CN107834824B - 一种功率开关管驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种功率开关管驱动电路，其包括一控制器、一隔离驱动光耦和至少一开关电路，所述控制器与所述隔离驱动光耦相连接，所述隔离驱动光耦通过PCB板上的驱动走线与所述开关电路相连接，所述隔离驱动光耦和所述开关电路之间还设置至少一个与所述驱动走线并联的第一附加支路，所述附加支路包括一第一电容，从而使得所述附加支路的交流阻抗接近于零。本发明的功率开关管驱动电路具有开关速度快且可防止过压尖峰的优点。

Description

一种功率开关管驱动电路
技术领域
本发明涉及功率开关管领域，尤其涉及一种功率开关管驱动电路。
背景技术
开关管(MOS管或IGBT)在电力电子产品中大量使用，其驱动电路的好坏直接影响着开关管的可靠性及产品性能。开关管驱动走线较长，容易引发开关管的GS电压尖峰过高问题，现在一般通过走线优化或增加吸收电容来解决此问题。然而，增加吸收电容会导致开关管损耗加大，加剧发热，降低了整体系统的效率。而优化PCB驱动走线，没有规律可循，可靠性不高。另外，在多管并联的运用场合下，受器件放置位置的限制，有的管子走线必然会很长，不但容易引发开关管GS电压尖峰过高问题，而且会因为每个管子驱动走线不一致还会引起动态不均流问题。目前，为了解决多管并联动态均流问题，通常的办法是每个开关管使用独立的驱动电路，缺点是额外增加了电路体积及电路成本。
如图1所示，现有技术的单管功率开关管驱动电路包括控制器、隔离驱动光耦和驱动电阻Rg和开关管Q1，控制器发出的PWM驱动信号，经过隔离驱动光耦和驱动电阻Rg与开关管Q1的栅极直接相连，开关管Q1的源极和漏极分别与母线和参考地线相连接。图1中，隔离驱动光耦的输出端与驱动电阻Rg之间的PCB驱动走线可等效为电感L1，因此，会引发开关管GS电压尖峰过高问题，从而影响开关管的寿命。
如图2所示，现有技术的多管功率开关管驱动电路中，由于每个管子驱动走线不一致，导致等效电感L1和电阻的大小不一样，还会引起动态不均流问题，从而影响开关管的寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种功率开关管驱动电路，从而解决现有技术存在的驱动走线过长引起的开关管过压尖峰问题的以及由于PCB走线长度不一致所造成的多管并联动态不均流的问题。
在本发明实施例中，提供了一种功率开关管驱动电路，其包括一控制器、一隔离驱动光耦和至少一开关电路，所述控制器与所述隔离驱动光耦相连接，所述隔离驱动光耦通过PCB板上的驱动走线与所述开关电路相连接，所述隔离驱动光耦和所述开关电路之间还设置至少一个与所述驱动走线并联的第一附加支路，所述第一附加支路包括一第一电容，从而使得所述附加支路的交流阻抗接近于零。
本发明实施例中，所述开关电路包括一开关管，所述隔离驱动光耦通过所述驱动走线与所述开关管的栅极相连接，所述开关管的源极和漏极分别与直流电源母线和参考地线相连接。
本发明实施例中，所述开关电路包括一开关管和一驱动电阻，所述隔离驱动光耦通过所述驱动走线与所述驱动电阻相连接，所述驱动电阻与所述开关管的栅极相连接，所述开关管的源极和漏极分别与直流电源母线和参考地线相连接。
本发明实施例中，所述第一电容的电容值C1与所述第一附加支路的等效电感L1的关系如下：其中，w为所述开关管的角频率。
本发明实施例中，所述第一附加支路与所述驱动走线并行走线，且所述第一附加支路与所述驱动走线的走线长度一致。
本发明实施例中，所述第一附加支路还包括与所述第一电容相串联的第一电阻。
本发明实施例中，所述第一附加支路还包括与所述第一电容和所述第一电阻串联的第一二极管。
本发明实施例中，所述功率开关管驱动电路还包括与所述第一附加支路并联的第二附加支路，所述第二附加支路包括串联的第二电容、第二电阻和第二二极管，所述第二二极管和所述第一二极管的正负极的方向相反。
本发明实施例中，所述功率开关管驱动电路还包括多个开关电路，所述隔离驱动光耦分别通过PCB板上的多条驱动走线与所述多个开关电路相连接，每一条驱动走线都相应的设置有至少一与其并联的第一附加支路，所述附加支路包括一第一电容，从而使得所述附加支路的交流阻抗接近于零。
本发明实施例中，所述附加支路还包括与所述第一电容串联的第一电阻和第一二极管。
与现有技术相比较，由于在本发明的功率开关管驱动电路中，增加了一条与所述驱动走线并联的附加支路，且所述附加支路的交流阻抗接近于零，可使得开关瞬间的产生交流电压从所述附加支路中通过，在单管场合，提高了开关管导通的速度，降低了开关管的GS两端的过压尖峰，延长了开关管的使用寿命，在多管并联场合，提高了多只开关管的驱动信号的一致性，有效抑制了多管并联的动态不均流的问题，降低损坏开关管的风险。
附图说明
图1是现有技术的单管驱动的功率开关管驱动电路的等效电路图。
图2是现有技术的多管驱动的功率开关管驱动电路的等效电路图。
图3是本发明实施一的一种单管驱动的功率开关管驱动电路的等效电路图。
图4是本发明实施二的一种单管驱动的功率开关管驱动电路的等效电路图。
图5是本发明专利实施三的一种单管驱动的功率开关管驱动电路的等效电路图。
图6是本发明实施四的一种单管驱动的功率开关管驱动电路的等效电路图。
图7是本发明实施五的一种多管驱动的功率开关管驱动电路的等效电路图。
图8是本发明实施六的一种多管驱动的功率开关管驱动电路的等效电路图。
图9是本发明实施七的一种多管驱动的功率开关管驱动电路的等效电路图。
图10是本发明实施八的一种多管驱动的功率开关管驱动电路的等效电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不，用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细描述，
如图3所示，本发明实施例一中，提供了一种单管驱动的功率开关管驱动电路，其包括控制器、隔离驱动光耦和由驱动电阻Rg与开关管Q1组成的开关电路。所述控制器与所述隔离驱动光耦相连接，所述隔离驱动光耦通过PCB板上的驱动走线(等效为电感L0)与驱动电阻Rg相连接，所述驱动电阻Rg与所述开关管Q1的栅极相连接，所述开关管Q1的源极和漏极分别与直流电源母线和参考地线相连接。所述隔离驱动光耦和所述驱动电阻Rg之间还设置一个与所述驱动走线并联的附加支路(附加支路走线的电感等效为电感L1)，所述附加支路包括一电容C1。
需要说明的是，在图3所示的电路中，通过对所述驱动走线的设置，所述驱动电阻Rg可以省略掉，所述开关电路可以仅仅由所述开关管Q1组成。
需要说明的是，PCB走线等效电感的计算公式如下：
其中，l为PCB走线长度，单位:mm，P为PCB的走线的宽度，单位：mm，L为PCB走线的等效电感，单位：nH。
由上面公式可知，根据每段的PCB走线的长度，即可得该段的等效电感值。所述驱动走线的阻抗大小Z0＝|ZL0|＝|jwL0|＝wL0，所述附加支路的阻抗大小Z1＝|ZL1+ZC1|＝|jwL1-j/wC1|＝wL1-1/wC1。其中，w表示为开关管的角频率(取决于开关速度)。当时，所述附加支路的阻抗大小Z1为零。
所述附加支路可以与所述驱动走线并行走线，从而使得走线长度保持一致，等效电感基本相同。可以通过调整串联的电容的C1的容值，使所述附加支路的阻抗Z1趋近零，所述驱动走线的阻抗将远远大于所述附加支路的阻抗，故此时，高频的PWM驱动信号，将主要从所述附加支路流过。由于所述附加支路的阻抗低，开关的驱动信号不易发生畸变，驱动信号的上升沿短，能加快开关速度。由于所述附加支路中有电容C1，直流信号无法通过，直流稳态的驱动信号将从所述驱动走线中经过，以保持所述开关管Q1的导通状态。
如图4所示，本发明实施例二中，所述附加支路是由串联的等效电感L1，电容C1以及电阻R1构成，其原理与实施例一相同。其中，电阻R1的阻值一般较小，相对实施例一，小电阻R1有利于增加所述驱动走线与所述附加支路之间的稳定性。
如图5所示，本发明实施例三中，在本发明实施例二的基础上，所述附加支路为多条，其工作原理及技术效果与实施例二相同，此处不再赘述。
如图6所示，本发明实施例四中，在实施例三的基础上，在所述附加支路上增加二极管，更有利于抑制震荡导致的尖峰电压，设置成对的两路方向相反的二极管支路可同时抑制关断及导通的过压尖峰。
如图7所示，为本发明实施例五提供的多管驱动的功率开关管驱动电路，与实施例一所述的单管驱动的功率开关管驱动电路相比，所述多管驱动的功率开关管驱动电路包括分别由驱动电阻Rg1和开关管Q1、驱动电阻Rg2和开关管Q2、……、驱动电阻Rgn和开关管Qn组成多个开关电路，且所述多个开关电路分别通过驱动走线(L1-Ln)与所述隔离驱动光耦相连接。与实施例一相同的是，所述驱动走线分别并联了一个附加支路，所述附加支路中分别包括了一个电容(C1-Cn)。与实施例一的工作原理相同，所述附加支路可提高开关管的导通或关断速度，降低了开关管GS两端的尖峰电压。另外，可以通过设置所述附加支路的阻抗，使得所述信号隔离光耦到各个开关管的栅极的阻抗基本相同，从而提高多只开关管驱动信号的一致性，有效解决了多管并联的动态均流的问题。
如图8、图9、图10所示，分别为本发明实施例六、七、八提供的多管驱动的功率开关管驱动电路的电路图，其工作原理及技术效果已在对上述实施例一至实施例五的描述中进行了说明，此处不再赘述。
综上所述，由于在本发明的功率开关管驱动电路中，增加了一条与所述驱动走线并联的附加支路，且所述附加支路的交流阻抗接近于零，可使得开关瞬间的产生交流电压从所述附加支路中通过，在单管场合，提高了开关管导通的速度，降低了开关管的GS两端的过压尖峰，延长了开关管的使用寿命，在多管并联场合，提高了多只开关管的驱动信号的一致性，有效抑制了多管并联的动态不均流的问题，降低损坏开关管的风险。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种功率开关管驱动电路，其特征在于，包括一控制器、一隔离驱动光耦和至少一开关电路，所述控制器与所述隔离驱动光耦相连接，所述隔离驱动光耦通过PCB板上的驱动走线与所述开关电路相连接，所述隔离驱动光耦和所述开关电路之间还设置至少一个与所述驱动走线并联的第一附加支路，所述第一附加支路包括一第一电容，从而使得所述第一附加支路的交流阻抗值接近于零，所述第一附加支路与所述驱动走线并行走线，且所述第一附加支路与所述驱动走线的走线长度一致，所述第一电容的电容值C1与所述第一附加支路的等效电感值L1的关系如下：其中，w为所述开关电路中的开关管的角频率。
2.如权利要求1所述的功率开关管驱动电路，其特征在于，所述开关电路包括一开关管，所述隔离驱动光耦通过所述驱动走线与所述开关管的栅极相连接，所述开关管的源极和漏极分别与直流电源母线和参考地线相连接。
3.如权利要求1所述的功率开关管驱动电路，其特征在于，所述开关电路包括一开关管和一驱动电阻，所述隔离驱动光耦通过所述驱动走线与所述驱动电阻相连接，所述驱动电阻与所述开关管的栅极相连接，所述开关管的源极和漏极分别与直流电源母线和参考地线相连接。
4.如权利要求1-3任一项所述的功率开关管驱动电路，其特征在于，所述第一附加支路还包括与所述第一电容相串联的第一电阻。
5.如权利要求4所述的功率开关管驱动电路，其特征在于，所述第一附加支路还包括与所述第一电容和所述第一电阻串联的第一二极管。
6.如权利要求5所述的功率开关管驱动电路，其特征在于，所述功率开关管驱动电路还包括与所述第一附加支路并联的第二附加支路，所述第二附加支路包括串联的第二电容、第二电阻和第二二极管，所述第二二极管和所述第一二极管的正负极的方向相反。
7.如权利要求1所述的功率开关管驱动电路，其特征在于，所述功率开关管驱动电路还包括多个开关电路，所述隔离驱动光耦分别通过PCB板上的多条驱动走线与所述多个开关电路相连接，每一条驱动走线都相应地设置有至少一与其并联的第一附加支路，所述第一附加支路包括一第一电容，从而使得所述第一附加支路的交流阻抗值接近于零。
8.如权利要求7所述的功率开关管驱动电路，其特征在于，所述第一附加支路还包括与所述第一电容串联的第一电阻和第一二极管。
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