CN103532353A - 具有高负电压的自举供电mosfet/igbt驱动线路 - Google Patents

具有高负电压的自举供电mosfet/igbt驱动线路 Download PDF

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本发明公开了一种具有高负电压的自举供电MOSFET/IGBT驱动线路，包括：上位功率管M1驱动电路和下位功率管M2驱动电路，上位功率管M1驱动电路包括：自举供电线路、上位推挽驱动线路、上位负压生成线路和上位保护线路；下位功率管M2驱动电路包括：低压直流稳压电源、下位推挽驱动线路、下位负压生成线路和下位保护线路；本发明有益效果：解决了传统自举供电基础上难以实现负电压关断问题，以及传统负压不够稳定，随着功率增大负压减小的问题；既保证了线路的简洁性，又能保证功率管的可靠关断。

Description

具有高负电压的自举供电MOSFET/IGBT驱动线路
技术领域
本发明涉及一种换流器IGBT或MOSFET门电路的驱动装置，尤其涉及一种具有高负电压的自举线路供电MOSFET/IGBT的驱动线路。
背景技术
功率变换器性能在很大程度上受制于功率开关管MOSFET/IGBT（MOSFET：金属-氧化层-半导体-场效晶体管；IGBT：绝缘栅双极型晶体管）的开关性能，因此MOSFET/IGBT的驱动线路在电力电子系统中占有举足轻重的地位。功率管的驱动线路改善主要从以下几个方面：
（1）减小开关时间，从而提高功率变换系统效率，如有源驱动线路。
（2）线路可靠性方面的改善，利用负压保证开关管可靠关断，过压、过流等的检测信号的反馈，从而防止开关管直通等。
（3）线路简化，如供电线路采用自举线路供电。
传统线路主要采用独立供电负压关断或自举线路供电零电压关断。独立供电负压关断如图1所示，上位功率管和下位功率管分别独立隔离供电，这种方式驱动线路稳定性相对较好，但功率变换系统通常含有多个功率管，使得对辅助供电线路要求较高，辅助供电线路较复杂；自举线路供电零电压关断如图2所示，上位功率管采用自举电压线路供电，线路相对简洁，失效率相对较低，上位功率管驱动线路的负压生成线路通常采用稳压管和电容并联，但是这种方式难于应用于上位功率管驱动，难以保证功率管的可靠关断，且容易因干扰造成误导通。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种具有高负电压的自举供电MOSFET/IGBT驱动线路，解决了传统自举供电基础上难以实现负电压关断问题，以及传统负压不够稳定，随着功率增大负压减小的问题；既保证了线路的简洁性，又能保证功率管的可靠关断。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有高负电压的自举供电MOSFET/IGBT驱动线路，包括：上位功率管M1驱动电路和下位功率管M2驱动电路，上位功率管M1驱动电路包括：自举供电线路、上位推挽驱动线路、上位负压生成线路和上位保护线路；自举供电线路、上位推挽驱动线路和上位保护线路依次串联连接，上位负压生成线路与自举供电线路、上位推挽驱动线路和上位功率管M1分别连接；所述上位负压生成线路产生功率管关断时所需负压，所述上位负压生成线路的电压大小随主功率的增大而增加，所述电压大小可超过低压直流稳压电源供电电压；上位功率管M1导通时不经过上位负压生成线路的电容。
下位功率管M2驱动电路包括：低压直流稳压电源、下位推挽驱动线路、下位负压生成线路和下位保护线路；直流稳压电源、下位推挽驱动线路和下位保护线路依次串联连接，下位负压生成线路并联接入下位推挽驱动线路和下位功率管M2之间。
所述自举供电线路包括二极管D9和电容C14并联连接。
所述上位负压生成线路包括：稳压二极管D10和电容C16并联支路的一端与上位推挽驱动线路下端晶体管的发射极连接，另一端与自举供电线路的电容C14连接；二极管D11、二极管D12与所述稳压二极管D10和电容C16的并联支路依次串联连接，二极管D11的负极与二极管D12的负极连接，二极管D11的正极与低压直流稳压电源的正极连接，电感L2的一端接在二极管D11与二极管D12之间、另一端与自举供电线路的电容C14连接。
所述下位负压生成线路包括：稳压二级管D13和电容C19并联连接后与电阻R13串联连接。
所述上位推挽驱动线路的输入端信号采用电容耦合。
对于上位负压生成线路，负电压位于上位推挽驱动线路晶体管Q8的发射极和上位功率管M1的源极之间，而上位功率管导通时并不经过上位负压生成线路中的负压电容C16。
对于上位负压生成线路，当下位功率管导通时，二极管D11导通，二极管D12断开，电感L2储能增加；当下位功率管关断时，二极管D11截止，二极管D12导通，电感L2储能减少。
对于上位负压生成线路，当二极管D12导通时，电容C16储能并保持电压不变，稳压管限定负电压的大小，在功率管关断时电容C16放电。
在下位功率管关断时，上位负压生成线路中负电压值增加，而上位功率管关断时进行负电压关断，上位负压生成线路中负电压值减小。
下位负压生成线路中电容在下位推挽驱动线路输出高电平时进行充电，而在下位推挽驱动线路输出电平时进行放电。
下位功率管的驱动负电压施加在下位功率管源极和低压直流稳压电源V12接地线之间。
具体工作流程为：通过微机的控制生成驱动MOSFET元件门电路所需的PWM控制信号，通过光耦隔离后输出到功率管门电路驱动线路的推挽输入端；下位功率管驱动线路由直流稳压电源直接供电，而上位功率管驱动线路通过自举供电线路进行供电；功率管关断时由负压生成线路提供负压进行负压关断。
本发明的有益效果是：
本发明采用的具有高负电压的自举线路供电MOSFET/IGBT的驱动线路，与传统驱动线路相比，具有以下优势：
（1）节省了独立电源数目，使成本大大降低。
（2）线路的负压驱动增强了系统的稳定性和抗干扰特性。
（3）由于上位功率管在导通时电流不经过负压线路电容，从而减小了上位功率管的导通时间。
（4）线路负电压值远大于传统负压生成线路的负电压值，理论上可以无穷大；电压值不受辅助供电电压限制，使得负电压值更稳定。
（5）负压生成线路的能量随着功率增大而增大，上位功率管的导通并不经过负压电容。从而有效实现了上位功率管MOSFET/IGBT可靠的负压关断，且具有更好的抗干扰能力。
附图说明
图1为独立供电负压关断线路图；
图2为自举线路供电零压关断线路图；
图3为本发明的具有高负电压的自举供电MOSFET驱动线路；
其中，10.自举供电线路，20.上位推挽驱动线路，30.上位负压生成线路，40.上位保护线路，50.下位推挽驱动线路，60.下位负压生成线路，70.下位保护线路。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：
图1所示为传统的独立供电负压关断线路图，上位功率管和下位功率管分别独立隔离供电，这种方式驱动线路的功率变换系统通常含有多个功率管，使得对辅助供电线路要求较高，辅助供电线路较复杂。
图2所示为传统的自举线路供电零压关断线路图，上位功率管采用自举电压线路供电，线路相对简洁，失效率相对较低，但这种线路不能按照传统方式对上位功率管施加负电压，难以保证功率管的可靠关断，且容易因干扰造成误导通。
如图3所示，本线路主要用于浮地功率管的驱动，如各种桥式功率变换器和BUCK线路等。在此功率管以MOSFET为例，M1和M2为桥式线路中一个桥臂的上下两个功率管，驱动线路由保护线路、推完驱动线路、负压生成线路和供电线路组成，上位功率管M1驱动采用自举供电方式。负压生成线路则用于产生功率管关断时所需负压，保证功率管可靠关断，同时也防止由于干扰带来的误导通；推挽驱动线路为功率管导通、关断提供足够的电压和电流；V9和V10表示前级线路提供的控制信号。
一种具有高负电压的自举供电MOSFET/IGBT驱动线路，包括：上位功率管M1驱动电路和下位功率管M2驱动电路，上位功率管M1驱动电路包括：自举供电线路10、上位推挽驱动线路20、上位负压生成线路30和上位保护线路40；自举供电线路10、上位推挽驱动线路20和上位保护线路40依次连接，上位负压生成线路30连接于上位推挽驱动线路20和上位功率管M1之间；所述上位负压生成线路30产生功率管关断时所需负压，所述上位负压生成线路30的电压大小随主功率的增大而增加，所述电压大小可以超过低压直流稳压电源V12供电电压；上位功率管M1导通时不经过上位负压生成线路30的电容。
下位功率管M2驱动电路包括：低压直流稳压电源V12、下位推挽驱动线路50、下位负压生成线路60和下位保护线路70；直流稳压电源V12、下位推挽驱动线路50和下位保护线路70依次连接，下位负压生成线路60连接于下位推挽驱动线路50和下位功率管M2之间。
下位推挽驱动线路50由低压直流稳压源V12供电，晶体管Q7和Q9组成，提供功率管在导通时刻和关断时刻所需要的电流，通过权衡稳定性和开关管功耗选择所需限流电阻R8和R17的阻值；下位负压生成线路60由稳压管D13、电阻R13和电容C19组成，在驱动信号为高电平期间为电容C19充电，而在驱动信号为低电平期间电容C19放电，充放电的功率相对电容储存的电能较小，故电容电压基本保持稳压管所决定的电压不变，二极管D11使得功率管关断时经过电容C19负压放电，同时自举电容通过电阻R13为电容C19充电；下位保护线路70中电阻R10防止驱动信号悬空而造成功率管的误导通，稳压管D6、D8防止功率管栅极电压超过器件电压极限而损坏功率管。
上位功率管M1驱动采用自举供电方式，自举供电线路10由二极管D9和电容C14组成，在上位功率管M1关断且下位功率管M2导通时，低压直流稳压源V12经D9为电容C14充电，而下位功率管M2关断时电容C14两端电压保持不变，但电位随着上下两功率管中间电位的升高而升高，从而电容两端的电压为上位功率管M1驱动线路供电。上位推挽驱动线路20中晶体管Q6和Q8推挽驱动、电阻R7和R16限流，由电阻R11和稳压管D5、D7组成的上位保护线路40的工作原理和功能与下位功率管M2驱动电路中的基本相同。
如果传统负压生成线路（如图3中60）应用到上位功率管驱动，电容在自举线路电容充电使得负压电路电容放电，使得驱动失去负压作用。
而本发明的上位功率管驱动线路中的负压生成线路（如图3中30），由稳压管D10、二极管D11、二极管D12、电感L2和电容C16组成，当上位功率管M1关断且下位功率管M2导通时，二极管D11导通，二极管D12断开，电感电流增大，电容电压减小；当上位功率管M1导通且下位功率管M2关断时，二极管D11截止，二极管D12导通，电感电流减小，电容电压增大，稳压管限定负电压的大小。
具体工作流程为：通过微机的控制生成驱动MOSFET元件门电路所需的PWM控制信号，通过光耦隔离后输出到功率管门电路驱动线路的推挽输入端；下位功率管驱动线路由直流稳压电源直接供电，而上位功率管驱动线路通过自举供电线路10进行供电；功率管关断时由负压生成线路30提供负压进行负压关断。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种具有高负电压的自举供电MOSFET/IGBT驱动线路，包括：上位功率管M1驱动电路和下位功率管M2驱动电路，其特征是，
上位功率管M1驱动电路包括：自举供电线路、上位推挽驱动线路、上位负压生成线路和上位保护线路；自举供电线路、上位推挽驱动线路和上位保护线路依次串联连接，上位负压生成线路与自举供电线路、上位推挽驱动线路和上位功率管M1分别连接；所述上位负压生成线路产生功率管关断时所需负压，所述上位负压生成线路的电压大小随主功率的增大而增加，所述电压大小可超过低压直流稳压电源供电电压；上位功率管M1导通时不经过上位负压生成线路的电容；
下位功率管M2驱动电路包括：低压直流稳压电源、下位推挽驱动线路、下位负压生成线路和下位保护线路；直流稳压电源、下位推挽驱动线路和下位保护线路依次串联连接，下位负压生成线路并联接入下位推挽驱动线路和下位功率管M2之间。
2.如权利要求1所述的一种具有高负电压的自举供电MOSFET/IGBT驱动线路，其特征是，所述自举供电线路包括二极管D9和电容C14并联连接。
3.如权利要求1所述的一种具有高负电压的自举供电MOSFET/IGBT驱动线路，其特征是，所述上位负压生成线路包括：稳压二极管D10和电容C16并联支路的一端与上位推挽驱动线路下端晶体管的发射极连接，另一端与自举供电线路的电容C14连接；二极管D11、二极管D12与所述稳压二极管D10和电容C16的并联支路依次串联连接，二极管D11的负极与二极管D12的负极连接，二极管D11的正极与低压直流稳压电源的正极连接，电感L2的一端接在二极管D11与二极管D12之间、另一端与自举供电线路的电容C14连接。
4.如权利要求1所述的一种具有高负电压的自举供电MOSFET/IGBT驱动线路，其特征是，所述下位负压生成线路包括：稳压二级管D13和电容C19并联连接后与电阻R13串联连接。
5.如权利要求1所述的一种具有高负电压的自举供电MOSFET/IGBT驱动线路，其特征是，所述上位推挽驱动线路的输入端信号采用电容耦合。
6.如权利要求1所述的一种具有高负电压的自举供电MOSFET/IGBT驱动线路，其特征是，所述下位负压生成线路产生的负电压施加在下位功率管M2的源极和低压直流稳压电源地之间。
7.如权利要求1所述的一种具有高负电压的自举供电MOSFET/IGBT驱动线路，其特征是，所述下位负压生成线路产生的负电压施加在上位推挽驱动线路下端晶体管的发射极和上位功率管M1的源极之间。
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