电路中的一个发生故障时防止对开关器件的接通/断开控制和监视操作的中止的效果。

在根据本公开内容的用于电功率控制的开关器件的驱动电路中，由于被连接到开关器件的栅极和集电极，所以第一逻辑器件和第二逻辑器件可以检测并计算开关器件的栅极电压和集电极电压以及其间的电压差，使得能够提供能够精确地确定开关器件的接通状态或断开状态的效果。

根据本公开内容的用于电功率控制的开关器件的驱动电路还可以包括各电平向下移位器，使得能够提供能够将监视信号的电压电平降低或提供为适合于第一逻辑器件和第二逻辑器件的输入电压的电平的效果。

在根据本公开内容的用于电功率控制的开关器件的驱动电路中，当分别从第一逻辑器件和第二逻辑器件接收到的关于开关器件的接通状态或断开状态的监视信号彼此不同时，控制器可以借助于包含在控制器中的逻辑电路或处理程序来确定第一逻辑器件和第二逻辑器件中的一个是异常的，使得能够提供能够监视逻辑器件是否处于正常状态的效果。

根据本公开内容的用于电功率控制的开关器件的驱动电路可以提供控制器可以基于从控制器输出的接通控制指令信号或断开控制指令信号和关于开关器件的接通状态或断开状态的监视信号的数据来精确地确定第一逻辑器件和第二逻辑器件中发生异常的逻辑器件的效果。

在根据本公开内容的用于电功率控制的开关器件的驱动电路中，第一逻辑器件和第二逻辑器件中的每个可以被配置有以下中的一个：FPGA、MCU、CPLD和ASIC，使得能够提供能够对逻辑器件进行选择性地配置的效果。

根据本公开内容的用于电功率控制的开关器件的驱动电路可以包括连接在驱动器电路单元与开关器件的栅极之间的电阻器，使得能够提供能够将栅极驱动信号变成预定电压信号的效果。

在根据本公开内容的用于电功率控制的开关器件的驱动电路中，各电平向下移位器可以被配置有以下中的一个：电阻器轨道、比较器和运算放大器，使得能够提供能够对各电平向下移位器进行选择性地配置的效果。

附图说明

图1是示出根据相关技术的用于电功率控制的开关器件的驱动电路的配置的框图。

图2是示出根据本公开内容的一个优选实施例的用于电功率控制的开关器件的驱动电路的配置的框图。

图3是示出了根据本公开内容的一个优选实施例的用于电功率控制的开关器件的驱动电路中的控制器的接通控制指令或断开控制指令和根据接通控制指令或断开控制指令对开关器件的接通/断开操作过程的流程图。

图4是示出了用于电功率控制的开关器件的驱动电路中的开关器件的接通状态或断开状态的确定操作和逻辑器件的异常(故障)发生确定操作的过程的流程图。

具体实施方式

以上描述的本公开内容的各目的、用于实现这些目的和配置和其效果将从参考关于根据本公开内容的一个优选实施例的用于电功率控制的开关器件的驱动电路的图2的以下描述中变得容易理解。

参考图2，根据本公开内容的一个优选实施例的用于电功率控制的开关器件的驱动电路可以被配置为包括驱动器电路单元4、第一逻辑器件2、第二逻辑器件3以及控制器1。

在图2中，附图标记5表示用于电功率控制的开关器件(在下文中被称为开关器件)，其被配置有例如IGBT或MOSFET，并且包括栅极5a、发射极5b和集电极5c。

开关器件5根据在发射极5b与栅极5a之间的电压差而被接通或断开。例如，当在发射极5b与栅极5a之间的电压差处于12V到20V的范围中时开关器件5被接通，而当在发射极5b与栅极5a之间的电压差处于0V到11V的范围中时开关器件5被断开。

此外，当开关器件5处于接通状态时，在发射极5b与集电极5c之间的电压差从处于断开状态中的十伏到几十伏下降到2伏到3伏，并且可以通过检测集电极电压来确定开关器件5是否处于接通状态中。

根据优选实施例，开关器件5的发射极5b可以连接到电路的接地点或印刷电路板的接地点。

此外，根据优选实施例，开关器件5的集电极5c的输出端(参见图2中的集电极的右箭头)可以连接到用于电功率转换的电功率供应单元或电功率开关所需要的电路单元。

驱动器电路单元4连接到开关器件5并将驱动信号提供给其以便控制开关器件5处于接通状态或断开状态。

此处，驱动信号可以为例如大约几安培的电流信号或者例如十伏到几十伏的电压信号。

驱动器电路单元4可以被配置有用于输出驱动信号的集成电路。

根据本公开内容的一个优选方面，甚至当在任何一个驱动器电路单元中发生故障时，可以防止开关器件5的接通/断开控制和监视操作的中止。为了该目的，驱动器电路单元4被配置为包括多个驱动器电路，并且多个驱动器电路共同重复地(in duplicate)并联连接到单个开关器件5。

根据本公开内容的一个优选方面，使用于控制开关器件5处于接通状态或断开状态的栅极驱动信号变成预定电压信号的电阻器可以连接在驱动器电路单元4与开关器件5的栅极5a之间。

第一逻辑器件2连接到开关器件5和驱动器电路单元4以将关于开关器件5的接通控制信号或断开控制信号发送到驱动器电路单元4或者向驱动器电路单元4提供检测到开关器件5的接通状态或断开状态的监视信号。

第二逻辑器件3连接到开关器件5和第一逻辑器件2以将关于开关器件5的接通控制信号或断开控制信号发送到第一逻辑器件2或者向第一逻辑器件2提供检测到开关器件5的接通状态或断开状态的监视信号。

为了接收检测开关器件5的接通状态或断开状态的监视信号，第一逻辑器件2和第二逻辑器件3分别连接到开关器件5的栅极5a和集电极5c。

第一逻辑器件2和第二逻辑器件3中的每个可以被配置有以下中的一个：现场可编程门阵列(FPGA)、微机单元(MCU)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)以及专用集成电路(ASIC)。

根据本公开内容的一个优选实施例的用于电功率控制的开关器件的驱动电路包括第一电平向下移位器6b、第二电平向下移位器6a和第三电平向下移位器6c。

第一电平向下移位器6b、第二电平向下移位器6a和第三电平向下移位器6c分别连接在第二逻辑器件3与开关器件5的栅极5a之间、连接在第一逻辑器件2和第二逻辑器件3与开关器件5的集电极5c之间、连接在第一逻辑器件2与开关器件5的栅极5a之间，由此降低监视信号的电压电平。换言之，第一电平向下移位器6b、第二电平向下移位器6a和第三电平向下移位器6c中的每个可以将监视信号的电压电平降低到适合于第一逻辑器件2和第二逻辑器件3的输入电压电平的电压电平，例如3.3伏，由此将经降低的电压提供给其。

根据本公开内容的一个优选方面，第一电平向下移位器6b、第二电平向下移位器6a和第三电平向下移位器6c中的每一个可以被配置有以下中的一个：电阻器轨道、比较器和运算放大器。

参考图2，用于保护到监视信号的传输路径的电路的二极管7连接在第二电平向下移位器6a与开关器件5的集电极5c之间。

当在监视信号的传输路径(传输路径将表示开关器件5的接通状态或断开状态的集电极电压传输到第二逻辑器件3)处的电压高于开关器件5的集电极5c的电压时，也就是说，当第二电平向下移位器6a的输出端的电压高于开关器件5的集电极5c的电压时，二极管7导通。否则，二极管7不导通以保护第二电平向下移位器6a、第二逻辑器件3和控制器1(其被设置在后级中)。

控制器1连接到第一逻辑器件2和第二逻辑器件3，并且可以将关于开关器件5的接通控制指令信号或断开控制指令信号提供给第一逻辑器件2和第二逻辑器件3中的至少一个。

此外，控制器1可以基于来自第一逻辑器件2和第二逻辑器件3的监视信号来确定第一逻辑器件2和第二逻辑器件3中的至少一个的异常状态。

根据一个实施例，控制器1可以被配置有微机，其包括用于基于处理程序、处理程序、参数值来执行算术运算和过程的中央处理单元和用于存储算术运算的值存储器。

当分别从第一逻辑器件2和第二逻辑器件3接收到的关于开关器件5的接通状态或断开状态的监视信号彼此不同时，控制器1可以被配置为确定第一逻辑器件2和第二逻辑器件3中的一个是异常的。为了该目的，控制器1可以被配置有用于这种逻辑确定的逻辑电路，并且可以被配置为具有如下结构：其中中央处理单元从存储器读取处理程序并根据处理程序来将各监视信号彼此进行比较以确定各监视信号是否彼此相同。

控制器1可以被配置为基于分别从第一逻辑器件2和第二逻辑器件3接收到的接通控制指令信号或断开控制指令信号和关于开关器件5的接通状态或断开状态的监视信号来精确地确定第一逻辑器件2和第二逻辑器件3中发生异常(故障)的逻辑器件。

控制器1、第一逻辑器件2和第二逻辑器件3可以被配置为单个控制电路10。

将参考图2和图3描述如以上所描述的根据本公开内容的用于电功率控制的开关器件的驱动电路的操作。

首先，将描述控制器1的接通控制指令或断开控制指令和根据其对开关器件的接通/断开操作。

在操作S1中，当控制器1输出接通控制指令信号或断开控制指令信号以便接通或断开开关器件5时，第一逻辑器件2和第二逻辑器件3接收接通控制指令信号或断开控制指令信号。

并且，响应于接通控制指令信号或断开控制指令信号，第一逻辑器件2将关于开关器件5的接通控制信号或断开控制信号发送到驱动器电路单元4。

当从第一逻辑器件2发送的信号是接通控制指令信号(在操作S2中“是”)时，在操作S3中，配置驱动器电路单元4的多个驱动器电路共同重复地向开关器件5的栅极5a提供栅极驱动信号。

另一方面，当从第一逻辑器件2发送的信号是断开控制指令信号(在操作S2中“否”)时，在操作S5中，配置驱动器电路单元4的多个驱动器电路共同地不向开关器件5的栅极5a输出栅极驱动信号。

当驱动器电路单元4输出栅极驱动信号时，在为开关器件5的接地电位的发射极电压与由栅极驱动信号形成的栅极电压之间的电压差大大增大到约12伏到20伏。因此，在操作S4中，开关器件5要处于接通状态(也就是说，被接通)。

另一方面，当驱动器电路单元4不输出栅极驱动信号时，在为开关器件5的接地电位的发射极电压与由栅极驱动信号形成的栅极电压之间的电压差大大减小到约0伏到11伏。因此，在操作S6中，开关器件5要处于断开状态(也就是说，被断开)。

接下来，将参考图2和图4描述关于开关器件5的接通状态或断开状态的确定操作和逻辑器件的异常(故障)发生确定操作。

当开关器件5处于接通状态时，在发射极5b与集电极5c之间的电压差从处于断开状态中的十伏到几十伏下降到2伏到3伏。

结果，集电极电压也减小到2伏到3伏以小于在监视信号的传输路径处的电压，也就是说，在第二电平向下移位器6a与二极管7之间的电压。因此，二极管7导通，并且在操作S7中，经由二极管7和第二电平向下移位器6a将表示为集电极电压的开关器件5的接通状态监视信号发送到第二逻辑器件3和第一逻辑器件2。

此外，在操作S8中，当开关器件5处于断开状态时，在发射极5b与集电极5c之间的电压差增大到十伏到几十伏。

因此，集电极电压增大到几十伏以大于在监视信号的传输路径处的电压，也就是说，在第二电平向下移位器6a与二极管7之间的电压。结果，二极管7未导通并且不将表示为集电极电压的开关器件5的断开状态监视信号发送到二极管7的后级电路，使得第二逻辑器件3和第一逻辑器件2接收不到断开状态监视信号。

另外，将由约12伏到20伏的开关器件5的栅极电压表示的开关器件5的接通状态监视信号通过第一电平向下移位器6b发送到第二逻辑器件3。并且，在操作S8中，将接通状态监视信号通过第三电平向下移位器6c发送到第一逻辑器件2。

另外，在操作S8中，当开关器件5处于断开状态时，也将由接近于0伏的开关器件5的栅极电压表示的开关器件5的断开状态监视信号通过第一电平向下移位器6b发送到第二逻辑器件3。并且，将断开状态监视信号通过第三电平向下移位器6c发送到第一逻辑器件2。

之后，第二逻辑器件3和第一逻辑器件2中的每个通过诸如比较器、与门等内部电路(未示出)来将集电极电压和栅极电压与参考电压值(也就是说，当开关器件处于接通状态时预定的参考集电极电压值和参考栅极电压值)进行比较。在下文中，在操作S9中，通过在通过内部逻辑电路的两个比较结果上执行逻辑运算(例如，与运算)来精确地确定开关器件5的接通状态或断开状态。

将分别由第二逻辑器件3和第一逻辑器件2确定的关于开关器件5的接通状态或断开状态的监视信号发送到控制器1。

之后，控制器1将分别由关于开关器件5的接通状态或断开状态的监视信号表示并由第二逻辑器件3和第一逻辑器件2确定的各值彼此进行比较以确定各值是否彼此相同。因此，可以在操作S10中确定第二逻辑器件3或第一逻辑器件2的异常发生。

此处，当分别由关于开关器件5的接通状态或断开状态的监视信号表示并由第二逻辑器件3和第一逻辑器件2确定的各值彼此相同时，控制器1可以在操作S11中确定第二逻辑器件3和第一逻辑器件2是正常的。

另一方面，当分别由关于开关器件5的接通状态或断开状态的监视信号表示并由第二逻辑器件3和第一逻辑器件2确定的各值彼此不同时，控制器1可以在操作S12中精确地确定在第二逻辑器件3和第一逻辑器件2中的一个中发生异常(故障)。

此外，通过考虑原先从控制器1输出的接通控制指令信号或断开控制指令信号以及分别由关于开关器件5的接通状态或断开状态的监视信号表示并由第二逻辑器件3和第一逻辑器件2确定的各值是否彼此相同，控制器1可以在操作S13和S14中精确地确定第二逻辑器件3和第一逻辑器件2中发生异常(故障)的逻辑器件。

也就是说，例如在控制器1具有接通控制指令信号的状态中，第二逻辑器件3将表示开关器件5的接通状态的监视信号提供给控制器1。并且如果第一逻辑器件2已经向控制器1提供了表示开关器件5的接通状态的监视信号，则控制器1可以确定第一逻辑器件2的异常(故障)发生。

如上所述，根据本公开内容的电功率控制的开关器件的驱动电路可以通过配置多个逻辑器件和/或驱动器电路来提供与相关技术相比能够改善开关器件的接通/断开控制和监视操作的可靠性的效果。

此外，可以提供甚至当在驱动器电路中的任何一个中发生故障时用于防止对开关器件的接通/断开控制和监视操作的中止的发生的效果，因为驱动器电路单元被配置有多个驱动器电路。

另外，当分别从第一逻辑器件和第二逻辑器件接收到的关于开关器件的接通状态或断开状态的监视信号彼此不同时，控制器借助于包含在控制器中的逻辑电路或处理程序来确定第一逻辑器件和第二逻辑器件中的一个是异常的。因此，可以提供用于监视逻辑器件是否处于正常状态的效果。