CN110149110B - 一种电子开关串联结构的驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电子开关串联结构的驱动电路，该驱动电路包括：电子开关模块和有源驱动模块，电子开关模块包括：n个串联连接的电子开关，且n个电子开关的DS结依次串联；有源驱动模块包括：n个有源驱动电路。本发明中，从电子开关K2到电子开关Kn依次得到电子开关K1的供电电能和驱动脉冲，电子开关K1到电子开关Kn依次开通和关闭；n个电子开关全部具备有源驱动电路纳秒级别的开关性能，适合n个电子开关串联结构使用时高频栅极功率驱动电路。

Description

一种电子开关串联结构的驱动电路
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种电子开关串联结构的驱动电路。
背景技术
电子开关电路中，对于以IGBT管为电子开关的驱动电路中，当单管IGBT的DS结耐压，达不到工作电压的耐压要求时，需要多只IGBT串联使用，每个单管IGBT有源驱动电路均采用光纤、变压器或母线电压经过电阻降压再稳压的电路结构；可以理解为光耦合、磁耦合、电平转换类的电子耦合三种方式。
其中：电子耦合具有简单、可靠、高速的特征。
电子耦合实现n个IGBT串联的驱动方式，如图1所示，按2只IGBT或MOS串联工作说明其工作原理；母线电压经过电阻R1和R2串联降压，R2降压再经过稳压二极管DW稳压，K1的DS结开关脉冲动作，作为K2的驱动脉冲信号和驱动电路的能量来源；K2的驱动方式属于无源驱动方式；由于K2的驱动电流受到母线分压电阻R1和R2的限制，驱动脉冲的电能量及其微弱，导致K2驱动脉冲前沿上升和后沿下降时间都在微秒级别以上；这个上升和下降时间就是K2的线性工作区域损耗；K2的开关损耗很大，开关效率低，可靠性差。同时，母线电压分压电阻R1和R2，也产生了无功损耗。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种简单，高效率，高速度的IGBT或MOS等电子开关类串联结构的驱动电路。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种电子开关串联结构的驱动电路，包括：电子开关模块和有源驱动模块，
电子开关模块包括：电子开关K1至电子开关Kn，且n个电子开关的DS结依次串联连接，第n个电子开关Kn的S结与第n-1个电子开关Kn-1的D结连接，其中：n≥2，n为整数；
有源驱动模块包括：有源驱动电路Drl至Drn、滤波电容C1至Cn、限流元件R12至R1n、电位转换隔离二极管D12至D1n以及驱动信号隔离二级管D22至D2n，有源驱动电路对与其对应连接的电子开关进行驱动；
与电子开关K1连接的有源驱动电路Drl的输入端与脉冲发生器连接；
有源驱动电路Drl的供电端与Vcc供电端连接；
有源驱动电路Drl的地线端分别与Vcc地线端、滤波电容C1和电子开关K1的S结连接；
有源驱动电路Drl的输出端与电子开关K1的G结连接；
电子开关K1的D结和电子开关K2的S结相连接；
与电子开关Kn连接的有源驱动电路Drn的输入端通过驱动信号隔离二极管D2n与Vcc供电端连接；
有源驱动电路Drn的供电端通过限流元件R1n和电位转换隔离二极管D1n与VCC供电端连接，且有源驱动电路Drn的供电端还与滤波电容Cn连接；
有源驱动电路Drn的地线端分别与滤波电容Cn、电子开关Kn的S结和电子开关Kn-1的D结相连接；
有源驱动电路Drn的输出端与电子开关Kn的G结连接；
从电子开关K2到电子开关Kn依次得到电子开关K1的供电电能和驱动脉冲，电子开关K1到电子开关Kn依次开通和关闭。
本发明提供了一种简单，高效率，高速度的电子开关串联结构的驱动电路。其具有以下有益效果：
1)电路结构简单，一组电源供电；
2)电子开关Kn同样获得和电子开关K1相同电位并且隔离的电能，工作在有源驱动状态，具有ns级别的开关性能，其驱动方式的效率最高。
在上述技术方案的基础上，还可做如下改进：
作为优选的方案，电子开关为IGBT管、MOS管或任何电子开关器件。
采用上述优选的方案，适合于低频，也适合于高频驱动方式。
作为优选的方案，限流元件为限流电阻或限流电感。
作为优选的方案，电子开关K1的开通脉冲和截止脉冲与脉冲发生器输出的驱动脉冲的频率相同，且相位相同。
作为优选的方案，电子开关Kn的开通脉冲和截止脉冲与脉冲发生器输出的驱动脉冲的频率相同，且相位相同。
作为优选的方案，在与电子开关Kn连接的有源驱动电路Drn中：
驱动信号隔离二极管D2n的正极与Vcc供电端连接，其负极与有源驱动电路Drn的输入端连接；
电位转换隔离二极管D1n的正极与Vcc供电端连接，其负极通过限流电阻R1n与有源驱动电路Drn的供电端连接。
采用上述优选的方案，结构简单。
作为优选的方案，在与电子开关Kn连接的有源驱动电路Drn中：
驱动信号隔离二极管D2n的正极与Vcc供电端连接，其负极分别与有源驱动电路Drn的输入端和电位转换隔离二极管D1n的正极连接；
电位转换隔离二极管D1n的负极通过限流元件R1n与有源驱动电路Drn的供电端连接。
采用上述优选的方案，结构简单。
作为优选的方案，在与电子开关K2连接的有源驱动电路Dr2中：
驱动信号隔离二极管D22的正极与Vcc供电端连接，其负极分别与有源驱动电路Dr2的输入端和电位转换隔离二极管D12的正极连接；
电位转换隔离二极管D12的负极通过限流元件R12与有源驱动电路Dr2的供电端连接；
在与电子开关Kn连接的有源驱动电路Drn中：
驱动信号隔离二极管D2n的正极与电位转换隔离二极管D1n-1的负极连接，其正极还和限流元件R1n-1连接；驱动信号隔离二极管D2n的负极分别与有源驱动电路Drn的输入端和电位转换隔离二极管D1n的正极连接；
电位转换隔离二极管D1n的负极通过限流元件R1n与有源驱动电路Drn的供电端连接。
采用上述优选的方案，结构简单。
作为优选的方案，在与电子开关K2连接的有源驱动电路Dr2中：
驱动信号隔离二极管D22的正极与Vcc供电端连接，其负极分别与Dr2的输入端和电位转换隔离二极管D12的正极连接；
电位转换隔离二极管D12负极通过限流元件R12与有源驱动电路Dr2的供电端连接；
在与电子开关Kn连接的有源驱动电路Drn中：
驱动信号隔离二极管D2n的正极分别与有源驱动电路Drn-1的输入端、电位转换隔离二极管D1n-1的正极以及驱动信号隔离二极管D2n-1的负极连接；
驱动信号隔离二极管D2n的负极分别与有源驱动电路Drn的输入端、电位转换隔离二极管D1n的正极连接；
电位转换隔离二极管D1n的负极通过限流元件R1n与有源驱动电路Drn的供电端连接。
附图说明
图1为现有技术中电子开关串联结构的驱动电路的电路图。
图2为本发明实施例提供的一种电子开关串联结构的驱动电路的电路图之一。
图3为本发明实施例提供的一种电子开关串联结构的驱动电路的电路图之二。
图4为本发明实施例提供的一种电子开关串联结构的驱动电路的电路图之三。
图5为本发明实施例提供的一种电子开关串联结构的驱动电路的电路图之四。
其中：1输入端、2输出端、3供电端、4地线端。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。
为了达到本发明的目的，一种电子开关串联结构的驱动电路及有源驱动模块的其中一些实施例中，如图2所示，一种电子开关串联结构的驱动电路，包括：电子开关模块和有源驱动模块，
电子开关模块包括：电子开关K1至电子开关Kn，且n个电子开关的DS结依次串联连接，第n个电子开关Kn的S结与第n-1个电子开关Kn-1的D结连接，其中：n≥2，n为整数；
有源驱动模块包括：有源驱动电路Drl至Drn、滤波电容C1至Cn、限流元件R12至R1n、电位转换隔离二极管D12至D1n以及驱动信号隔离二级管D22至D2n，有源驱动电路对与其对应连接的电子开关进行驱动；
与电子开关K1连接的有源驱动电路Drl的输入端1与脉冲发生器连接；
有源驱动电路Drl的供电端3与Vcc供电端连接；
有源驱动电路Drl的地线端4分别与Vcc地线端、滤波电容C1和电子开关K1的S结连接；
有源驱动电路Drl的输出端2与电子开关K1的G结连接；
电子开关K1的D结和电子开关K2的S结相连接；
与电子开关Kn连接的有源驱动电路Drn的输入端1通过驱动信号隔离二极管D2n与Vcc供电端连接；
有源驱动电路Drn的供电端3通过限流元件R1n和电位转换隔离二极管D1n与VCC供电端连接，且有源驱动电路Drn的供电端3还与滤波电容Cn连接；
有源驱动电路Drn的地线端4分别与滤波电容Cn、电子开关Kn的S结连接和电子开关Kn-1的D结相连接；
有源驱动电路Drn的输出端2与电子开关Kn的G结连接；
从电子开关K2到电子开关Kn依次得到电子开关K1的供电电能和驱动脉冲，电子开关K1到电子开关Kn依次开通和关闭。
在与电子开关Kn连接的有源驱动电路Drn中：
驱动信号隔离二极管D2n的正极与Vcc供电端连接，其负极与有源驱动电路Drn的输入端1连接；
电位转换隔离二极管D1n的正极与Vcc供电端连接，其负极通过限流电阻R1n与有源驱动电路Drn的供电端3连接。
在本实施例中，电子开关为IGBT管，限流元件为限流电阻。
本发明一种电子开关串联结构的驱动电路的工作原理如下：
脉冲发生器输出的开通脉冲，连接至有源驱动电路Drl的驱动信号输入端1输入，有源驱动电路Drl输出端2的输出连接到电子开关K1的G结，电子开关K1开通；电子开关K1的DS结短路；
VCC供电端通过电位转换隔离二极管D12给电子开关K2的有源驱动电路Dr2的供电端3供电，Dr2的地线端4和电子开关K2的S结连接，电子开关K2的S结和电子开关K1的D结连接；C2为有源驱动电路Dr2供电端3和地线端4之间的滤波电容，由于电子开关K1的DS结短路，滤波电容C2两端建立稳定的电压给有源驱动电路Dr2的供电端3和地线端4供电；
VCC供电端通过驱动信号隔离二极管D22连接有源驱动电路Dr2的驱动信号输入端1，由于电子开关K1的DS结短路到地，有源驱动电路Dr2的输入端1建立起和电子开关K1的DS结短路期间相同的开通脉冲，经过有源驱动电路Dr2输出端2连接电子开关K2的G结，电子开关K2导通DS结短路。
VCC供电端通过电位转换隔离二极管D1n给电子开关Kn的有源驱动电路Drn的供电端3供电，Drn的地线端4和电子开关Kn的S结连接，电子开关Kn的S结和电子开关Kn-1的D结连接；滤波电路Cn为Drn供电端3和地线端4的滤波电容；由于电子开关K1至电子开关Kn-1的DS结全部短路，滤波电容Cn两端建立稳定的电压给Drn的供电端3和地线端4供电；
VCC供电端通过驱动信号隔离二极管D2n连接有源驱动电路Drn的驱动信号输入端1，由于电子开关K1至电子开关Kn-1的DS结短路到地，有源驱动电路Drn的输入端1建立起和电子开关K1的DS结短路期间相同的开通脉冲，经过有源驱动电路Drn输出端2连接电子开关Kn的G结，电子开关Kn导通DS结短路，电子开关K1至电子开关Kn的DS结全部短路。
脉冲发生器输出的截止脉冲，经过有源驱动电路Dr1的驱动信号输入端1输入，有源驱动电路Drl的输出端2输出截止信号到电子开关K1的G结，电子开关K1的DS结开路；
驱动信号隔离二极管D22负极输出截止脉冲到有源驱动电路Dr2的输入端1，有源驱动电路Dr2的输出端2输出截止信号，到电子开关K2的G结，电子开关K2的DS结开路；
由于电子开关K1至电子开关Kn-1的DS结全部开路，有源驱动电路D2n负极输出截止脉冲到有源驱动电路Drn的输入端1，有源驱动电路Drn的输出端2输出截止信号，到电子开关Kn的G结，电子开关Kn的DS结开路；电子开关K1至电子开关Kn的DS结全部开路。
电子开关K1至电子开关Kn依次串联之后，电子开关Kn的D结和电子开关K1的S结等效成为一只高压电子开关的DS结，电子开关K1的G结等效成为一只高压电子开关的G结。
本发明提出了一种电子开关串联结构的驱动电路，n个电子开关的DS结依次串联。
从电子开关K2到电子开关Kn依次得到电子开关K1的供电电能和驱动脉冲，电子开关K1到电子开关Kn依次开通和关闭；n个电子开关全部具备有源驱动电路纳秒级别的开关性能，适合n个电子开关串联结构使用时低频和高频栅极功率驱动电路，适用于多级电子开关串联使用状态下IGBT的驱动电路、高压DC/DC直流变换器及高压开关电源。
本发明提供了一种简单，高效率，高速度的的电子开关串联结构的驱动电路。其具有以下有益效果：
1)电路结构简单，一组电源供电；
2)电子开关Kn同样获得和电子开关K1相同电位并且隔离的电能，工作在有源驱动状态，具有ns级别的开关性能，其驱动方式的效率最高。
如图3所示，为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，在与电子开关Kn连接的有源驱动电路Drn中：
驱动信号隔离二极管D2n的正极与Vcc供电端连接，其负极分别与有源驱动电路Drn的输入端1和电位转换隔离二极管D1n的正极连接；
电位转换隔离二极管D1n的负极通过限流元件R1n与有源驱动电路Drn的供电端3连接。
采用上述优选的方案，结构简单。
如图4所示，为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，在与电子开关K2连接的有源驱动电路Dr2中：
驱动信号隔离二极管D22的正极与Vcc供电端连接，其负极分别与有源驱动电路Dr2的输入端1和电位转换隔离二极管D12的正极连接；
电位转换隔离二极管D12的负极通过限流元件R12与有源驱动电路Dr2的供电端3连接；
在与电子开关Kn连接的有源驱动电路Drn中：
驱动信号隔离二极管D2n的正极与电位转换隔离二极管D1n-1的负极连接，其正极还和限流元件R1n-1连接；驱动信号隔离二极管D2n的负极分别与有源驱动电路Drn的输入端1和电位转换隔离二极管D1n的正极连接；
电位转换隔离二极管D1n的负极通过限流元件R1n与有源驱动电路Drn的供电端3连接。
采用上述优选的方案，结构简单。
如图5所示，为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，在与电子开关K2连接的有源驱动电路Dr2中：
驱动信号隔离二极管D22的正极与Vcc供电端连接，其负极分别与Dr2的输入端1和电位转换隔离二极管D12的正极连接；
电位转换隔离二极管D12负极通过限流元件R12与有源驱动电路Dr2的供电端3连接；
在与电子开关Kn连接的有源驱动电路Drn中：
驱动信号隔离二极管D2n的正极分别与有源驱动电路Drn-1的输入端1、电位转换隔离二极管D1n-1的正极以及驱动信号隔离二极管D2n-1的负极连接；
驱动信号隔离二极管D2n的负极分别与有源驱动电路Drn的输入端1、电位转换隔离二极管D1n的正极连接；
电位转换隔离二极管D1n的负极通过限流元件R1n与有源驱动电路Drn的供电端3连接。
采用上述优选的方案，结构简单。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，电子开关为MOS管。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，限流元件为限流电感。
值得注意的是，电位转换隔离二极管D1n和驱动信号隔离二极管D2n的任意组合，通过电子开关K1的开、关动作，来完成对电子开关K2至电子开关Kn提供供电电能和驱动脉冲的功能，都视为在本发明的保护范围内。
不仅如此，限流元件R1n可以为限流电阻或限流电感或其他限流元件，而电子开关也可以为IGBT管或MOS管等任意类型的电子开关来代替，其均视为在本发明的保护范围内。
对于本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电子开关串联结构的驱动电路，包括：电子开关模块和有源驱动模块，其特征在于，
电子开关模块包括：电子开关K1至电子开关Kn，且n个电子开关的DS结依次串联连接，第n个电子开关Kn的S结与第n-1个电子开关Kn-1的D结连接，其中：n≥2，n为整数；
有源驱动模块包括：有源驱动电路Dr1至Drn、滤波电容C1至Cn、限流元件R12至R1n、电位转换隔离二极管D12至D1n以及驱动信号隔离二级管D22至D2n，有源驱动电路对与其对应连接的电子开关进行驱动：
与电子开关K1连接的有源驱动电路Dr1的输入端与脉冲发生器连接；
有源驱动电路Dr1的供电端分别与Vcc供电端和滤波电容C1的一端连接；
有源驱动电路Dr1的地线端分别与Vcc地线端、滤波电容C1的另一端和电子开关K1的S结连接；
有源驱动电路Dr1的输出端与电子开关K1的G结连接；
电子开关K1的D结和电子开关K2的S结相连接；
与电子开关Kn连接的有源驱动电路Drn的输入端通过驱动信号隔离二极管D2n与Vcc供电端连接；
有源驱动电路Drn的供电端通过限流元件R1n和电位转换隔离二极管D1n与VCC供电端连接，且有源驱动电路Drn的供电端还与滤波电容Cn连接；
有源驱动电路Drn的地线端分别与滤波电容Cn、电子开关Kn的S结和电子开关Kn-1的D结相连接；
有源驱动电路Drn的输出端与电子开关Kn的G结连接；
从电子开关K2到电子开关Kn依次得到电子开关K1的供电电能和驱动脉冲，电子开关K1到电子开关Kn依次开通和关闭。
2.根据权利要求1所述的电子开关串联结构的驱动电路，其特征在于，所述电子开关为IGBT管或MOS管。
3.根据权利要求2所述的电子开关串联结构的驱动电路，其特征在于，所述限流元件为限流电阻或限流电感。
4.根据权利要求3所述的电子开关串联结构的驱动电路，其特征在于，所述电子开关K1的开通脉冲和截止脉冲与所述脉冲发生器输出的驱动脉冲的频率相同，且相位相同。
5.根据权利要求4所述的电子开关串联结构的驱动电路，其特征在于，所述电子开关Kn的开通脉冲和截止脉冲与所述脉冲发生器输出的驱动脉冲的频率相同，且相位相同。
6.根据权利要求1-5任一项所述的电子开关串联结构的驱动电路，其特征在于，在与电子开关Kn连接的有源驱动电路Drn中：
驱动信号隔离二极管D2n的正极与Vcc供电端连接，其负极与有源驱动电路Drn的输入端连接；
电位转换隔离二极管D1n的正极与Vcc供电端连接，其负极通过限流电阻R1n与有源驱动电路Drn的供电端连接。
7.根据权利要求1-5任一项所述的电子开关串联结构的驱动电路，其特征在于，在与电子开关Kn连接的有源驱动电路Drn中：
驱动信号隔离二极管D2n的正极与Vcc供电端连接，其负极分别与有源驱动电路Drn的输入端和电位转换隔离二极管D1n的正极连接；
电位转换隔离二极管D1n的负极通过限流元件R1n与有源驱动电路Drn的供电端连接。
8.根据权利要求1-5任一项所述的电子开关串联结构的驱动电路，其特征在于，在与电子开关K2连接的有源驱动电路Dr2中：
驱动信号隔离二极管D22的正极与Vcc供电端连接，其负极分别与有源驱动电路Dr2的输入端和电位转换隔离二极管D12的正极连接；
电位转换隔离二极管D12的负极通过限流元件R12与有源驱动电路Dr2的供电端连接；
在与电子开关Kn连接的有源驱动电路Drn中：
驱动信号隔离二极管D2n的正极与电位转换隔离二极管D1n-1的负极连接，其正极还和限流元件R1n-1连接；驱动信号隔离二极管D2n的负极分别与有源驱动电路Drn的输入端和电位转换隔离二极管D1n的正极连接；
电位转换隔离二极管D1n的负极通过限流元件R1n与有源驱动电路Drn的供电端连接。
9.根据权利要求1-5任一项所述的电子开关串联结构的驱动电路，其特征在于，在与电子开关K2连接的有源驱动电路Dr2中：
驱动信号隔离二极管D22的正极与Vcc供电端连接，其负极分别与Dr2的输入端和电位转换隔离二极管D12的正极连接；
电位转换隔离二极管D12负极通过限流元件R12与有源驱动电路Dr2的供电端连接；
在与电子开关Kn连接的有源驱动电路Drn中：
驱动信号隔离二极管D2n的正极分别与有源驱动电路Drn-1的输入端、电位转换隔离二极管D1n-1的正极以及驱动信号隔离二极管D2n-1的负极连接；
驱动信号隔离二极管D2n的负极分别与有源驱动电路Drn的输入端、电位转换隔离二极管D1n的正极连接；
电位转换隔离二极管D1n的负极通过限流元件R1n与有源驱动电路Drn的供电端连接。
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