CN103618530A - 功率半导体开关驱动电路的自供电电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电气驱动电路领域，旨在提供一种功率半导体开关驱动电路的自供电电路及方法；该发明的电路包括功率半导体开关及其驱动电路、降压整流电路、电池充放电电路、一个滤波电容和隔离转换稳压电路，所述降压整流电路接于功率半导体开关主电路的两端，降压整流电路、电池充放电电路、隔离转换稳压电路、滤波电容依次连接，隔离转换稳压电路采用模块隔离；驱动电路的正负极分别接于滤波电容的正负极，驱动电路负极与功率半导体开关负极共地连接。发明的有益效果是：无需电磁元件提供驱动电源，隔离能力强；降压整流电路输出的电压一边供电，一边给电池充电；后备电池能应急供电，确保设备安全停机；光纤单向传送脉冲信号，线路干扰小。

Description

功率半导体开关驱动电路的自供电电路及方法

技术领域

本发明属于电气驱动电路领域，具体涉及一种功率半导体开关驱动电路的自供电电路及方法。

背景技术

电力电子设备的节能应用越来越广，容量越来越大，因此电压等级越来越高。比如大功率的感应加热电源、中高压变频器、高压直流输变电等。由于功率半导体开关工作于快速开关状态，高压大电流的快速变化，是电力电子设备的主要干扰源。要确保设备的稳定运行，器件的驱动电路十分关键，驱动电路的工作电压比较低，同时又是高压主电路和控制器的连接通道。容易受到强电干扰，也容易将高压干扰引进弱电控制系统。

传统的驱动电路的供电技术路线有两种：一种是脉冲变压器驱动，由脉冲变压器同时传送脉冲和驱动能量；二是驱动电源变压器传送能量和光电隔离器传送脉冲信号。两种驱动方式均采用了电磁转换元件（脉冲变压器和驱动电源变压器），因此容易导致干扰的双向传送，且隔离能力也是有限的，不利于提高工作电压。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种功率半导体开关驱动电路的自供电电路及方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种功率半导体开关驱动电路的自供电电路，包括功率半导体开关及其驱动电路；还包括：

降压整流电路，用于将功率半导体开关主电路两端的电压分压、整流，并提供电压给后级的电池充放电电路和隔离转换稳压电路；

电池充放电电路，用于在正常工况下将降压整流电路得到的电压供给隔离转换稳压电路，同时给电池涓流充电，并在起动及应急状态由电池放电给隔离转换稳压电路供电；

一个滤波电容；

隔离转换稳压电路，用于对获得的波动电压进行隔离、稳定，并输出电压给所述滤波电容，由其滤波后向驱动电路供电；

所述降压整流电路接于功率半导体开关主电路的两端，降压整流电路、电池充放电电路、隔离转换稳压电路、滤波电容依次连接，隔离转换稳压电路采用模块隔离；驱动电路的正负极分别接于滤波电容的正负极，驱动电路负极与功率半导体开关负极共地连接。

本发明中，所述功率半导体开关是晶闸管、IGBT、IGCT或MOSFET。

本发明中，作为脉冲信号源的控制系统通过光纤连接至驱动电路，以实现脉冲信号的输入。

本发明中，所述降压整流电路包括一个电阻、一个整流器和一个电解电容；整流器一端通过电阻连接到功率半导体开关的正极，整流器另一端则直接连接到功率半导体开关的负极；电解电容接于整流器的两端，并作为降压整流电路的输出端。

本发明中，所述电池充放电电路包括三个电阻、一个二极管、一个电池和一个三端稳压管；其中，一个电阻与三端稳压管串联组合成为A组合、二极管与电池串联组合成为B组合，且A组合与B组合的两端分别与降压整流电路的两个输出端相接；另两个电阻为第一电阻和第二电阻，两者串联组合，且第一电阻的另一端分别接至A组合中点和B组合中点，第二电阻的另一端还接于降压整流电路的负输出端；B组合的两端作为电池充放电电路的输出端。

本发明中，所述隔离转换稳压电路采用开关电源模块。

本发明中，所述驱动电路为功率半导体开关的门极驱动电路，功率半导体开关的门极与驱动电路连接，驱动电路的负极与功率半导体开关的负极共地连接。

本发明还提供了一种基于前述电路的功率半导体开关驱动电路的自供电方法，具体包括：降压整流电路根据供电需要将功率半导体开关主电路两端的电压进行分压、整流处理，供给电池充放电电路和隔离转换稳压电路；电池充放电电路在正常工况下将降压整流电路得到的电压供给隔离转换稳压电路，同时给电池涓流充电，并在起动及应急状态由电池放电给隔离转换稳压电路供电；隔离转换稳压电路将降压整流电路得到的波动电压隔离稳定输出，其输出电压由滤波电容滤波后，提供给驱动电路作为其工作电源，从而实现功率半导体开关驱动电路的自供电；其中，

所述电池充放电电路包括三个电阻、一个二极管、一个电池和一个三端稳压管；其中，一个电阻与三端稳压管串联组合成为A组合、二极管与电池串联组合成为B组合，且A组合与B组合的两端分别与降压整流电路的两个输出端相接；另两个电阻为第一电阻和第二电阻，两者串联组合，且第一电阻的另一端分别接至A组合中点和B组合中点，第二电阻的另一端还接于降压整流电路的负输出端；B组合的两端作为电池充放电电路的输出端；为防止电池持续充电导致电池过充产生发热，通过三端稳压管设定电池充电的最大安全电压Vomax，假设三端稳压管的参考电压为Vref，则

Vomax=Vref×（R5+R6）/R6

该式中，R5是第二电阻的阻值，R6是第一电阻的阻值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、自供电驱动电路工作电源取自电力电子器件自身的主电路两端，无需电磁元件提供驱动电源，减少耦合和干扰，隔离能力强；

2、电池充放电电路能满足正常工况下，降压整流电路输出的电压一边供电，一边给电池充电；

3、在应急情况下，后备电池能应急供电，确保设备的安全停机；隔离电源模块实现输出电源与器件共地连接。

4、采用光纤传送脉冲信号，单向传送脉冲信号，由控制系统发送给驱动电路，线路干扰小。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明的一种实施电路图；

附图标记：驱动电路1、电力电子器件2、降压整流电路3、电池充放电电路4、隔离转换稳压电路5和电解电容6、滤波电容7。

具体实施方式

以下的实施例可以使本专业技术领域的技术人员更全面的了解本发明，但不以任何方式限制本发明。

图1中的功率半导体开关驱动电路的自供电电路，包括功率半导体开关2及其驱动电路1；还包括降压整流电路3、电池充放电电路4、隔离转换稳压电路6和滤波电容7。降压整流电路3接于功率半导体开关2主电路的两端，降压整流电路3、电池充放电电路4、隔离转换稳压电路6、滤波电容7依次连接，隔离转换稳压电路6采用模块隔离；驱动电路1的正负极分别接于滤波电容7的正负极，驱动电路1负极与功率半导体开关2负极共地连接。功率半导体开关2可以是晶闸管、IGBT、IGCT或MOSFET。作为脉冲信号源的控制系统通过光纤连接至驱动电路1，以实现脉冲信号的输入。

图2为本发明的一个具体实施电路图。本实施例中各电路原理与实施例1相同，其中，功率半导体开关2选用的是晶闸管TH1。

降压整流电路3包括电阻R3、整流器B1和电解电容E1；整流器B1一端通过电阻R3连接到晶闸管TH1的正极，整流器B1另一端则直接连接到晶闸管TH1的负极；电解电容E1接于整流器B1的两端，并作为降压整流电路1的输出端。

电池充放电电路4由电阻R4、第一电阻R5、第二电阻R6，二极管D1，电池5和三端稳压管TL432组成；其中电阻R4与三端稳压管TL432串联组合成为A组合、二极管D1与电池5串联组合成为B组合，且A组合与B组合的的两端分别与降压整流电路3的两个输出端相接；第一电阻R5、第二电阻R6串联组合，第一电阻R5的另一端分别接至A组合中点和B组合中点，第二电阻R6的另一端还接于降压整流电路3的负输出端；B组合的两端作为电池充放电电路4的输出端。正常工况下，由降压整流电路3输出的电压给电池5充电，同时供电给隔离转换稳压电路6；当电池5充电完成时，通过三端稳压管TL431停止对电池5继续充电；起动或降压整流电路3故障的应急状态时，电池5通过二极管D1放电，给隔离转换稳压电路供电。

驱动电路1为功率半导体开关2的门极驱动电路，功率半导体开关2的门极与驱动电路1连接，驱动电路1的负极与功率半导体开关2的负极共地连接。

隔离转换稳压电路6采用开关电源模块。采用模块隔离的目的是使输出电源VCC与晶闸管TH1共地连接。

基于所述电路的功率半导体开关驱动电路的自供电方法，具体包括：降压整流电路1根据供电需要将晶闸管TH1主电路两端的电压进行分压、整流处理，供给电池充放电电路4和隔离转换稳压电路6；电池充放电电路4在正常工况下将降压整流电路3得到的电压供给隔离转换稳压电路6，同时给电池5涓流充电。在起动或降压整流电路3故障的应急状态，由电池5放电给隔离转换稳压电路6供电；隔离转换稳压电路6将降压整流电路3得到的波动电压或电池电压隔离稳定输出，其输出电压由滤波电容7滤波后，提供给驱动电路1作为其工作电源，从而实现驱动电路1的自供电；其中，

为防止电池持续充电对电池产生发热的影响，根据电池性能及三端稳压管TL431的性能，通过三端稳压管设定电池充电的最大安全电压Vomax，假设三端稳压管的参考电压为Vref，则

Vomax=Vref×（R5+R6）/R6

该式中，R5是第一电阻的阻值，R6是第二电阻的阻值。

因此，本发明的实际范围不仅包括所公开的实施例，还包括在权利要求书之下实施或者执行本发明的所有等效方案。

Claims (8)

1.一种功率半导体开关驱动电路的自供电电路，包括功率半导体开关及其驱动电路；其特征在于，还包括：

降压整流电路，用于将功率半导体开关主电路两端的电压分压、整流，并提供电压给后级的电池充放电电路和隔离转换稳压电路；

电池充放电电路，用于在正常工况下将降压整流电路得到的电压供给隔离转换稳压电路，同时给电池涓流充电，并在起动及应急状态由电池放电给隔离转换稳压电路供电；

一个滤波电容；

隔离转换稳压电路，用于对获得的波动电压进行隔离、稳定，并输出电压给所述滤波电容，由其滤波后向驱动电路供电；

所述降压整流电路接于功率半导体开关主电路的两端，降压整流电路、电池充放电电路、隔离转换稳压电路、滤波电容依次连接，隔离转换稳压电路采用模块隔离；驱动电路的正负极分别接于滤波电容的正负极，驱动电路负极与功率半导体开关负极共地连接。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述功率半导体开关是晶闸管、IGBT、IGCT或MOSFET。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，作为脉冲信号源的控制系统通过光纤连接至驱动电路，以实现脉冲信号的输入。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述降压整流电路包括一个电阻、一个整流器和一个电解电容；整流器一端通过电阻连接到功率半导体开关的正极，整流器另一端则直接连接到功率半导体开关的负极；电解电容接于整流器的两端，并作为降压整流电路的输出端。

5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电池充放电电路包括三个电阻、一个二极管、一个电池和一个三端稳压管；其中，一个电阻与三端稳压管串联组合成为A组合、二极管与电池串联组合成为B组合，且A组合与B组合的两端分别与降压整流电路的两个输出端相接；另两个电阻为第一电阻和第二电阻，两者串联组合，且第一电阻的另一端分别接至A组合中点和B组合中点，第二电阻的另一端还接于降压整流电路的负输出端；B组合的两端作为电池充放电电路的输出端。

6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述隔离转换稳压电路采用开关电源模块。

7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述驱动电路为功率半导体开关的门极驱动电路，功率半导体开关的门极与驱动电路连接，驱动电路的负极与功率半导体开关的负极共地连接。

8.基于权利要求1所述电路的功率半导体开关驱动电路的自供电方法，其特征在于，具体包括：降压整流电路根据供电需要将功率半导体开关主电路两端的电压进行分压、整流处理，供给电池充放电电路和隔离转换稳压电路；电池充放电电路在正常工况下将降压整流电路得到的电压供给隔离转换稳压电路，同时给电池涓流充电，并在起动及应急状态由电池放电给隔离转换稳压电路供电；隔离转换稳压电路将降压整流电路得到的波动电压隔离稳定输出，其输出电压由滤波电容滤波后，提供给驱动电路作为其工作电源，从而实现功率半导体开关驱动电路的自供电；其中，

所述电池充放电电路包括三个电阻、一个二极管、一个电池和一个三端稳压管；其中，一个电阻与三端稳压管串联组合成为A组合、二极管与电池串联组合成为B组合，且A组合与B组合的两端分别与降压整流电路的两个输出端相接；另两个电阻为第一电阻和第二电阻，两者串联组合，且第一电阻的另一端分别接至A组合中点和B组合中点，第二电阻的另一端还接于降压整流电路的负输出端；B组合的两端作为电池充放电电路的输出端；为防止电池持续涓流充电对电池产生发热的影响，通过三端稳压管设定电池充电的最大安全电压Vomax，假设三端稳压管的参考电压为Vref，则

Vomax=Vref×（R5+R6）/R6

该式中，R5是第一电阻的阻值，R6是第二电阻的阻值。

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