CN109638797A - 一种带过流保护的多开关同步隔离驱动电路 - Google Patents

一种带过流保护的多开关同步隔离驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种带过流保护的多开关同步隔离驱动电路，用于同步驱动多个半导体开关管，包括：控制电路，用于产生和输出模拟信号；原边驱动电路，与控制电路电连接，用于将模拟信号转化为双极型脉冲信号；磁隔离变压器，具有与原边驱动电路电连接的原边绕组、多个隔离地串联于原边绕组的穿心磁环以及缠绕于穿心磁环上的副边绕组，用于传输双极型脉冲信号；以及副边驱动控制电路，与磁隔离变压器的副边绕组电连接，用于接收双极型脉冲信号并生成隔离驱动信号，其中，原边驱动电路用于产生脉宽、相位以及频率均可调的双极型脉冲信号，副边驱动控制电路包括驱动模块和过流保护模块。

Description

一种带过流保护的多开关同步隔离驱动电路
技术领域
本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种带过流保护的多开关同步隔离驱动电路。
背景技术
IGBT具有驱动功率小，导通压降低，电流容量大，耐压高等优点，是目前主流的半导体开关器件。但是单个开关管的通流和耐压能力仍有限，在需要高电压或大电流的情况下，通常将多个IGBT或MOSFET开关管串联或并联使用，因此需要对多个开关管进行同步驱动。然而不同开关管的工作电位不同，所以也需要对开关管的驱动信号进行隔离。
常见的隔离驱动方案有磁隔离驱动、光纤或光耦隔离驱动。光纤成本太高且光纤接收器需隔离供电，一般较少采用。光耦耐压通常只有几千伏，不能满足高压电源的要求。而在常见的磁隔离驱动技术中，往往受到磁芯饱和的限制，驱动信号脉宽受到极大影响，其次无法输出负电压使开关管处于可靠关断状态，抗干扰能力降低。本发明采取的驱动电路拓扑可使脉宽不受磁芯饱和的限制，开关管承受负压关断。由于驱动功率全部由磁芯原边电路提供，所以磁芯副边不需要驱动芯片以及供电源。
应用实践表明，过电流是电路中经常发生的故障，也是损坏IGBT等功率半导体开关的主要原因之一。以IGBT为例：目前常用的IGBT过流保护方法是检测饱和压降Vce，其会随着电流的增大而增大，由于其往往需要反馈环节，所以增加了电路成本，实现起来比较复杂。另外，根据IGBT的工作特性，IGBT能承受很短时间的短路电流，能承受短路电流的时间与该IGBT的导通饱和压降有关，随着饱和导通压降的增加而延长。如饱和压降小于2V的IGBT允许承受的短路时间小于5μs，而饱和压降3V的IGBT允许承受的短路时间可达15μs，4～5V时可达30μs以上。存在以上关系是由于随着饱和导通压降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路电流同时增大，短路时的功耗随着电流的平方加大，造成承受短路的时间迅速减小。降栅压旨在检测到器件过流时，马上降低栅压，但器件仍维持导通，故障电流被限制在一较小值，则降低了故障时器件的功耗，延长了器件抗短路的时间，对器件保护十分有利，往往实现起来也比较容易。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种带过流保护的多开关同步隔离驱动电路。
本发明提供了一种带过流保护的多开关同步隔离驱动电路，用于同步驱动多个半导体开关管，具有这样的特征，包括：控制电路，用于产生和输出模拟信号；原边驱动电路，与控制电路电连接，用于将模拟信号转化为双极型脉冲信号；磁隔离变压器，具有与原边驱动电路电连接的原边绕组、多个隔离地串联于原边绕组的穿心磁环以及缠绕于穿心磁环上的副边绕组，用于传输双极型脉冲信号；以及副边驱动控制电路，与磁隔离变压器的副边绕组电连接，用于接收双极型脉冲信号并生成隔离驱动信号，其中，原边驱动电路用于产生脉宽、相位以及频率均可调的双极型脉冲信号，副边驱动控制电路包括驱动模块和过流保护模块。
在本发明提供的带过流保护的多开关同步隔离驱动电路中，还可以具有这样的特征：其中，驱动模块包括源极与副边绕组的第一端连接且门极与副边绕组的第二端连接的第一MOS管Q1、源极与副边绕组的第二端连接且门极与副边绕组的第一端连接的的第二MOS管Q2以及与第一MOS管Q1连接的储能电容Cq。
在本发明提供的带过流保护的多开关同步隔离驱动电路中，还可以具有这样的特征：其中，第一MOS管Q1上设有二极管D1，第一MOS管Q2上设有二极管D2，二极管D1以及二极管D2之间反并联连接。
在本发明提供的带过流保护的多开关同步隔离驱动电路中，还可以具有这样的特征：其中，储能电容Cq为开关管等效门极电容。
在本发明提供的带过流保护的多开关同步隔离驱动电路中，还可以具有这样的特征：其中，过流保护模块包括门极与储能电容Cq的一端连接且发射极与储能电容Cq的另一端连接的半导体开关S1以及一端与半导体开关S1的发射极连接且另一端与第二MOS管Q2的漏极连接的采样电阻Re。
在本发明提供的带过流保护的多开关同步隔离驱动电路中，还可以具有这样的特征：其中，半导体开关S1门极还与第一MOS管Q1的漏极以及第二MOS管Q2的门极。
在本发明提供的带过流保护的多开关同步隔离驱动电路中，还可以具有这样的特征：其中，过流保护模块包括门极与储能电容Cq的一端连接且发射极与储能电容Cq的另一端连接的半导体开关S1、一端与半导体开关S1的发射极连接且另一端与第二MOS管Q2的漏极连接的采样电阻Re以及并联于半导体开关S1的门极和第二MOS管Q2的漏极的双向稳压管Z1和Z2。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的带过流保护的多开关同步隔离驱动电路，因为采用的磁隔离变压器具有的多个穿心磁环使其具有分压作用，所以，可以通过人为的改变匝数比使其电压升高，从而提高副边输出的信号的电压幅值。因为整个多开关同步隔离驱动电路所需的驱动功率由原边驱动电路提供，副边驱动控制电路无需供电的电源，所以极大的简化了电路结构，容易实现多路开关的同步隔离驱动。因为多个半导体开关管共用同一信号，所以保证了多个半导体开关管的驱动同步性。
因此，本发明的带过流保护的多开关同步隔离驱动电路，提供了一种不需隔离供电的高效的驱动电路，同时还解决了磁芯限制信号脉宽的问题，并减少了电路的复杂性，提高了电磁兼容的能力。另外，还可以提供负电压偏置，可以使半导体开关管处于可靠关断状态，提高了关断速度，同时增强了抗干扰能力，并且过流保护模块的电路结构简单，可以根据实际需要，调整采样电阻与稳压管的参数来改变发生过流保护的动作电流的大小，保障了工作的可靠性，实现了低成本和高灵活性。
附图说明
图1是本发明的实施例中带过流保护的多开关同步隔离驱动电路的整体示意图；
图2是本发明的实施例中带过流保护的多开关同步隔离驱动电路的模拟信号示意图；
图3是本发明的实施例中带过流保护的多开关同步隔离驱动电路的不带稳压管的过流保护原理示意图；
图4是本发明的实施例中带过流保护的多开关同步隔离驱动电路的带稳压管的过流保护原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
实施例一：
如图1和图2所示，本实施例的一种带过流保护的多开关同步隔离驱动电路，用于同步驱动多个半导体开关管，包括：控制电路(图中未示出)、原边驱动电路(图中未示出)、磁隔离变压器10以及副边驱动控制电路20。
控制电路，用于产生和输出模拟信号。
原边驱动电路，与控制电路电连接，用于将模拟信号转化为双极型脉冲信号。
原边驱动电路用于产生脉宽、相位以及频率均可调的双极型脉冲信号。
磁隔离变压器10，具有与原边驱动电路电连接的原边绕组、多个隔离地串联于原边绕组的穿心磁环以及缠绕于穿心磁环上的副边绕组，用于传输双极型脉冲信号。
副边驱动控制电路，与磁隔离变压器10的副边绕组电连接，用于接收双极型脉冲信号并生成隔离驱动信号。
如图3所示，副边驱动控制电路包括驱动模块201和过流保护模块202。
驱动模块包括源极与副边绕组的第一端连接且门极与副边绕组的第二端连接的第一MOS管Q1、源极与副边绕组的第二端连接且门极与副边绕组的第一端连接的的第二MOS管Q2以及与第一MOS管Q1连接的储能电容Cq。
第一MOS管Q1上设有二极管D1，第一MOS管Q2上设有二极管D2，二极管D1以及二极管D2之间反并联连接。
储能电容Cq为开关管等效门极电容。
过流保护模块包括门极与储能电容Cq的一端连接且发射极与储能电容Cq的另一端连接的半导体开关S1以及一端与半导体开关S1的发射极连接且另一端与第二MOS管Q2的漏极连接的采样电阻Re。
半导体开关S1门极还与第一MOS管Q1的漏极以及第二MOS管Q2的门极。
图1、图3以及图4中的Turning-on/Turning-off表示穿心磁环原边绕组的开通/关断电压波形，从而穿心磁环的副边绕组感应处同样的电压波形。当穿心磁环的原边绕组输入Turning-on电压时，穿心磁环的副边绕组输出正脉冲电压；当穿心磁环的原边绕组输入Turning-off电压时，穿心磁环的副边绕组输出负脉冲电压。
当正脉冲电压信号来临时，第二MOS管Q2导通，同时储能电容Cq充电，半导体开关S1导通，当正脉冲电压信号消失时由于储能电容Cq没有电荷的泄放通道，所以储能电容Cq上的电压可以维持半导体开关S1导通。当负脉冲信号来临时，第一MOS管Q1导通，储能电容Cq被反向充电，使储能电容Cq上的电压为负，半导体开关S1将承受负压被关断。负压不仅可以加快半导体开关管的关断速度，而且还能使开关管处于可靠关断状态，增加了抗干扰的能力。
另外，在半导体开关S1开通瞬间，电路中有大电流，过流保护模块202能实现过流保护功能。具体工作过程为：当有大电流时，采样电阻Re上的电压增大，而多个半导体开关管的门极电压与采样电阻Re的电压之和为固定值即驱动模块201的输出电压，所以半导体开关S1的门极电压会降低。
实施例二：
本实施例的具有控制电路(图中未示出)、原边驱动电路(图中未示出)、磁隔离变压器10以及副边驱动控制电路。与实施例一相比，本实施例的过流保护模块203与其不同，具有如下结构：
如图4所示，过流保护模块203包括门极与储能电容Cq的一端连接且发射极与储能电容Cq的另一端连接的半导体开关S1、一端与半导体开关S1的发射极连接且另一端与第二MOS管Q2的漏极连接的采样电阻Re以及并联于半导体开关S1的门极和第二MOS管Q2的漏极的双向稳压管Z1和Z2。
在半导体开关S1开通瞬间，电路中有大电流，过流保护模块203能实现过流保护功能。
以IGBT管为例，由于IGBT开关管的工作特性，门极电压降低，故障电流被限制在一较小值。若在半导体开关S1维持开通期间，过流保护模块203可以实现过流保护功能。此时半导体开关管的门射极电压与采样电阻Re的电压之和被钳制为稳压管Z1和Z2的动作电压，当此期间有大电流时，采样电阻Re的电压升高，与半导体开关管之间的门极电压之和超过稳压管Z1和Z2的动作电压时，稳压管Z1和Z2发生雪崩，为半导体开关管的门极电荷提供释放回路，使得半导体开关管的门极电压降低，从而增大导通阻抗并抑制电流的增大，达到保护半导体开关管的目的。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的带过流保护的多开关同步隔离驱动电路，因为采用的磁隔离变压器具有的多个穿心磁环使其具有分压作用，所以，可以通过人为的改变匝数比使其电压升高，从而提高副边输出的信号的电压幅值。因为整个多开关同步隔离驱动电路所需的驱动功率由原边驱动电路提供，副边驱动控制电路无需供电的电源，所以极大的简化了电路结构，容易实现多路开关的同步隔离驱动。因为多个半导体开关管共用同一信号，所以保证了多个半导体开关管的驱动同步性。
根据本实施例所涉及的带过流保护的多开关同步隔离驱动电路，因为采用的驱动模块具有门极与磁隔离变压器副边绕组连接的两个带有反并联二极管的MOS管以及作为等效门极电容的储能电容，所以能够在正或负电压信号来临时，且在其中一个MOS管导通的情况下，向后端储能电容进行正向或反向充电，能够在信号消失时，将储能电容维持在高电平电压，从而使得半导体开关管维持导通或可靠关断。
根据本实施例所涉及的带过流保护的多开关同步隔离驱动电路，因为采用的采样电阻能够在电流过大时，使得驱动电压自动降低，进而使得导通阻抗明显增大，所以能够抑制通过的电流的大小，还能够通过改变采样电阻和驱动电压来改变电流保护值的大小。
根据本实施例所涉及的带过流保护的多开关同步隔离驱动电路，因为采用的稳压管能够在流经开关管的电流超过限定时进行稳压动作，所以能够使得半导体开关的门极和射极的电压幅值降，还可以通过改变稳压管的稳压值来改变电流保护值的大小。
因此，本实施例的带过流保护的多开关同步隔离驱动电路，提供了一种不需隔离供电的高效的驱动电路，同时还解决了磁芯限制信号脉宽的问题，并减少了电路的复杂性，提高了电磁兼容的能力。另外，还可以提供负电压偏置，可以使半导体开关管处于可靠关断状态，提高了关断速度，同时增强了抗干扰能力，并且过流保护模块的电路结构简单，可以根据实际需要，调整采样电阻与稳压管的参数来改变发生过流保护的动作电流的大小，保障了工作的可靠性，实现了低成本和高灵活性。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种带过流保护的多开关同步隔离驱动电路，用于同步驱动多个半导体开关管，其特征在于，包括：
控制电路，用于产生和输出模拟信号；
原边驱动电路，与所述控制电路电连接，用于将所述模拟信号转化为双极型脉冲信号；
磁隔离变压器，具有与所述原边驱动电路电连接的原边绕组、多个隔离地串联于所述原边绕组的穿心磁环以及缠绕于所述穿心磁环上的副边绕组，用于传输所述双极型脉冲信号；以及
副边驱动控制电路，与所述磁隔离变压器的副边绕组电连接，用于接收所述双极型脉冲信号并生成隔离驱动信号，
其中，所述原边驱动电路用于产生脉宽、相位以及频率均可调的所述双极型脉冲信号，
所述副边驱动控制电路包括驱动模块和过流保护模块。
2.根据权利要求1所述的带过流保护的多开关同步隔离驱动电路，其特征在于：
其中，所述驱动模块包括源极与所述副边绕组的第一端连接且门极与所述副边绕组的第二端连接的第一MOS管Q1、源极与所述副边绕组的第二端连接且门极与所述副边绕组的第一端连接的的第二MOS管Q2以及与所述第一MOS管Q1连接的储能电容Cq。
3.根据权利要求2所述的带过流保护的多开关同步隔离驱动电路，其特征在于：
其中，所述第一MOS管Q1上设有二极管D1，所述第一MOS管Q2上设有二极管D2，
所述二极管D1以及所述二极管D2之间反并联连接。
4.根据权利要求2所述的带过流保护的多开关同步隔离驱动电路，其特征在于：
其中，所述储能电容Cq为开关管等效门极电容。
5.根据权利要求1所述的带过流保护的多开关同步隔离驱动电路，其特征在于：
其中，所述过流保护模块包括门极与储能电容Cq的一端连接且发射极与所述储能电容Cq的另一端连接的半导体开关S1以及一端与所述半导体开关S1的发射极连接且另一端与所述第二MOS管Q2的漏极连接的采样电阻Re。
6.根据权利要求5所述的带过流保护的多开关同步隔离驱动电路，其特征在于：
其中，所述半导体开关S1门极还与第一MOS管Q1的漏极以及第二MOS管Q2的门极。
7.根据权利要求1所述的带过流保护的多开关同步隔离驱动电路，其特征在于：
其中，所述过流保护模块包括门极与储能电容Cq的一端连接且发射极与所述储能电容Cq的另一端连接的半导体开关S1、一端与所述半导体开关S1的发射极连接且另一端与所述第二MOS管Q2的漏极连接的采样电阻Re以及并联于所述半导体开关S1的门极和所述第二MOS管Q2的漏极的双向稳压管Z1和Z2。
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