CN101394172B - 用于操纵功率半导体开关的驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种驱动电路，其包括一个第一和第二输出端，用来驱动一个可利用第一电压与基准电势之间的信号使其导通、且可利用第二电压与基准电势之间的信号使其断开的功率半导体开关；包括一个第一和第二输入端，用来通过信号进行驱动，由使用第三电压和基准电势进行供电的逻辑电路(8)产生该信号；包括一个利用第一电压和基准电势供电的、具有第一输入端和第一输出端的导通路径，以及包括一个利用第三电压和第二电压供电的、具有第二输入端和第二输出端的断开路径；且导通路径和断开路径分别包括一个具有相应输入端的电平变换器、一个由电平变换器驱动的电流放大器以及一个由电流放大器驱动的具有相应输出端的输出级。

Description

用于操纵功率半导体开关的驱动电路
技术领域
本发明涉及一种用于操纵(Ansteuerung)功率半导体开关(Leistungshalbleiterschalter)的驱动电路。
背景技术
功率半导体开关、例如IGBT(绝缘栅双极型晶体管)必须获得开关信号来执行开关动作。通常，由逻辑电路、例如PLD(可编程逻辑器件)提供开关信号。例如用+15V电压使IGBT导通，使用例如-15V电压使其断开。用于对IGBT的栅极进行开关操作(Schalten)或加载(Laden)的峰值电流可能为几个安培。例如，可编程逻辑电路可在地电势与3.3V之间的范围内工作，并且提供电流强度为几个mA的信号。逻辑电路本身以其控制信号既没有提供足够大的电流，也没有提供足够大的电压以能够实际地对功率半导体开关进行开关操作。因此，必须对由可编程逻辑电路所提供的电流和电压进行放大，以便能够实际地对功率半导体开关进行开关操作。需要相应的输出级或者驱动电路来放大逻辑信号。
已知，作为输出级或者在驱动电路之中，可使用全集成的(vollintegriert)操纵模块(Ansteuerbaustein)，例如National Semiconductor公司的LM5107型操纵模块或者同类集成电路。
但这种解决方案成本昂贵，且通常要提供自己的例如10V的电源来为集成模块供电。
US6.208.185 B1公开了一种分立构造的驱动电路，其缺点在于：这种驱动电路在内部需要多个不同的电源。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种用于连接在可编程逻辑电路和功率半导体开关之间的改进型驱动电路或输出级。
本发明基于这样的认识：要由根据本发明的驱动电路操纵的功率半导体开关需要相对于基准电势(通常为地电势)为第一电压的信号以便能够被导通，并且需要相对于该基准电势为第二电压的信号以便能够被断开。此外，还提供逻辑电路用于操纵功率半导体开关，该逻辑电路在第三电压和基准电势之间被供电，并且因此可以提供具有在基准电势和第三电压之间的电压的开关信号。
通过具有第一和第二输出端的驱动电路解决本发明的任务。第一输出端用来以相对于基准电位为第一电压的信号来操纵功率半导体开关，第二输出端用来利用相对于基准电势为第二电压的信号来操纵功率半导体开关。此外，驱动电路还具有第一和第二输入端，它们可由逻辑电路操纵。第一输出端的操纵导致第一输入端上的开关信号，第二输出端上的操纵导致第二输入端上的开关信号。驱动电路包括具有第一输入端和第一输出端的接通路径。接通路径被供给以第一电压和基准电势。驱动电路还包括具有第二输入端和第二输出端的断路路径，并且该断路路径被供给以第三电压和第二电压。接通路径和断路路径各自具有电平变换器(Pegelwandler)，电平变换器又包括第一输入端或第二输入端，这取决于是接通路径还是断路路径。这两个路径均具有由各自电平变换器操纵的电流放大器、以及各自的由电流放大器操纵的输出级。相应路径的各自输出级包括第一输出端或第二输出端。
因此，整个驱动电路所具有的优点在于：仅通过对于操纵功率半导体开关总是需要的电压来对其进行供电，即第一至第三电压和基准电势。不需要附加的电压供给。可以直接由逻辑电路操纵相应的操纵路径，即接通路径或断路路径，即利用基准电势和第三电压之间的信号来操纵，并且还在其输出端提供用于使功率半导体开关导通的相对于基准电势为第一电压的，以及用于使功率半导体开关断开的相对于基准电势为第二电压的开关信号。
通过逻辑电路进行对接通过程和断路过程的时序控制，即第一和第二输出端的激活，并由此在第一和第二输出端上相应地产生开关电压。这样，可实现接通路径和断路路径中两个输出级的操纵的时间重叠。
可以分立构造电平变换器、电流放大器和输出级。离散联接中的分立构造，即使用非集成或者集成度很低的器件、例如双极型晶体管或者MOSFET晶体管，其成本明显低于使用上述全集成的操纵模块。
电平变换器可以包括具有串联电阻(Vorwiderstand)的以其控制输入端与接通路径或断路路径的相应输入端相连的晶体管。通常，晶体管以集电极和发射极经由欧姆电阻被引导到相应路径的两个被提供的电压，基极被引导到相应的输入端，且在基极和发射极之间连接输入电阻。
电流放大器可以是包含两个晶体管的射极跟随器。例如，就上述实施型式而言，电平变换器的晶体管的集电极引线并联引导到两个晶体管的两个基极，这两个晶体管以其集电极和发射极串联在为相应路径供电的两个电压之间。
输出级可以包括具有串联电阻的以其功率输出端与输出端相连的MOSFET。例如，对于上述实施型式而言，MOSFET的源极引线与相应路径中的相应第一或第二电压相连，漏极引线被引导到输出端，栅极与射极跟随器的相互连接的发射极相连，并且在栅极和源极之间连接欧姆输入电阻。
第一电压最好为+15V，第二电压最好为-8V～-15V，第三电压最好为+3.3V，基准电势最好就是地电势。这样的电压组合(Spannungskonstellation)例如是对于通过相应PLD逻辑电路操作IGBT而言常见的电压值。
如前所述，逻辑电路可以是PLD。
同样如前所述，驱动电路可以是用于操纵作为功率半导体开关的IGBT的此类驱动电路。
附图说明
对于本发明的进一步的描述参考附图所示的实施例。相关附图均为示意原理图：
附图1显示了根据本发明的驱动电路的概貌图，
附图2显示了附图1所示驱动电路的接通路径与断路路径的方框图，
附图3显示了附图2所示接通路径与断路路径的细节图。
具体实施方式
附图1所示为半导体开关装置，由作为半导体开关的IGBT 2、操纵该半导体开关的驱动器4以及用于驱动器4或者用于操纵IGBT 2的电压电源6构成。
驱动器4包括为IGBT 2提供逻辑控制功能的PLD 8、以及由PLD 8操纵的两个独立的操纵通道10a和10b。操纵通道10a用于导通IGBT 2，且以其输出端12a通过电阻RGON与IGBT 2的控制输入断14相连。操纵通道10b用来断开IGBT 2，并且以其输出端12b通过电阻ROFF同样与控制输入端14相连。
每一个操纵通道10a、b各自包括半导体开关S1和S2，这些半导体开关受到PLD 8控制，并且通过相关的电阻RGON和ROFF将相应的+15V接通电压UVP或者-8V～-15v断路电压UVN连接到IGBT的控制输入端14。两个电压UVP和UVN为电压供给6的一部分，其中电压供给6还提供+3.3V的逻辑电压UL，首先以该逻辑电压来操作PLD 8。所有电压的基准电势均为地电势GND。
通过相对于地电势GND的电源电压UVP给操纵通道10a供电。通过相对于(负)断路电压UVN的逻辑电压UL给操纵通道10b供电。
PLD8产生控制电压，该控制电压经由控制线路16a、b被提供到操纵通道10a、b的相应输入断18a、b，且该控制电压在0V(即GND)和+3.3V逻辑电压UL之间的范围内。
附图2所示为操纵通道10a、b的详细图或方框图。操纵通道10a、b中每一个以相同方式从相应输入端18a、b至输出端12a、b而被构造，即作为由电平变换器20a、b和电流放大器22a、b以及输出级24a、b构成的串联电路。操纵通道10a包括输出级24a中的P沟道场效应晶体管作为晶体管S1；控制通道10b包括输出级24b中的N沟道场效应晶体管作为晶体管S2。
经由输入端18a、b，也就是通过作为在其中运行的未示出的程序的PLD8，实现这两个导通或断开的输出级晶体管S1和S2的时间重叠。
附图3a以更为详细的方式表示了操纵通道10a；附图3b所示为操纵通道10b。在晶体管Q1的基极B和地线GND之间需要输入电阻R1，以便在高阻操纵级(Ansteuerstufe)(即PLD8的高阻输出端)的情况下，将晶体管Q1的基极B设置到特定的电势，即地电势GND，使得晶体管Q1可靠地保持断开。
Q1的基极B上PLD8的正操纵电压(Ansteuerspannung)UIN使晶体管Q1导通，并且使特定的集电极电流流过晶体管Q1。该电流通过输入电压UIN和电阻R2而被注入(einpraegen)。通过Q1的这个特定的(definiert)集电极电流，在电阻R3上产生特定的电压U3的下降。该电压U3被后面连接的由晶体管Q2和Q3构成的射极跟随器26a进行电流放大，并且因此对S1的栅极G进行加载。电阻R4上的电压升高，并且在超过晶体管S1的输入阈值时将晶体管S1导通。通过晶体管S1表示的开关闭合。IGBT 2被导通。晶体管S1的功率输出端28激活。
如果晶体管Q1基极上的输入电压UIN降低到GND电势，则经过晶体管Q1的电流减小，R3上的电压U3下降。电压U3被后面连接的射极跟随器26b进行电流放大，S1的栅极G被卸荷(entladen)并且使其达到UVP的电势。只要低于S1的导通阈值，就开始阻断(sperren)输出级晶体管S1。通过S1表示的开关打开。不再以电压UVP的导通脉冲为IGBT 2供电。晶体管S1的功率输出端28空载。
S1的栅极G和源极S之间的电阻R4对栅极G完全卸荷，使得在S1的断开状态下，栅极G和源极S之间没有电压。
在附图3b中，在晶体管Q5的基极B和电压UL之间需要输入电阻R5，以便在PLD8的高阻输出端并因此在晶体管Q5基极B上为高阻的情况下，使该基极B处于特定的电势、即电压UL，使得晶体管Q5可靠地保持断开。当输入电压UIN等于电压UL时，输出级晶体管S2就可靠地断开。
如果将Q5基极B上的电压引至地电势GND，则晶体管Q5导通，并且使规定的集电极电流Ic流过晶体管Q5。该电流由UL和输入电压UIN之间的电压以及电阻R6被注入。通过Q5的这一特定的集电极电流Ic，在R7上产生特定的电压U7的下降。该电压U7被后面连接的射极跟随器26b进行电流放大，并且对S2的栅极G进行加载。R8上的电压升高，且在超过S2的输入阈值时使S2导通。通过S2表示的开关闭合。IGBT2被供给以电压UVN的开关脉冲，并从而被断开。晶体管S2的功率输出端28也激活。
如果Q5基极B上的输入电压UIN升高到UL，则流经晶体管Q5的电流Ic减小，R7上的电压U7同样也降低。电压U7被后面连接的射极跟随器26b进行电流放大，S2的栅极G被卸荷并且引导到电压UVN的电势。只要低于S2的导通阈值，就开始阻断输出级晶体管S2。通过S2表示的开关S2打开。IGBT 2不再获得电压UVN的断开脉冲。
S2的栅极G和源极S之间的电阻R8将栅极G完全卸荷，使得在S2的断开状态下，栅极G和源极S之间没有电压。晶体管S2的功率输出端28空载。
附图标记清单
2 IGBT
4 驱动器
6 电压电源
8 PLD
10a，b 操纵通道
12a，b 输出端
14 控制输入端
16a，b 控制线路
18a，b 输入端
20a，b 电平变换器
22a，b 电流放大器
24a，b 输出级
26a，b 射极跟随器
28 功率输出端
RGON，ROFF 电阻
UVP，UVN，UL 电压
GND       地电势
S1，S2    输出级晶体管
R1-8      电阻
Q1-7      晶体管
Ic        集电极电流
U3，U7    电压
G         栅极
S         源极

Claims (8)

1.一种驱动电路(4)，
具有第一输出端(12a)和第二输出端(12b)，用于操纵能以相对于基准电势(GND)为第一电压(UVP)的信号导通、并且能以相对于所述基准电势(GND)为第二电压(UVN)的信号断开的功率半导体开关(2)；并且
具有第一输入端(18a)和第二输入端(18b)，用于通过被供给以第三电压(UL)和所述基准电势(GND)的逻辑电路(8)的信号(UIN)操纵；
具有被供给以所述第一电压(UVP)和所述基准电势(GND)的、包括所述第一输入端(18a)和第一输出端(12a)的接通路径(10a)，以及被供给以所述第三电压(UL)和所述第二电压(UVN)的、包括所述第二输入端(18b)和所述第二输出端(12b)的断路路径(10b)；
其中接通路径(10a)和断路路径(10b)分别包括具有相应输入端(18a，b)的电平变换器(20a，b)、由电平变换器(20a，b)操纵的电流放大器(22a，b)以及由电流放大器(22a，b)操纵的具有相应输出端(12a，b)的输出级(24a，b)。
2.根据权利要求1所述的驱动电路(4)，其中以分立方式构造所述电平变换器(20a，b)、所述电流放大器(22a，b)以及所述输出级(24a，b)。
3.根据权利要求1或2所述的驱动电路(4)，其中所述电平变换器(20a，b)包括具有串联电阻(R1-3，R5-7)的、以控制输入端(B)与第一输入端(18a)或第二输入端(18b)相连的晶体管(Q1，Q5)。
4.根据权利要求1或2所述的驱动电路(4)，其中所述电流放大器(22a，b)是包含两个晶体管(Q2-3，Q6-7)的射极跟随器(26a，b)。
5.根据权利要求1或2所述的驱动电路(4)，其中所述输出级(24a，b)包括具有串联电阻(R4，R8)的、以功率输出端(28)与第一输出端(12a)或第二输出端(12b)相连的MOSFET(S1，S2)。
6.根据权利要求1或2所述的驱动电路(4)，其中所述第一电压(UVP)为+15V，所述第二电压(UVN)在-8V到-15V的范围内，所述第三电压(UL)为+3.3V，且所述基准电势(GND)为地电势。
7.根据权利要求1或2所述的驱动电路(4)，其中所述逻辑电路(8)是PLD。
8.根据权利要求1或2所述的驱动电路(4)，所述驱动电路是用于操纵作为功率半导体开关(2)的IGBT的驱动电路。
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曾繁玲.《IGBT驱动与保护电路的研究》.《电子质量》.2007,(第3期),第35页第1栏以及附图2. *

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