CN104811174B - 可调节功率开关管开关速度的功率开关管驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了可调节功率开关管开关速度的功率开关管驱动电路，包括检测电路、滤波电路、参考电压产生电路、电压比较电路、开关电路、电气隔离电路、第一和第二驱动输出电路。电压比较电路用于将滤波后的检测电压信号与参考电压进行比较。电气隔离电路用于将功率开关管驱动控制信号进行电气隔离后输出。第一驱动输出电路的输入端与电气隔离电路的输出端连接。第一、第二驱动输出电路的输出端均与功率开关管的栅极连接。开关电路的控制输入端与电压比较电路的输出端连接，第一和第二导通端分别与电气隔离电路和第二驱动输出电路的输出端连接。本发明能够根据功率开关管的输出电流大小控制一个驱动输出电路工作或者两者同时工作，进而控制开关速度。

Description

可调节功率开关管开关速度的功率开关管驱动电路

技术领域

本发明涉及功率开关管驱动电路。

背景技术

开关特性是功率开关管（ 包括IGBT和MOSFET，IGBT:Insulated Gate BipolarTransistor，即绝缘栅双极型晶体管；MOSFET：Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor，即金属氧化物半导体场效应晶体管）的重要特性。目前，在功率开关管中，多使用栅极电阻对栅极电容充放电来控制功率开关管的开关过程。若选择的栅极电阻不合适，将出现震荡，增加功率开关管集电极或漏极电压的脉冲尖峰。栅极电阻值小则充放电速度较快，能减小开关时间和开关损耗，增强工作的耐固性，避免带来因dv/dt的误导通，但缺点是电路中存在杂散电感在功率开关管上产生大的电压尖峰，使得栅极承受噪声能力小，易产生寄生震荡。栅极电阻值大则充电时间较慢，开关时间和开关损耗增大。

目前，绝大多数功率开关管驱动电路均采用一个栅极电阻或开通电阻与关断电阻分开的结构，无论功率开关管的输出电流大小是多大，其导通与关断速度都是一样的，这会出现大电流时损耗过大、小电流时易产生寄生震荡的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种可根据功率开关管的输出电流大小调节功率开关管开关速度的功率开关管驱动电路。

为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：

一种可调节功率开关管开关速度的功率开关管驱动电路，包括：

检测电路，用于产生跟随所述功率开关管的输出电流而变化的检测电压信号；

滤波电路，该滤波电路的输入端与所述检测电路的输出端连接，用于对所述的检测电压信号进行滤波处理；

参考电压产生电路，用于产生一参考电压；

电压比较电路，该电压比较电路具有第一输入端、第二输入端和输出端,电压比较电路的第一输入端与所述滤波电路的输出端连接，电压比较电路的第二输入端与所述参考电压产生电路的输出端连接，该电压比较电路用于将经所述滤波电路滤波后的检测电压信号与所述的参考电压进行比较，并根据比较结果输出第一控制信号或第二控制信号；

电气隔离电路，用于将外部输入的功率开关管驱动控制信号进行电气隔离后输出；

第一驱动输出电路，该第一驱动输出电路的输入端与所述电气隔离电路的输出端连接，第一驱动输出电路的输出端与所述功率开关管的栅极连接；

开关电路，该开关电路具有控制输入端、第一导通端和第二导通端；开关电路的控制输入端与所述电压比较电路的输出端连接，开关电路的第一导通端与所述电气隔离电路的输出端连接；开关电路在接收到所述第一控制信号时关断，在接收到所述第二控制信号时导通；

第二驱动输出电路，该第二驱动输出电路的输入端与所述开关电路的第二导通端连接，第二驱动输出电路的输出端与所述功率开关管的栅极连接；第二驱动输出电路与第一驱动输出电路同时工作时的功率开关管的栅极驱动电阻小于只有第一驱动输出电路工作时的功率开关管的栅极驱动电阻。

本发明功率开关管驱动电路设有两个驱动输出电路，能够根据功率开关管的输出电流大小控制其中的一个驱动输出电路工作或者是两个驱动输出电路同时工作，进而改变功率开关管的栅极电阻值，控制开关速度，从而提高了功率管的驱动性能，有效降低了功率开关管的损耗。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的功率开关管驱动电路的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出进一步说明。

图1示出了根据本发明一实施例的功率开关管驱动电路的电路示意图。根据本发明一实施例的可调节功率开关管开关速度的功率开关管驱动电路，包括检测电路1、滤波电路2、参考电压产生电路3、电压比较电路4、开关电路5、电气隔离电路6、第一驱动输出电路7和第二驱动输出电路8。

检测电路1用于产生跟随功率开关管9的输出电流而变化的检测电压信号。图1中是以IGBT作为功率开关管9举例说明的，本领域技术人员可以清楚理解的是，图1中的IGBT也可以替换成MOSFET。检测电路1可以是采样电阻、电流互感器或者是对IGBT的V_ce进行检测的电路。

滤波电路2的输入端与检测电路1的输出端连接，用于对检测电压信号进行滤波处理。滤波电路2包括阻容滤波电路21和电压跟随器U1B；阻容滤波电路21的输入端与检测电路1的输出端连接，阻容滤波电路21的输出端与电压跟随器U1B的输入端连接，电压跟随器U1B的输出端与电压比较电路4的第一输入端相连。在图1中，滤波电路2还包括防反二极管D3，防反二极管D3的正极与检测电路1的输出端相连，防反二极管D3的负极与阻容滤波电路21的输入端相连。

参考电压产生电路3用于产生一参考电压。参考电压电路3包括电阻R5、电阻R6。电阻R5的一端与电源VCC连接，另一端与电阻R6的一端连接，R5与R6的共接点处的电压即为该参考电压产生电路3所产生的参考电压。

电压比较电路4具有第一输入端、第二输入端和输出端。电压比较电路4的第一输入端与滤波电路2的输出端连接，电压比较电路4的第二输入端与参考电压产生电路3的输出端连接，该电压比较电路4用于将经滤波电路2滤波后的检测电压信号与参考电压进行比较，并根据比较结果输出第一控制信号或第二控制信号。优选地，电压比较电路4在滤波后的检测电压信号小于参考电压时输出第一控制信号，在滤波后的检测电压信号大于参考电压时输出第二控制信号。第一控制信号为低电平信号，第二控制信号为高电平信号。图中，电压比较电路4包括运放比较器U2A和分压电路。分压电路由串联的电阻R7和R8组成。运放比较器U2A的反相端与滤波电路2的输出端连接，运放比较器U2A的正相端与参考电压产生电路3的输出端连接，运放比较器U2A的输出端与分压电路的输入端相连，分压电路的输出端与开关电路5的控制输入端相连。

开关电路5具有控制输入端、第一导通端和第二导通端。开关电路5的控制输入端与电压比较电路4的输出端连接，开关电路5的第一导通端与电气隔离电路6的输出端连接，第二导通端与第二驱动输出电路8的输入端连接。开关电路5在接收到电压比较电路输出的第一控制信号时关断，在接收到电压比较电路输出的第二控制信号时导通。开关电路5可采用MOS开关管。

电气隔离电路6用于将外部输入的功率开关管驱动控制信号进行电气隔离后输出。该功率开关管驱动控制信号通常为PWM信号。该电气隔离电路包括光耦61，该光耦61的输入端接收外部输入的功率开关管驱动控制信号，光耦的输出端分别与第一驱动输出电路7的输入端和开关电路5的第一导通端相连。在图中的实施例，电气隔离电路6还包括一限流电阻R1，光耦61与限流电阻61串联后分别与第一驱动输出电路7的输入端和开关电路5的第一导通端连接。

第一驱动输出电路7的输入端与电气隔离电路6的输出端连接，第一驱动输出电路7的输出端与功率开关管9的栅极连接。第二驱动输出电路8的输入端与开关电路5的第二导通端连接，第二驱动输出电路8的输出端与功率开关管9的栅极连接。

第一驱动输出电路7包括第一推挽电路、第一驱动电阻R10和第二驱动电阻R11，第一推挽电路由推挽连接的第一开关管Q2和第二开关管Q4组成。第二驱动输出电路8包括第二推挽电路、第三驱动电阻R12和第四驱动电阻R13，第二推挽电路由推挽连接的第三开关管Q3和第四开关管Q5组成。第一、第二、第三和第四开关管均包括控制输入端、电源端和输出端。第一开关管Q2和第二开关管Q4的控制输入端共接于电气隔离电路6的输出端，第一开关管Q2的电源端与电源VCC连接，第二开关管Q4的电源端接地，第一开关管Q2的输出端与第一驱动电阻R10的一端连接。第二开关管Q4的输出端与第二驱动电阻R11的一端连接。第一驱动电阻R10的另一端与第二驱动电阻R11的另一端连接，第一驱动电阻R10的另一端与第二驱动电阻R11的另一端的共接点与功率开关管9的栅极连接。第三开关管Q3和第四开关管Q5的控制输入端共接于开关电路5的输出端，第三开关管Q3的电源端与电源连接，第四开关管Q5的电源端接地，第三开关管Q3的输出端与第三驱动电阻R12的一端连接。第四开关管Q5的输出端与第四驱动电阻R13的一端连接。第三驱动电阻R12的另一端与第四驱动电阻R13的另一端连接，第三驱动电阻R12的另一端与第四驱动电阻R13的另一端的共接点与功率开关管9的栅极连接。

在图1所示的实施例中，第一和第三开关管均为NPN三极管，第二和第四开关管均为PNP三极管；NPN三极管和PNP三极管的基极、集电极和发射极分别作为控制输入端、电源端和输出端。在另一实施例中，可用MOS管推挽电路替代上述的三极管推挽电路。

本发明的功率开关管驱动电路的工作过程如下。检测电路1检测功率开关管9的输出电流，得到检测电压信号。滤波电路2对该检测电压信号进行滤波，然后，电压比较电路4将滤波后的检测电压信号与参考电压进行比较。在功率开关管9的输出电流较小时，电压比较电路4输出低电平的第一控制信号，从而控制开关电路5关断；在功率开关管9的输出电流较大时，电压比较电路4输出高电平的第二控制信号，从而控制开关电路5导通。这样，在功率开关管9的输出电流较小时只有第一推挽电路工作，功率开关管的栅极驱动电阻为R10（第一开关管Q2导通时）或R11（第二开关管Q4导通时）；而在功率开关管9的输出电流较大时，第一和第二推挽电路同时工作，功率开关管的栅极驱动电阻为R10与R12的并联电阻（第一开关管Q2和第三开关管Q3均导通时）或R11与R13的并联电阻（第二开关管Q4和第四开关管Q5均导通时）。第二驱动输出电路8与第一驱动输出电路7同时工作时的功率开关管9的栅极驱动电阻要小于只有第一驱动输出电路7工作时的功率开关管9的栅极驱动电阻。从而实现了在功率开关管输出电流较小时栅极驱动电阻较大，保证了电路的稳定性，而在功率开关管输出电流较大时减小栅极驱动电阻，达到了降低功率开关管损耗的目的。

Claims (9)

1.可调节功率开关管开关速度的功率开关管驱动电路，其特征在于：包括：

检测电路，用于产生跟随所述功率开关管的输出电流而变化的检测电压信号；

滤波电路，该滤波电路的输入端与所述检测电路的输出端连接，用于对所述的检测电压信号进行滤波处理；

参考电压产生电路，用于产生一参考电压；

电压比较电路，该电压比较电路具有第一输入端、第二输入端和输出端,电压比较电路的第一输入端与所述滤波电路的输出端连接，电压比较电路的第二输入端与所述参考电压产生电路的输出端连接，该电压比较电路用于将经所述滤波电路滤波后的检测电压信号与所述的参考电压进行比较，并根据比较结果输出第一控制信号或第二控制信号；

电气隔离电路，用于将外部输入的功率开关管驱动控制信号进行电气隔离后输出；

第一驱动输出电路，该第一驱动输出电路的输入端与所述电气隔离电路的输出端连接，第一驱动输出电路的输出端与所述功率开关管的栅极连接；

开关电路，该开关电路具有控制输入端、第一导通端和第二导通端；开关电路的控制输入端与所述电压比较电路的输出端连接，开关电路的第一导通端与所述电气隔离电路的输出端连接；开关电路在接收到所述第一控制信号时关断，在接收到所述第二控制信号时导通；

第二驱动输出电路，该第二驱动输出电路的输入端与所述开关电路的第二导通端连接，第二驱动输出电路的输出端与所述功率开关管的栅极连接；第二驱动输出电路与第一驱动输出电路同时工作时的功率开关管的栅极驱动电阻小于只有第一驱动输出电路工作时的功率开关管的栅极驱动电阻；

所述的第一驱动输出电路包括第一推挽电路、第一驱动电阻和第二驱动电阻，所述第一推挽电路由推挽连接的第一开关管和第二开关管组成；所述的第二驱动输出电路包括第二推挽电路、第三驱动电阻和第四驱动电阻，所述第二推挽电路由推挽连接的第三开关管和第四开关管组成；

所述的第一、第二、第三和第四开关管均包括控制输入端、电源端和输出端；

该第一开关管和第二开关管的控制输入端共接于电气隔离电路的输出端，第一开关管的电源端与电源连接，第二开关管的电源端接地，第一开关管的输出端与第一驱动电阻的一端连接，第二开关管的输出端与第二驱动电阻的一端连接，第一驱动电阻的另一端与第二驱动电阻的另一端连接，第一驱动电阻的另一端与第二驱动电阻的另一端的共接点与所述功率开关管的栅极连接；

该第三开关管和第四开关管的控制输入端共接于开关电路的输出端，第三开关管的电源端与电源连接，第四开关管的电源端接地，第三开关管的输出端与第三驱动电阻的一端连接，第四开关管的输出端与第四驱动电阻的一端连接，第三驱动电阻的另一端与第四驱动电阻的另一端连接，第三驱动电阻的另一端与第四驱动电阻的另一端的共接点与所述功率开关管的栅极连接。

2.如权利要求1所述的可调节功率开关管开关速度的功率开关管驱动电路，其特征在于，第一和第三开关管均为NPN三极管，第二和第四开关管均为PNP三极管；所述NPN三极管和所述PNP三极管的基极、集电极和发射极分别作为所述的控制输入端、电源端和输出端。

3.如权利要求2所述的可调节功率开关管开关速度的功率开关管驱动电路，其特征在于，所述的电压比较电路在滤波后的检测电压信号小于所述参考电压时输出所述的第一控制信号，在滤波后的检测电压信号大于所述参考电压时输出所述的第二控制信号。

4.如权利要求3所述的可调节功率开关管开关速度的功率开关管驱动电路，其特征在于，所述的开关电路为MOS开关管。

5.如权利要求1所述的可调节功率开关管开关速度的功率开关管驱动电路，其特征在于，所述的电气隔离电路包括光耦，该光耦的输入端接收外部输入的功率开关管驱动控制信号，光耦的输出端分别与第一驱动输出电路的输入端和开关电路的第一导通端相连。

6.如权利要求1所述的可调节功率开关管开关速度的功率开关管驱动电路，其特征在于，所述的滤波电路包括阻容滤波电路和电压跟随器；所述阻容滤波电路的输入端与所述检测电路的输出端连接，阻容滤波电路的输出端与所述电压跟随器的输入端连接，电压跟随器的输出端与电压比较电路的第一输入端相连。

7.如权利要求6所述的可调节功率开关管开关速度的功率开关管驱动电路，其特征在于，所述的滤波电路还包括防反二极管，该防反二极管的正极与所述检测电路的输出端相连，该防反二极管的负极与阻容滤波电路的输入端相连。

8.如权利要求1或6所述的可调节功率开关管开关速度的功率开关管驱动电路，其特征在于，所述的电压比较电路包括运放比较器和分压电路；

所述运放比较器的反相端与所述的滤波电路的输出端连接，运放比较器的正相端与参考电压产生电路的输出端连接，运放比较器的输出端与所述分压电路的输入端相连，分压电路的输出端与所述开关电路的控制输入端相连。

9.如权利要求1所述的可调节功率开关管开关速度的功率开关管驱动电路，其特征在于，所述的功率开关管为IGBT或MOSFET。