CN109905020A - 一种集成缓冲电路的驱动装置 - Google Patents

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周宇
朱安康
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Abstract

本发明公开了一种集成缓冲电路的驱动装置,该驱动装置用于驱动功率模块,功率模块的信号端子在驱动装置上引出;该驱动装置包括驱动电路和缓冲电路,缓冲电路集成在驱动装置上,由无源元件组成,连接在功率模块的两信号端子之间,两信号端子分别为与母线正极等电位的端子和与母线负极等电位的端子,用于抑制功率器件开关过程的电压尖峰;驱动电路包括驱动芯片、供电电源电路、推挽电路和故障保护电路,其用于驱动功率器件的通断。本发明在功率端子包含缓冲电路的基础上在信号端子之间增加缓冲电路,更有效地抑制功率器件开关过程的电压峰值,保证了功率器件的安全。

Description

一种集成缓冲电路的驱动装置
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域,尤其是涉及一种集成缓冲电路的驱动装置。
背景技术
目前电力电子技术广泛应用于电机驱动、柔直和不间断电源等多个领域。工业应用对电力电子变换器的功率需求越来越高,而电力电子变换器的重要组成部分为功率开关器件,分立式功率器件往往难以满足不断增长的功率需求,因此采用串联或并联的方式提升功率输出能力。为了提高功率密度和减小由于串联/并联引起的杂散电感,采用将功率芯片裸片封装在一个模块内部的方式,得到满足功率需求的功率模块,在功率模块周围包含功率端子,用于电流的传输,在模块顶部包含信号端子,用于功率器件的驱动和故障检测及保护。
在直流变交流的应用场合采用逆变器进行电能变换,逆变器由长母线、功率缓冲电容、功率模块几部分组成。在靠近功率模块的位置包含提供缓冲作用的电容(简称功率缓冲电容),直流电源通过很长的正负母线与功率缓冲电容相连,功率缓冲电容通过功率端子与功率模块相连。以逆变器的一个半桥为例进行分析,其简易原理图如图1所示,由长母线、功率缓冲电容、功率模块和驱动装置四部分组成,其中功率模块的信号端子在驱动装置上引出,图中Cbus为功率缓冲电容,S1和S2是功率模块中的开关器件,Ls1为功率缓冲电容内部的杂感,Ls2为正母线和功率缓冲电容连接功率端子和驱动装置上引出与正母线等电位信号端子之间的杂感,Ls3为负母线和功率缓冲电容连接功率端子和驱动装置上引出与负母线等电位信号端子之间的杂感,Ls4为功率模块内部的杂感。
在应用中通过控制功率器件的通断来控制输出电流,功率器件的通断导致电流的换流过程,例如由下管的开关管换流至上管的二极管或由上管的二极管换流至下管的开关管,换流过程中电流变化速度快,频率高,长母线表现出的阻抗较大,可忽略不记,换流过程的简易原理图如图2所示。
在S2关断瞬间,下管S2的电流换流至上管S1的续流二极管,由于上管续流二极管的钳位作用,下管S2的电压首先上升到母线电压值Vdc,然后S2上的电流开始换流至S1的续流二极管上,该换流过程简化电路原理图如图3所示,图中Coss2是下管S2的输出电容,在换流过程中杂感上会产生感应电压,感应电压为ΔV=(Ls1+Ls2+Ls3+Ls4)·di/dt,根据KVL方程,杂感上的感应电压会叠加到输出电容Coss2即下管S2上,在下管S2上产生电压尖峰,电压峰值为Vmax=Vdc+(Ls1+Ls2+Ls3+Ls4)·di/dt,电压峰值超过器件的额定值将导致器件的损坏。
在电感通过上管S1的二极管续流条件下,下管S2开通,在S2开通瞬间,上管S1续流二极管的电流换流至下管S2,S1的二极管电流降为零后存在反向恢复,反向恢复过程简化电路原理图如图4所示,母线电容容值比较大,可等效为一电压源,Coss1为上管S1的输出电容,在二极管反向恢复电流值减小的过程中,杂感上会产生感应电压,感应电压为ΔV=(Ls1+Ls2+Ls3+Ls4)·di/dt,根据KVL方程,杂感上的感应电压会叠加在Coss1即上管S1上,在上管S1上产生电压尖峰,电压峰值超过器件的额定值将导致器件的损坏。
综上,目前存在较大的问题为:在功率器件换流过程中,杂感上的感应电压会叠加到功率器件上,在功率器件上产生电压尖峰,电压峰值超过器件的额定值将导致器件的损坏,影响变换器的安全运行。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷,提供一种集成缓冲电路的驱动装置,以抑制功率器件开关过程的电压尖峰。
为实现上述目的,本发明提供了一种集成缓冲电路的驱动装置,该驱动装置用于驱动功率模块,功率模块的信号端子在驱动装置上引出;所述驱动装置还集成有缓冲电路,所述缓冲电路由无源元件组成,连接在功率模块的两信号端子之间,两信号端子分别为与母线正极等电位的端子和与母线负极等电位的端子;所述缓冲电路在阻抗特性上呈现容性;所述的缓冲电路由单支路构成或者由多个单支路并联构成,单个支路由电容或电容与电阻串联或电容、电阻与保险丝串联组成;所述无源元件中的电容为陶瓷电容或薄膜电容;若电容选用陶瓷电容,考虑到陶瓷电容失效后为短路状态,单支路陶瓷电容的数量为Vdc/VC+n,其中Vdc为母线电压,Vc为陶瓷电容的额定电压,n为所留裕量,n取2~3。
所述缓冲电路的总容值的取值范围为
其中,w为功率器件换流过程等效的角频率,Ls1为功率缓冲电容内部的杂感,Ls2为正母线和功率缓冲电容连接功率端子和驱动装置上引出与正母线等电位信号端子之间的杂感,Ls3为负母线和功率缓冲电容连接功率端子和驱动装置上引出与负母线等电位信号端子之间的杂感,Ls5为信号缓冲电容与驱动装置连接端子之间的杂感;Csnubber为缓冲电路的总容值。
进一步优选的,所述无源元件中的电阻、电容和保险丝为贴片封装。
进一步优选的,所述功率模块中的功率器件为MOSFET、SiC MOSFET或集成二极管的IGBT。
进一步优选的,所述驱动装置的驱动电路包括驱动芯片、供电电源电路、推挽电路和故障保护电路,驱动芯片可采用集成式驱动芯片或由分立元器件组合构成,具有隔离功能,用于提供驱动信号;供电电源电路采用隔离DC/DC电路,由变压器提供隔离功能,为驱动电路提供驱动电压值及驱动所需的能量;推挽电路可采用集成式推挽芯片或由分立的晶体管构成,用于提高驱动能力和将开通电阻与关断电阻解耦;故障保护电路包括欠压保护、过流保护和短路保护等,用于保障功率器件的安全。
本发明在功率端子包含缓冲电路的基础上在信号端子之间增加缓冲电路,更有效地抑制功率器件开关过程的电压峰值,保证了功率器件的安全;功率器件的开通、关断由脉冲驱动信号控制。
本发明的有益效果是:
1、本发明采用在信号端子之间增加缓冲电路的手段,克服了功率器件在换流过程电压尖峰大于器件额定电压损坏器件的问题,有效抑制了功率器件换流过程中的电压尖峰。
2、本发明采用在驱动装置上集成缓冲电路的方式,在不增加驱动装置体积的条件下能够有效地抑制了功率器件换流过程的电压尖峰,保证功率器件的安全。
3、本发明在选取陶瓷电容作为缓冲电路中的缓冲电容时考虑了陶瓷电容的失效模式,陶瓷电容失效时为短路状态,会将母线短路,产生很大的电流,对系统造成损坏;本发明在选择缓冲电路单支路陶瓷电容数量时留有裕量,即使陶瓷电容失效也不会对系统造成损坏。
4、本发明提供了信号缓冲电路中缓冲电容容值的计算方法,按照该计算方法进行缓冲电容的设计,能够有效抑制功率器件换流过程的电压尖峰,保证功率器件的安全。
附图说明
图1是以一个半桥为例分析逆变器的简易原理图;
图2是功率器件换流过程的简易原理图;
图3是下管关断瞬间换流过程的等效电路图;
图4是上管二极管反向恢复过程的等效电路图;
图5是本发明实施例的增加缓冲电路后的简易原理图;
图6是本发明实施例的增加缓冲电路后的下管关断瞬间换流过程的简化电路图;
图7是本发明实施例的增加缓冲电路后的下管关断瞬间换流过程的等效简化电路图;
图8是本发明实施例的增加缓冲电路后的以缓冲电路两端电压为参考的矢量图;
图9是本发明实施例的增加缓冲电路后的上管二极管反向恢复过程的简化电路图;
图10是本发明实施例的增加缓冲电路后的上管二极管反向恢复过程的等效简化电路图;
附图中名词含义:
Cbus为功率缓冲电容,S1和S2是功率模块中的开关器件,Ls1为功率缓冲电容内部的杂感,Ls2为正母线和功率缓冲电容连接功率端子和驱动装置上引出与正母线等电位信号端子之间的杂感,Ls3为负母线和功率缓冲电容连接功率端子和驱动装置上引出与负母线等电位信号端子之间的杂感,Ls4为功率模块内部的杂感,Coss1为上管的输出电容,Coss2为下管的输出电容,S1为功率模块中的上管,S2为功率模块中的下管,Csnubber为缓冲电路的总容值,Ls5为信号缓冲电容与驱动装置连接端子之间的杂感。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图,对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。
如图5所示,以逆变器的一个半桥进行分析,逆变器由长母线、功率缓冲电容、功率模块和驱动装置四部分组成,其中功率模块的信号端子在驱动装置上引出,图中Cbus为功率缓冲电容,S1和S2是功率模块中的开关器件,Ls1为功率缓冲电容内部的杂感,Ls2为正母线和功率缓冲电容连接功率端子和驱动装置上引出与正母线等电位信号端子之间的杂感,Ls3为负母线和功率缓冲电容连接功率端子和驱动装置上引出与负母线等电位信号端子之间的杂感,Ls4为功率模块内部的杂感。
本发明揭示了一种集成缓冲电路的驱动装置,该驱动装置用于驱动功率模块,功率模块的信号端子在驱动装置上引出;该驱动装置包括驱动电路和缓冲电路,缓冲电路集成在驱动装置上(本实施例中所述的集成是指在驱动装置上留有信号缓冲电路的焊盘,将缓冲电路焊接在驱动装置上),由无源元件组成,连接在功率模块的两信号端子之间,两信号端子分别为与母线正极等电位的端子和与母线负极等电位的端子;缓冲电路在功率器件开关过程中减小器件的电压应力,保障器件的安全。
本发明在功率端子两端包含缓冲电路的基础上在信号端子之间增加缓冲电路,更有效地抑制功率器件开关过程的电压尖峰,保证器件的安全。
缓冲电路由无源元件组成,可由单支路或多个单支路并联组成,单支路可由多个电容串联或电容、电阻串联或电容、电阻和保险丝串联。无源元件中的电容可以选择薄膜电容或陶瓷电容。若选用陶瓷电容,考虑到陶瓷电容失效模式下状态是短路,失效时会将功率缓冲电容短路,因此对电容的数量有一定的限定,陶瓷电容的数量为(Vdc/VC+n),其中Vdc为母线电压,Vc为陶瓷电容的额定电压,n为所留裕量,一般取(2~3)。若某一应用场合母线电容电压为600V,陶瓷电容的额定电压为200V,则单支路陶瓷电容的数量为5~6个。
增加缓冲电路后下管S2关断瞬间换流过程的简化电路如图6所示,从图中可以看出,若将下管S2输出电容Coss2两端看成两端口,则从端口往外看可等效为一杂感,该等效电路如图7所示,则该等效的杂感为Ls=(Ls1+Ls2+Ls3)//(Csnubber+Ls5)+Ls4;以缓冲电路两端的电压为参考的矢量图如图8所示,从图中可以看出,只要缓冲电路呈现容性,则Ls1、Ls2和Ls3串联后和信号缓冲电路并联的等效感值小于Ls1、Ls2和Ls3的感值之和,则图7中等效的主功率回路杂感Ls小于杂感Ls1、Ls2、Ls3和Ls4之和,而杂感上的感应电压为ΔV=Ls·di/dt,在相同负载电流(相同电流变化率)的条件下,增加缓冲电路后等效杂感上的感应电压减小,根据KVL方程,叠加在输出电容Coss2即下管S2上的电压减小,下管S2的电压尖峰减小。
在上管二极管续流的条件下,增加缓冲电路后下管S1开通瞬间上管二极管反向恢复过程的简化电路如图9所示,从图中可以看出,若将上管S1输出电容Coss1两端看成两端口,则从端口往外看与关断瞬间分析的电路一致,同样将端口外的电路等效为一主功率回路杂感,等效电路如图10所示,与关断瞬间分析的结论一致,只要缓冲电路呈现容性,则Ls1、Ls2和Ls3串联后和缓冲电路并联的等效感值小于Ls1、Ls2和Ls3的感值之和,则图10中等效的主功率回路杂感Ls小于杂感Ls1、Ls2、Ls3和Ls4之和,而杂感上的感应电压为ΔV=Ls·di/dt,在相同负载电流(相同电流变化率)的条件下,增加缓冲电路后等效杂感上的感应电压减小,根据KVL方程,叠加在输出电容Coss1即上管S1上的电压减小,上管S1的电压尖峰减小。
功率缓冲电容远大于信号缓冲电容,因此计算时功率缓冲电容可忽略不记,等效为短路,换流过程中信号缓冲电路与功率缓冲电路的分流应大于20%,同时信号缓冲电路应呈现容性,即
推导得缓冲电路中电容总容值的取值范围为
其中,w为功率器件换流过程等效的角频率,Ls1为功率缓冲电容内部的杂感,Ls2为正母线和功率缓冲电容连接功率端子和驱动装置上引出与正母线等电位信号端子之间的杂感,Ls3为负母线和功率缓冲电容连接功率端子和驱动装置上引出与负母线等电位信号端子之间的杂感,Ls5为信号缓冲电容与驱动装置连接端子之间的杂感。
假设在某一应用场合下功率缓冲电容为1000uF,Ls5为30nH,功率缓冲电容内部杂感Ls1为10nH,Ls2和Ls3均为7nH,换流过程等效的频率为10MHz,则此时根据前述信号缓冲电路电容总容值范围为(2nF~8.4nF)。
本发明的技术内容及技术特征已揭示如上,然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰,因此,本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容,而应包括各种不背离本发明的替换及修饰,并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种集成缓冲电路的驱动装置,该驱动装置用于驱动功率模块,功率模块的信号端子在驱动装置上引出;其特征在于,所述驱动装置还集成有缓冲电路,所述缓冲电路由无源元件组成,连接在功率模块的两信号端子之间,两信号端子分别为与母线正极等电位的端子和与母线负极等电位的端子;所述缓冲电路在阻抗特性上呈现容性;所述的缓冲电路由单支路构成或者由多个单支路并联构成,单个支路由电容或电容与电阻串联或电容、电阻与保险丝串联组成;所述无源元件中的电容为陶瓷电容或薄膜电容;若电容选用陶瓷电容,考虑到陶瓷电容失效后为短路状态,单支路陶瓷电容的数量为Vdc/VC+n,其中Vdc为母线电压,Vc为陶瓷电容的额定电压,n为所留裕量,取2~3。
2.根据权利要求1所述的集成缓冲电路的驱动装置,其特征在于,所述缓冲电路的总容值Csnubber的取值范围为
其中,w为功率器件换流过程等效的角频率,Ls1为功率缓冲电容内部的杂感,Ls2为正母线和功率缓冲电容连接功率端子和驱动装置上引出与正母线等电位信号端子之间的杂感,Ls3为负母线和功率缓冲电容连接功率端子和驱动装置上引出与负母线等电位信号端子之间的杂感,Ls5为信号缓冲电容与驱动装置连接端子之间的杂感。
3.根据权利要求1所述的集成缓冲电路的驱动装置,其特征在于,所述无源元件中的电阻、电容和保险丝为贴片封装。
4.根据权利要求1所述的集成缓冲电路的驱动装置,其特征在于,所述功率模块中的功率器件为MOSFET、SiC MOSFET或集成二极管的IGBT。
5.根据权利要求1所述的集成缓冲电路的驱动装置,其特征在于,所述驱动装置的驱动电路包括驱动芯片、供电电源电路、推挽电路和故障保护电路,驱动芯片可采用集成式驱动芯片或由分立元器件组合构成,具有隔离功能,用于提供驱动信号;供电电源电路采用隔离DC/DC电路,由变压器提供隔离功能,为驱动电路提供驱动电压值及驱动所需的能量;推挽电路可采用集成式推挽芯片或由分立的晶体管构成,用于提高驱动能力和将开通电阻与关断电阻解耦;故障保护电路包括欠压保护、过流保护和短路保护等,用于保障功率器件的安全。
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