CN104038191A - 电压型栅控器件的驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电压型栅控器件的驱动电路。该电压型栅控器件的驱动电路包括：传感器接口，用于采集电压型栅控器件的工作信号；脉冲信号接口，用于接收外部控制电路产生的单极性脉冲信号；数字保护电路，与传感器接口和脉冲信号接口分别连接，用于按照工作信号和单极性脉冲信号生成驱动信号；集成驱动核，与数字保护电路连接，用于将驱动信号转换为电压型栅控器件的控制信号。应用本发明的技术方案，驱动电路发送的控制信号能够保证功率器件的工作可靠性，满足了功率器件高功率、高频率、高可靠性的要求。

Description

电压型栅控器件的驱动电路

技术领域

本发明涉及电力电子领域，具体而言，涉及一种电压型栅控器件的驱动电路。

背景技术

功率半导体技术是电力电子技术的基础与核心，随着微电子技术的发展，以MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物晶体管）和IGBT（InsulatedGate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）等电压型栅控器件因其性能优越、控制方便等优点而获得广泛应用，尤其在各种功率源、开关电源、感应加热、逆变焊机、变频器、汽车电子领域发挥着极其重要的作用。

功率器件的不断发展，使得其驱动电路也在不断地发展，图1示出了现有技术中使用分立器件构建IGBT驱动器的电路图，图2是现有技术中使用集成电路TLP250构成的IGBT驱动器的电路图，图3是现有技术中具有软栅压、软关断保护功能的IGBT驱动器的电路图，通过以上三种IGBT驱动器的电路图分析可以得出现有技术中的驱动电路的特点包括：

（1）分立元件构建的驱动电路，双电源供电、结构复杂、集成化程度低、故障率高；

（2）光电耦合器驱动电路，线路简单、体积小，反应速度慢，无过流保护功能，需外加放大电路和辅助电源；

（3）厚膜驱动电路，保密性好，双电源供电，有过流保护功能，驱动功率小、工作频率低；

（4）专用集成驱动电路，集成度高，单电源供电，价格高，驱动功率小、工作频率低。

因此，现有的MOSFET和IGBT驱动电路保护功能不完善导致工作可靠性差，而且一般只能满足大功率、低频率或小功率、高频率的应用，已经逐渐不能满足功率器件高功率、高频率、高可靠性的应用要求。

针对相关技术中的电压型栅控器件的驱动电路中保护功能不完善导致工作可靠性差的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明旨在提供一种电压型栅控器件的驱动电路，以解决现有技术中电压型栅控器件的驱动电路中保护功能不完善导致工作可靠性差的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种电压型栅控器件的驱动电路。该电压型栅控器件的驱动电路包括：传感器接口，用于采集电压型栅控器件的工作信号；脉冲信号接口，用于接收外部控制电路产生的单极性脉冲信号；数字保护电路，与传感器接口和脉冲信号接口分别连接，用于按照工作信号和单极性脉冲信号生成驱动信号；集成驱动核，与数字保护电路连接，用于将驱动信号转换为电压型栅控器件的控制信号。

进一步地，上述数字保护电路包括：比较器，与传感器接口连接，用于接收工作信号并在工作信号超出预设限值时发出保护信号；锁存器，与比较器连接，用于锁存保护信号；与门电路，与锁存器和脉冲信号接口分别连接，用于将保护信号和单极性脉冲信号进行与逻辑运算以得到驱动信号。

进一步地，上述传感器接口包括：电压传感器接口，用于接收电压型栅控器件的电压信号；霍尔传感器接口，用于接收电压型栅控器件的电流信号；温度传感器接口，用于接收电压型栅控器件的工作温度信号，比较器包括：第一比较器，与电压传感器接口连接，用于比较电压信号与预设电压限值的大小；第二比较器，与霍尔传感器接口连接，用于比较电流信号与预设电流限值的大小；第三比较器，与温度传感器接口连接，用于比较温度信号与预设温度限值的大小。

进一步地，上述锁存器为R-S锁存器，该R-S锁存器的第一R输入端与第一比较器的输出端连接、R-S锁存器的第二R输入端与第二比较器的输出端连接、R-S锁存器的第三R输入端与第三比较器的输出端连接。

进一步地，本发明提供的电压型栅控器件的驱动电路还包括第一电容和第三电阻，第一电容的第一端连接电源，第一电容的第二端与第三电阻的第一端连接于第二节点，第三电阻的第二端连接输入电压公共端，R-S锁存器的S输入端与第二节点连接。

进一步地，上述与门电路包括：第一与门，该第一与门的输入端与R-S锁存器的输出端分别连接；第二与门，该第二与门的第一输入端与第一与门的输出端连接，该第二与门的第二输入端与脉冲信号接口连接，该第二与门的输出端与集成驱动核连接。

进一步地，本发明提供的电压型栅控器件的驱动电路还包括：光电隔离器，设置在脉冲信号接口与数字保护电路之间。

进一步地，本发明提供的电压型栅控器件的驱动电路还包括：栅极电路，与集成驱动核连接，用于输出控制信号。

进一步地，上述栅极电路包括第一电阻、第二电阻、第一稳压管和第二稳压管，其中，第一电阻的第一端与集成驱动核的正极性信号输出端连接，第二电阻的第一端与集成驱动核的负极性输出端连接，第一电阻的第二端和第二电阻的第二端连接于第一节点，第一稳压管的阴极端连接第一节点，第二稳压管的阴极端连接输出电压公共端，第一稳压管的阳极端与第二稳压管的阳极端连接。

进一步地，本发明提供的电压型栅控器件的驱动电路还包括第三稳压管、第二电容和第三电容，分别并联在集成驱动核的电源端和输入电压基准端之间。

应用本发明的技术方案，本发明的技术方案，在集成驱动核外部，利用数字保护电路结合当前电压型栅控器件的工作状态，对驱动信号进行相应的处理，使发送给功率器件的控制信号能够保证功率器件的工作可靠性，而且利用集成驱动核提高了整个电路的集成度、输出功率以及工作频率，从而满足了功率器件高功率、高频率、高可靠性的要求。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是现有技术中使用分立器件构建IGBT驱动器的电路图；

图2是现有技术中使用集成电路TLP250构成的IGBT驱动器的电路图；

图3是现有技术中具有软栅压、软关断保护功能的IGBT驱动器的电路图；

图4是根据本发明实施例的电压型栅控器件的驱动电路的示意图；

图5是根据本发明实施例的电压型栅控器件的驱动电路的数字保护电路的示意图；

图6是本发明实施例的电压型栅控器件的驱动电路的一种具体电路的原理图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明实施例提供了一种电压型栅控器件的驱动电路，图4是根据本发明实施例的电压型栅控器件的驱动电路的示意图，如图4所示，该电压型栅控器件的驱动电路包括：传感器接口11、脉冲信号接口12、数字保护电路13、集成驱动核14。

传感器接口11，用于采集功率器件的工作信号，功率器件是指本驱动电路驱动的电压型栅控器件，上述工作信号反应了当前功率器件的工作状态，由各种传感器进行测量，主要包括电压型栅控器件的电压信号、电流信号以及工作温度信号。传感器接口11是以上各种传感器的连接接口，本实施例的驱动电路通过该传感器接口11得到电压型栅控器件的工作状态。传感器接口11的路数与所要连接的传感器的数量对应。

脉冲信号接口12，用于接收外部控制电路产生的单极性脉冲信号，电压型栅控器件的控制算法一般由专用的控制器执行，但是控制器的输出信号需要经过处理才能用于驱动电压型栅控器件，本实施例中驱动电路通过该脉冲信号接口12获取上述单极性脉冲信号以进行转换。

数字保护电路13，分别与传感器接口11和脉冲信号接口12连接，按照上述由传感器接口11传输过来的工作信号和由脉冲信号接口12传输过来的单极性脉冲信号生成驱动信号，在电压型栅控器件的工作状态异常的情况下，上述驱动信号使电压型栅控器件可靠截止，以保护该电压型栅控器件。

上述驱动信号转换为直接控制电压型栅控器件的控制信号的功能由集成驱动核14完成。该集成驱动核14与数字保护电路13连接，用于将驱动信号转换为所述电压型栅控器件的控制信号。具体地，该集成驱动核实现了控制信号的逻辑电平转换、隔离、放大，并将单极性供电电源转换为与输入电源隔离的正负极性供电电源。集成驱动核14可以选用concept公司的SCALE系列的驱动核，该系列驱动核采用专门开发的芯片制造，能够安全可靠的驱动IGBT或MOSFET。集成驱动核14采用脉冲变压器进行电气隔离，包括逻辑驱动接口、智能门极驱动和DC-DC变换器3个功能单元，具有很强的驱动能力和很高的隔离电压。选用集成驱动核14，可以使功率器件工作在理想的开关状态、缩短开关时间、减小开关损耗、提高其运行效率和可靠性。集成驱动核14并不局限与使用特定公司的特定产品，例如还可以选用SEMIKRON、INFINEON公司的相关产品。从而解决了现有技术中的驱动器不能提供高功率、高频率驱动信号的问题。

本实施例的电压型栅控器件的驱动电路，在集成驱动核14外部，利用数字保护电路13结合当前电压型栅控器件的工作状态，对驱动信号进行相应的处理，使向功率器件发送的控制信号能够保证功率器件的工作可靠性，而且利用集成驱动核14提高了整个电路的集成度、输出功率以及工作频率，从而满足了功率器件高功率、高频率、高可靠性的要求。

图5是根据本发明实施例的电压型栅控器件的驱动电路的数字保护电路的示意图，该数字保护电路13包括：比较器131、锁存器132、与门电路133，其中，比较器131与传感器接口11连接，用于接收工作信号并在工作信号超出预设限值时发出保护信号；锁存器132，与比较器131连接，用于锁存保护信号；与门电路133，与锁存器132和脉冲信号接口12分别连接，用于将保护信号和单极性脉冲信号进行与逻辑运算以得到驱动信号。

功率器件的工作状态使用不同的工作信号来反映，上述工作信号可以包括功率器件的电压、电流等电量信号还可以包括温度等影响器件性能的其它信号。本实施例的电压型栅控器件的驱动电路可以集成过流、过压、过温的保护功能，为实现以上功能，传感器接口11具体可以包括：电压传感器接口，用于接收电压型栅控器件的电压信号；霍尔传感器接口，用于接收电压型栅控器件的电流信号；温度传感器接口，用于接收电压型栅控器件的工作温度信号，比较器131分别对以上信号分别进行比较，从而比较器131可以具体包括：第一比较器，与电压传感器接口连接，用于比较电压信号与预设电压限值的大小，在采集到的电压信号大于预设电压限值时输出电压超限信号；第二比较器，与霍尔传感器接口连接，用于比较电流信号与预设电流限值的大小，在采集到的电流信号大于预设电流信号时输出电流超限信号；第三比较器，与温度传感器接口连接，用于比较温度信号与预设温度限值的大小，在温度超限时发出温度超限信号，以上超限信号均为高电平信号，也就是在功率器件正常工作时，比较器131输出低电平，当出现异常状况时，比较器131输出高电平。

为了对以上比较器131的输出信号进行处理，上述锁存器132可以选用R-S锁存器，该R-S锁存器的第一R输入端与所述第一比较器的输出端连接、所述R-S锁存器的第二R输入端与所述第二比较器的输出端连接、所述R-S锁存器的第三R输入端与所述第三比较器的输出端连接，该R-S锁存器的各锁存输出端可以反映R输入端的状态变化。根据R-S锁存器的真值表，R输入端输入高电平时，其对应的输出端输出低电平。

与门电路133的输入与锁存器132的输出端连接以进行进一步处理，与门电路133具体可以包括：第一与门，该第一与门的输入端与R-S锁存器的输出端分别连接；第二与门，该第二与门的第一输入端与第一与门的输出端连接，该第二与门的第二输入端与脉冲信号接口12连接，该第二与门的输出端与集成驱动核14连接。通过这样的电路结构，第一与门对功率器件的各种工作信号进行综合，第二与门结合以上综合的工作信号对脉冲信号进行处理。功率器件正常工作时，第一与门的各输入均为高电平，第一与门的输出也为高电平，从而在只有在所有的工作信号正常的情况下，才允许驱动信号输入集成驱动核14，当以上任一工作信号出现异常，对应与门的输入改为低电平，从而第二与门的第一输入端接收到低电平，第二与门的输出端输出低电平，从而封锁了驱动信号，使功率器件可靠截止。而且锁存器信号在R输入端由高电平改为低电平时，其输出端不变，从而实现了锁存功能，也就是一但出现异常情况，除非进行复位，控制信号不会自动恢复。

本发明实施例的电压型栅控器件的驱动电路的电源由电源输入接口提供，该电源经过了集成驱动核14的隔离，因此对于集成驱动核14而言，输入侧的电压公共端和输出侧的电压公共端不同，可以分别称为输入电压公共端和输出电压公共端。本实施例通过输入电源设计了R-S锁存器的置位电路，以对锁存的保护信号进行清除。在这种情况下，本发明实施例的电压型栅控器件的驱动电路还包括：第一电容和第三电阻，第一电容的第一端连接电源，第一电容的第二端与第三电阻的第一端连接于第二节点，第三电阻的第二端连接输入电压公共端，R-S锁存器的S输入端与所述第二节点连接。

上述R-S锁存器的S输入端连接于第二节点，可以在电源上电的瞬间，利用第一电容和第三电阻对R-S锁存器的输出端进行置位。从而保证后续逻辑的正确性。按照R-S锁存器的特性，仅在上电瞬间S输入端接收到“1”信号即高电平，从而将R-S锁存器的输出复位，随着第一电容充电结束，S输入端的输入信号改为“0”信号即低电平，锁存器的输出由R输入端决定。出现异常时，R输入端为高电平，输出端改为低电平，经过与门电路133处理，封锁驱动信号，直至重新上电重启。

集成驱动核14的输出可以通过栅极电路传送给功率器件的控制端，该栅极电路包括第一电阻、第二电阻、第一稳压管和第二稳压管，其中，第一电阻的第一端与集成驱动核14的正极性信号输出端连接，第二电阻的第一端与集成驱动核14的负极性输出端连接，第一电阻的第二端和第二电阻的第二端连接于第一节点，第一稳压管的阴极端连接第一节点，第二稳压管的阴极端连接输出电压公共端，第一稳压管的阳极端与第二稳压管的阳极端连接。

为了保证电源的稳定性，本实施例的电压型栅控器件的驱动电路还可以设置有第三稳压管、第二电容和第三电容，分别并联在集成驱动核14的电源端和输入电压基准端之间。其中，第三稳压管用于防止过压。第二电容和第三电容的容值相差1000倍，以共同用于电源滤波。另外在电源输入接口与集成驱动核14的电源端之间还可以串联一个快速熔断器，防止过流而损坏集成驱动核的电源转换电路。

以下结合附图对本实施例的一种具体电路进行说明，图6是本发明实施例的电压型栅控器件的驱动电路的一种具体电路的原理图，该具体电路包括三个电路部分：信号部分、电源部分、保护部分。

信号部分电路的原理为：脉冲信号接口12接收外部控制电路产生的单极性脉冲信号，首先经过电阻R1进行限流，然后进入高速光耦N1进行隔离，阻断外部地线上干扰信号；高速光耦N1的隔离后的信号通过电阻R2进行上拉，在光耦输入信号为低或者没有信号时，隔离后的电平为高电平，在高速光耦N1接收高电平时，接收端导通，隔离后的电平为低电平。由于高速光耦将驱动信号反向，再需经过反相器D2变换极性，并对波形进行整形；之后驱动信号进入双输入与门D4即第二与门，与总状态信号进行与逻辑运算，正常时总状态信号为高电平+15V，驱动信号直接输出给集成驱动核N5，进行逻辑电平转换、隔离、放大，将单极性小功率信号转换成双极性大功率信号输出给栅极电路；其中正极性信号通过第一电阻R4，负极性信号通过第二电阻R5，采用不同的电阻是为了分别控制功率器件的开关速度；V2、V3分别是第一稳压管和第二稳压管，第一稳压管和第二稳压管反向串联，作用为双向防止驱动信号幅度过高，击穿功率器件的栅极；电阻R6是一个高阻值电阻，作用是当无信号时将栅极电平拉低，即R6为下拉电阻，保证功率器件可靠截止；C6是一个皮法级电容，作用是滤除驱动信号上升、下降沿的高频振荡；驱动信号经过上述电路后，送给功率器件的栅极，输出端的电压公共端COM与输入端的电压公共端GND彼此隔离。

电源部分的原理为：电源输入接口接收外部+15V单极性电源的供电，通过稳压二极管V1，将输入电压稳定在+15V；第二电容C2、第三电容C3是两个容值相差1000倍的电容，用于电源滤波；F1是一个快速熔断器，串接在电源输入接口与集成驱动核N5的电源端之间，防止功率器件栅极短路而损坏集成驱动核的电源转换电路；+15V通过集成驱动核N5转换成±15V双电源，由N5内部给脉冲放大电路供电；C4、C5是两个大容值有极性电容，用于为±15V电源储能。

在图6中，端子X1为脉冲信号接口，用于接收单极性脉冲信号，端子X2集成了传感器接口和输入电源接口，端子X2中第一端和第二端分别接收电压信号和预设电压信号，第三端和第四端分别接收电流信号和预设电流信号，第五端和第六端分别接收温度信号和预设温度信号，第七端和第八端分别连接电源+15V和输入电压公共端GND。

保护部分的电路原理为：R-S锁存器D1在+15V电源供电瞬间通过第三电阻R3、第一电容C1对锁存器的S输入端S0、S1、S2进行置位，此时D1输出Q0、Q1、Q2均为高电平，再经过三输入与门D3即第一与门输出总状态信息，正常为高电平+15V，再输入双输入与门D4，和驱动信号相与，此时D4不封锁，正常输出驱动信号给集成驱动核N5。

本实施例的电压型栅控器件的驱动电路实时接收外部电压传感器、霍尔传感器、温度传感器送来的功率器件电压、电流、温度状态信号，传感器已将高电压、大电流、温度按比例转换成低电压信号，分别与电压比较器N2、N3、N4设定的保护动作电压比较；当三种状态中某一种或某几种输入电压超过预设的保护动作电压时，电压比较器输出高电平，再分别送入R-S锁存器D1。D1将瞬态信号锁定保存并同时输出稳态信号也就是低电平“0”信号，分别代表电压、电流、温度状态信息的三路稳态信号同时送入三输入与门D3，当一路信号为低电平0V即出现异常时，则D3输出低电平，再输入双输入与门D4，和驱动信号相与，此时D4封锁，输出驱动信号不送给集成驱动核N5，整个数字驱动保护单元输出低电平-15V，使功率器件可靠截止，保护功率器件。

故障发生后，驱动电路封锁驱动信号，若需使其重新输出驱动信号，需对数字驱动保护单元进行复位。复位方式通过控制外部+15V单极性电源的供电实现，也就是通过断电再上电的方式进行复位。

本实施例的电压型栅控器件的驱动电路，在集成驱动核外部，利用数字保护电路结合当前电压型栅控器件的工作状态，对驱动信号进行相应的处理，使向功率器件发送的控制信号能够保证功率器件的工作可靠性，而且利用集成驱动核提高了整个电路的集成度、输出功率以及工作频率，从而满足了功率器件高功率、高频率、高可靠性的要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电压型栅控器件的驱动电路，其特征在于，包括：

传感器接口，用于采集所述电压型栅控器件的工作信号；

脉冲信号接口，用于接收外部控制电路产生的单极性脉冲信号；

数字保护电路，与所述传感器接口和所述脉冲信号接口分别连接，用于按照所述工作信号和所述单极性脉冲信号生成驱动信号；

集成驱动核，与所述数字保护电路连接，用于将所述驱动信号转换为所述电压型栅控器件的控制信号。

2.根据权利要求1所述的电压型栅控器件的驱动电路，其特征在于，所述数字保护电路包括：

比较器，与所述传感器接口连接，用于接收所述工作信号并在所述工作信号超出预设限值时发出保护信号；

锁存器，与所述比较器连接，用于锁存所述保护信号；

与门电路，与所述锁存器和所述脉冲信号接口分别连接，用于将所述保护信号和所述单极性脉冲信号进行与逻辑运算以得到所述驱动信号。

3.根据权利要求2所述的电压型栅控器件的驱动电路，其特征在于，

所述传感器接口包括：

电压传感器接口，用于接收所述电压型栅控器件的电压信号；

霍尔传感器接口，用于接收所述电压型栅控器件的电流信号；

温度传感器接口，用于接收所述电压型栅控器件的工作温度信号，

所述比较器包括：

第一比较器，与所述电压传感器接口连接，用于比较所述电压信号与预设电压限值的大小；

第二比较器，与所述霍尔传感器接口连接，用于比较所述电流信号与预设电流限值的大小；

第三比较器，与所述温度传感器接口连接，用于比较所述温度信号与预设温度限值的大小。

4.根据权利要求3所述的电压型栅控器件的驱动电路，其特征在于，所述锁存器为R-S锁存器，该R-S锁存器的第一R输入端与所述第一比较器的输出端连接、所述R-S锁存器的第二R输入端与所述第二比较器的输出端连接、所述R-S锁存器的第三R输入端与所述第三比较器的输出端连接。

5.根据权利要求4所述的电压型栅控器件的驱动电路，其特征在于，还包括第一电容和第三电阻，所述第一电容的第一端连接电源，所述第一电容的第二端与所述第三电阻的第一端连接于第二节点，所述第三电阻的第二端连接输入电压公共端，所述R-S锁存器的S输入端与所述第二节点连接。

6.根据权利要求4所述的电压型栅控器件的驱动电路，其特征在于，所述与门电路包括：

第一与门，该第一与门的输入端与所述R-S锁存器的输出端分别连接；

第二与门，该第二与门的第一输入端与所述第一与门的输出端连接，该第二与门的第二输入端与所述脉冲信号接口连接，该第二与门的输出端与所述集成驱动核连接。

7.根据权利要求1所述的电压型栅控器件的驱动电路，其特征在于，还包括：

光电隔离器，设置在所述脉冲信号接口与所述数字保护电路之间。

8.根据权利要求1所述的电压型栅控器件的驱动电路，其特征在于，还包括：栅极电路，与所述集成驱动核连接，用于向所述电压型栅控器件输出所述控制信号。

9.根据权利要求8所述的电压型栅控器件的驱动电路，其特征在于，所述栅极电路包括第一电阻、第二电阻、第一稳压管和第二稳压管，其中，

所述第一电阻的第一端与所述集成驱动核的正极性信号输出端连接，所述第二电阻的第一端与所述集成驱动核的负极性输出端连接，所述第一电阻的第二端和所述第二电阻的第二端连接于第一节点，所述第一稳压管的阴极端连接所述第一节点，所述第二稳压管的阴极端连接输出电压公共端，所述第一稳压管的阳极端与所述第二稳压管的阳极端连接。

10.根据权利要求1所述的电压型栅控器件的驱动电路，其特征在于，还包括第三稳压管、第二电容和第三电容，分别并联在所述集成驱动核的电源端和输入电压基准端之间。