CN110447170A - 功率开关装置和操作所述功率开关装置的方法 - Google Patents

功率开关装置和操作所述功率开关装置的方法 Download PDF

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Abstract

一种功率开关装置(1)，包括缓冲电路(3)、滤波电路(4)、变压器(5)、恢复电路(9)、调节电路(10)和功率开关(13)。缓冲电路(3)提供取决于输入电压(Vin)和控制电压(VG)的单极缓冲输出电压(Vb)。滤波电路(4)阻断缓冲输出电压(Vb)的直流分量，该直流分量被恢复电路(9)添加在变压器(5)的次级侧上。功率开关(16)由恢复电路(9)提供给调节电路(10)的单极调节电压(VD)控制。功率开关装置(1)充当即插即用模块，并且可以以灵活和容易的方式使用和操作。

Description

功率开关装置和操作所述功率开关装置的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求欧洲专利申请EP 17 161 130.4的优先权，其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明涉及功率开关装置和操作所述功率开关装置的方法。
背景技术
文献US 4 461 966 A(对应于文献DE 30 45 771 A1)公开了一种用于控制至少一个功率FET的电路。从控制器将单极输入电压施加到输入端子。输入电压被差分。所产生的双极电压由于变压器而出现为在变压器次级侧的输出电压。输出电压的正脉冲通过二极管到达栅极，且为FET的输入电容充电。通过这种方式，FET被接通。同时，通过齐纳二极管对电容器进行充电。由于后续的负脉冲，齐纳二极管被击穿并且电容器被放电，使得与输入电容并联连接的晶体管关断。结果输入电容放电并且FET被阻断。该已知的电路具有如下缺点：FET的驱动电压的电平取决于输入电压的占空比并且控制器必须提供所需的功率以操作电路。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种能够以灵活和容易的方式使用和操作的功率开关装置。特别地，本发明的一个目的是提供一种构造为即插即用模块且可以容易地安装的功率开关装置。
该目的通过包括权利要求1的特征的功率开关装置来实现。本发明的功率开关装置集成了缓冲电路、滤波电路、变压器、恢复电路、调节电路和功率开关，以充当即插即用模块，该模块能够在各种应用中运行，而不用担心功率开关装置连接到控制器和/或功率级的方式。来自功率级的输入电压通过第一输入端子施加到缓冲电路。相应地，来自控制器的控制电压经由第二输入端子施加到缓冲电路。控制器可以提供正单极控制电压或负单极控制电压或交流控制电压。因此，该功率开关装置可以使用标准的可用控制器操作，特别是提供单极控制电压的简单控制器。优选地，功率开关装置包括第三输入端子。第三输入端子提供基准节点。第三输入端子特别地与功率级和控制器的公共接地连接。缓冲电路提供取决于输入电压和控制电压的缓冲输出电压。缓冲输出电压对应于控制电压，并且是单极或双极的。由于缓冲电路，控制器不受所需功率的影响，因为所需功率由功率级提供。优选地，缓冲电路连接到第三输入端子。滤波电路设计为阻断缓冲输出电压的直流分量，并提供交流初级侧电压。滤波电路的输入端子连接到缓冲电路的输出端子。滤波电路用作低截止滤波器。优选地，滤波电路与变压器的初级侧绕组相互作用。取决于变压比，交流初级侧电压由变压器变换为交流次级侧电压。而且，由于变压器，次级侧与初级侧隔离。恢复电路布置在次级侧。通过恢复电路，在变压器的次级侧重构电压，而不影响其占空比或频率。恢复电路被设计为使得阻断的直流分量至少部分地被添加到交流次级侧电压以提供单极调节电压。通过添加被阻断的直流分量，功率开关的驱动电压的电平与控制电压的占空比无关。占空比是脉冲持续时间与开关周期的比率。因此，占空比也称为占空周期。调节电压有两个电压电平。根据电压电平，调节电路控制驱动电流。例如，在第一电压电平，驱动电流对功率开关的内部电容进行充电，而在第二电压电平，驱动电流对功率开关的内部电容进行放电。功率开关的内部电容提供驱动电压，使得功率开关接通并关断。例如，充电的内部电容提供第一电平的驱动电压，使得功率开关接通，并且放电的内部电容提供第二电平的驱动电压，使得功率开关关断。优选地，功率开关是MOSFET，特别是n沟道MOSFET。在这种情况下，内部电容是栅极-源极电容，驱动电压是栅极-源极电压。或者，功率开关是双极性结型晶体管(BJT)或绝缘栅极双极晶体管(IGBT)。在双极性结型晶体管的情况下，驱动电压是基极-发射极信号，特别是基极-发射极电压。输出端子连接到功率开关。例如，输出端子连接到MOSFET的漏极和源极，或连接到双极性结型晶体管的发射极和集电极。
根据权利要求2所述的功率开关装置确保了灵活和容易的使用和操作。为了起到低截止滤波器的作用，滤波电路包括滤波电容器和滤波电阻器。优选地，滤波电容器和滤波电阻器串联连接并与变压器的初级侧绕组相互作用。滤波电路能够以简单可靠的方式阻断缓冲输出电压的直流分量。
根据权利要求3所述的功率开关装置确保了灵活和容易的使用和操作。滤波电容器和初级侧绕组构成次级滤波器。优选地，滤波电阻器与串联连接的滤波电容器和初级侧绕组相串联连接并相互作用。串联连接可以阻断缓冲输出电压的直流分量。
根据权利要求4所述的功率开关装置确保了灵活和容易的使用和操作。借助于恢复电容器，直流分量被添加到交流次级侧电压。由于该添加的直流分量，恢复电路的输出电压或调节电压变为单极。通过该单极调节电压，驱动电压的电平与控制电压的占空比无关。
根据权利要求5所述的功率开关装置确保了灵活和容易的使用和操作。优选地，阻断元件与次级侧绕组和恢复电容器的串联连接相并联连接。例如，阻断元件是二极管。优选地，串联连接的恢复电容器和次级侧绕组连接到节点N2和节点N3。恢复电容器连接到节点N2，而次级侧绕组连接到节点N3。二极管连接到节点N2和节点N3。所述二极管被连接成使得二极管的流动方向从节点N3指向节点N2。所述二极管允许从节点N3至节点N2的电流。阻断元件可以在恢复电路的输出端产生单极调节电压。此外，由于阻断功能，阻断元件减少了驱动损失。
根据权利要求6所述的功率开关装置确保了灵活和容易的使用和操作。通过缓冲电路，提供所需功率而不影响控制器。优选地，缓冲电路是施密特触发器或图腾柱对中的至少一个。
根据权利要求7所述的功率开关装置确保了灵活和容易的使用和操作。稳压电路确保施加到缓冲电路的基本上恒定的输出电压。因此，功率开关装置可以独立于输入电压的质量进行操作。例如，稳压电路基于齐纳二极管。优选地，稳压电路包括调节器，例如低压差调节器(LDO调节器)。
根据权利要求8所述的功率开关装置使得操作容易。接通电路用于接通功率开关，而关断电路用于关断功率开关。接通电路工作在调节电压的第一电压电平，而关断电路工作在调节电压的第二电压电平。
根据权利要求9所述的功率开关装置确保了简单的操作。当调节电压具有第一电压电平时，阻断元件允许驱动电流流动，使得功率开关被接通。优选地，阻断元件是二极管。接通电路的阻断元件和滤波电路的阻断元件优选地公共操作。如果两个阻断元件都设计为二极管，则这些二极管具有相同的流动方向。优选地，阻断元件串联连接到电阻器。优选地，串联连接的二极管和电阻器连接到节点N2和功率开关，尤其连接到MOSFET的栅极端子。优选地，二极管的流动方向从节点N2指向功率开关。例如，功率开关是MOSFET，并且驱动信号是通过阻断元件的驱动电流，使得MOSFET的内部电容(即，栅极-源极电容)由驱动电流充电。栅极-源极电容提供接通功率开关的驱动电压。具体而言，第一电压电平不等于零。
根据权利要求10所述的功率开关装置确保了简单的操作。当调节电压具有第二电压电平时控制开关具有使得功率开关被关断的开关状态。优选地，控制开关是双极性结型晶体管。例如，当第二电压电平为零时，控制开关接通，并且驱动电流将功率开关的内部电容放电，使得功率开关被关断。优选地，关断电路包括尤其是双极性结型晶体管的正好一个控制开关。优选地，双极性结型晶体管是PNP双极性结型晶体管。优选地，控制开关的集电极端子连接到功率开关的源极端子，而控制开关的发射极端子连接到功率开关的栅极端子。优选地，控制开关的偏压端子连接到电阻器，电阻器连接到节点N2。优选地，功率开关的源极端子和控制开关的集电极端子连接到节点N3。
根据权利要求11所述的功率开关装置确保了容易的操作。依据电压电平，调节电路控制驱动电流且充电或放电功率开关的内部电容，以接通或关断功率开关。因为调节电路使用功率开关的内部电容，所以无需外部电容器提供驱动电压。
根据权利要求12所述的功率开关装置确保了容易的操作。因为内部电容相对较小，所以功率开关的接通和关断通过充电或放电内部电容非常快速地发生。因此，功率开关装置实现高开关频率。
根据权利要求13所述的功率开关装置确保了灵活和容易的使用和操作。保护电路包括至少一个测量元件以测量功率开关的电流和电压中的至少一个。根据功率开关的电流和/或电压，保护电路检测功率开关是否正在预定义的不期望的操作区域中操作。保护电路提供保护功能、过电流保护、短路保护和过温保护中的至少一个。此外，可以使用电压和电流测量值来计算开关损耗，并将其与最差情况进行比较，以便检测过量的功率损耗和/或提供过电压保护。
根据权利要求14所述的功率开关装置确保了灵活和容易的使用和操作。当检测到在不期望的操作区域中的操作时，保护开关关断功率开关。优选地，保护开关与功率开关的内部电容并联连接，使得当保护开关接通时内部电容被放电，并且功率开关被关断。优选地，保护开关是MOSFET。
根据权利要求15所述的功率开关装置确保了灵活和容易的使用和操作。当保护开关接通时，内部电容放点且功率开关关断。优选地，保护开关设计为n沟道MOSFET。优选地，保护开关的漏极端子连接到功率开关的栅极端子，且保护开关的源极端子连接到功率开关的源极端子。优选地，控制单元连接到保护开关的栅极端子且提供栅极端子的保护信号。
根据权利要求16所述的功率开关装置确保了灵活和容易的使用和操作。保护电路向控制单元提供功率开关电流和功率开关电压中的至少一个。取决于功率开关电流和/或功率开关电压，控制单元将功率开关的操作点与至少一个预定的不期望的操作区域进行比较。当操作点位于至少一个不期望的操作区域内时，控制单元提供保护信号。保护信号可以用作警告信号和/或关断功率开关。例如，控制单元被设计为IC、微控制器或FPGA。
根据权利要求17所述的功率开关装置确保了灵活和容易的使用和操作。额外的次级侧供电绕组耦合到已经存在的变压器，使得提供给供电电压来为保护电路供电。供电绕组的变压比确定了所需的供电电压。保护电路可以包括稳压电路以稳定供电电压并向控制单元提供基本恒定的输入电压。稳压电路包括二极管、齐纳二极管和电容器。二极管和次级侧供电绕组被串联连接，以使得二极管连接到节点N4且次级侧供电绕组连接到节点N3。二极管的流动方向指向节点N4。齐纳二极管和电容器并联连接到节点N3和节点N4。齐纳二极管的阳极连接到节点N3且齐纳二极管的阴极连接到节点N4。
此外，本发明的一个目的是提供一种操作功率开关装置的灵活且容易的方法。
该目的通过包括根据权利要求18所述的步骤的操作功率开关装置的方法来实现。根据本发明的方法的优点对应于之前已经描述的根据本发明的功率开关装置的优点。
附图说明
阅读下面参考附图对实施例的描述，本发明的其他特征、优点和细节将是显而易见的。
图1示出了功率开关装置的示意图，
图2示出了图1中功率开关装置的调节电路的示意图，
图3示出了在调节电路的输入端处的具有第一电压电平和第二电压电平的调节电压的时间图，
图4示出了当第一电压电平被施加到调节电路时调节电路的等效电路，以及
图5示出了当第二电压电平被施加到调节电路时调节电路的等效电路。
具体实施方式
图1示出了被设计为即插即用模块的功率开关装置1。功率开关装置1包括三个输入端子in1、in2和in3以及两个输出端子out1和out2。来自功率级(未示出)的输入电压Vin被施加到第一输入端子in1。来自控制器(未示出)的单极控制电压VG被施加到第二输入端子in2。控制电压VG优选为PWM信号。功率级和控制器的公共接地被施加到第三输入端子in3。
功率开关装置1包括在缓冲电路3的上游连接到第一输入端子in1的稳压电路2。稳压电路2包括二极管D1、齐纳二极管ZVcc和电容器CVcc。二极管D1连接到第一输入端子in1和第一节点N1。齐纳二极管ZVcc和电容器CVcc的并联连接部连接到第一节点N1和基准节点N0。基准节点N0连接到第三输入端子in3。
第一节点N1连接到缓冲电路3，使得稳压电路2向缓冲电路3提供稳定的输入电压Vcc。第二输入端子in2连接到缓冲电路3使得缓冲电路3提供取决于稳定的输入电压Vcc和控制电压VG的单极缓冲输出电压Vb。缓冲电路3包括电压放大器和电流放大器中的至少一个。例如，缓冲电路3被设计为施密特触发器或图腾柱对。缓冲电路3连接到基准节点N0。由于缓冲电路3，所需功率由功率级提供并且控制器不受所需功率的影响。
缓冲电路3连接到滤波电路4。滤波电路4用于阻断缓冲输出电压Vb的直流分量VDC，并且提供交流初级侧电压V1。滤波电路4包括串联连接的滤波电阻器Rp和滤波电容器Cp。滤波电阻器Rp和滤波电容器Cp的串联连接被连接到缓冲电路3和变压器5。滤波电阻器Rp和滤波电容器Cp的串联连接被串联连接到变压器5的初级绕组6。初级侧绕组6还连接到基准节点N0。由于滤波电阻器Rp、滤波电容器Cp和初级侧绕组6的串联连接，滤波电路4充当低截止滤波器。
在次级侧，变压器5包括次级侧绕组7和次级侧供电绕组8。初级绕组6和次级绕组7限定第一变压比。交流初级侧电压V1被转换到次级侧使得变压器5提供取决于第一变压比的交流次级侧电压V2。变压器5将初级侧与次级侧隔离。
恢复电路9连接到次级侧绕组7。恢复电路9将被阻断的直流分量VDC添加到次级侧电压V2，并提供作为调节电路10的输入电压的单极调节电压VD。恢复电路9包括恢复电容器CS和阻断元件Dr。恢复电容器CS串联连接到次级侧绕组7。恢复电容器CS和次级侧绕组7的串联连接被连接到
第二节点N2和第三节点N3。阻断元件Dr连接到第二节点N2和第三节点N3，使得它与恢复电容器CS和次级侧绕组7的串联连接相并联连接。阻断元件Dr设计为二极管。调节电压VD是跨阻断元件Dr的电压。
调节电路10包括接通电路11和关断电路12。当调节电压VD具有第一电压电平VD1时，接通电路11接通功率开关13，而当电压VD具有第二电压电平VD2时，关断电路12关断功率开关13。
调节电压VD如图3所示，其中t表示时间。由于增加的直流分量VDC，调节电压VD是单极的并且基本上对应于控制电压VG。在开关时间段TS内，调节电压VD对于D·TS的时间段具有第一电压电平VD1并且对于(1-D)·TS的时间段具有第二电压电平VD2。D表示功率开关13的占空比。第二电压电平VD2基本为零。第一电压电平VD1是正的。
功率开关13被设计为n沟道MOSFET。漏极端子D连接到第一输出端子out1，而源极端子S连接到第二输出端out2。功率开关13包括栅极端子G和源极端子S之间的栅极-源极电容CGS。
接通电路11包括串联连接的阻断元件Don和电阻器Ron。阻断元件Don是二极管。阻断元件Don和电阻器Ron的串联连接被连接到第二节点N2和栅极端子G。第三节点N3连接到源极端子S。当调节电压VD具有第一电压电平VD1时，接通电路11提供驱动电流i，该驱动电流i给栅极-源极电容CGS充电并提供接通功率开关13的驱动电压VGS。这在图4中示出。
关断电路12包括控制开关S1。控制开关S1被设计为双极性结型晶体管。优选地，双极性结型晶体管是PNP双极性结型晶体管。控制开关S1的集电极端子C连接到源极端子S，而控制开关S1的发射极端子E连接到栅极端子G。控制开关S1的偏压端子B连接到与第二节点N2连接的电阻器Roff。当调节电压VD具有第二电压电平VD2，即基本为零时，接通电路11被二极管Don阻断，控制开关S1因为经由发射极端子E和偏压端子B的驱动电压VGS和电流而被接通。控制开关S1用作短路电路，使得栅极-源极电容CGS由驱动电流i放电，并且功率开关13被关断。图5中示出了关断电路12。
此外，功率开关装置1包括保护电路14以检测功率开关13是否在不希望的操作区域中操作。次级侧供电绕组8提供用于保护电路14的供电的供电电压V3。初级侧绕组6和次级侧供电绕组8定义取决于所需供电电压V3的第二变压比。保护电路14包括提供稳定的供电电压Vbias的稳压电路15。稳定的供电电压Vbias被施加到控制单元16。
稳压电路15包括二极管Dbias、齐纳二极管Zbias和电容器Cbias。二极管Dbias和次级侧供电绕组8串联连接。次级侧供电绕组8连接到第三节点N3。二极管Dbias连接到第四节点N4。齐纳二极管Zbias和电容器Cbias与第三节点N3和第四节点N4并联连接。因此，控制单元16共享与功率开关13相同的接地。
保护电路14包括测量元件17以测量功率开关电流iP。所测量的功率开关电流iP'被提供给控制单元16。此外，功率开关电压VP被提供给控制单元16。功率开关电压VP尤其是功率开关13的漏极-源极电压。根据功率开关电流iP'和/或功率开关电压VP，控制单元16确定功率开关13是否在不期望的操作区域内操作。在功率开关13在不期望的操作区域内操作的情况下，控制单元16产生保护信号p。保护信号p特别是电压信号。
保护电路15包括保护开关S2，用于在功率开关13在不期望的操作区域内操作的情况下关断功率开关13。保护开关S2与栅极-源极电容CGS并联连接。保护开关S2在接通的情况下提供栅极-源极电容CGS的短路电路。
保护开关S2被设计为n沟道MOSFET。保护开关S2的漏极端子d连接到栅极端子G，而保护开关S2的源极端子s连接到源极端子S。控制单元16连接到保护开关S2的栅极端子g，并将保护信号p提供到栅极端子g。
功率开关装置1用作即插即用模块，并且可用于其中功率开关13的源极端子S连接到固定电压或浮动电压的许多应用。功率开关装置1省略了为具有浮动源的开关设计适当的驱动和调节方案通常需要的努力，这些开关例如用于隔离拓扑结构、具有浮动源功率装置的传统非隔离拓扑结构或具有连接功率装置的非常规方式的拓扑结构。即使功率开关装置1用于隔离拓扑结构，也可以使用功率级对功率开关装置1供电。潜在应用的实际例子是例如反激式、浮动式、正向、推挽式、半桥式和全桥式等隔离拓扑结构以及非隔离拓扑结构，这些非隔离拓扑结构具有高侧开关或浮动源开关，例如升压、降压和降压-升压转换器。使用功率开关装置1解决了驱动和调节的问题，因为装置1或在电路拓扑中以各种可能方式连接的很多器件可以容易地使用共享相同功率级接地的相同控制器来驱动，而不用为每个开关13建立专用电源。此外，功率开关装置1提供不同的保护特征，如过流保护、短路保护以及过温保护。
由于功率开关装置1使用变压器5来提供隔离的差分栅极-源极电压VGS，当需要接通功率开关13时，栅极-源极电压VGS为正，当需要关断功率开关13时，栅极-源极电压VGS几乎为零电压，所以功率开关装置1能够工作而不管功率开关13的源极连接。功率开关装置1可以用双极或单极控制电压VG操作。优选地，控制器仅能够相对于接地产生单极控制电压VG，即正或负电压。因此，功率开关装置1需要隔离或专用电源来提供所需的驱动电压VGS。由于缓冲电路3，因此所需功率由功率级提供并且控制器不受所需功率的影响。稳压电路2可以被设计为低压差调节器(LDO)。滤波电路4阻断单极缓冲输出电压Vb中的直流分量VDC，使得所得到的交流初级侧电压V1被转换成交流次级侧电压V2。恢复电路9根据变压器5的变压比恢复被阻断的直流分量VDC。由于恢复电路9，驱动电压VGS的电平不取决于占空比D。阻断元件或二极管Dr用于阻断次级侧电压V2的负部分，并且减少栅极驱动损失。当控制电压VG高时，阻断元件或二极管Don和电阻器Ron用于对栅极-源极电容CGS充电，并且接通功率开关13(PNP双极性结型晶体管)，然而当控制电压VG低时，控制开关S1用于使栅极-源极电容CGS放电并且关断功率开关13。功率开关装置1与被设计为MOSFET、双极性结型晶体管或IGBT的功率开关13一起工作，因为所有这些功率开关13都需要相对于其源极端子或发射极端子的差分驱动信号。
另外，功率开关装置1提供不同的保护特征。由于控制单元16与功率开关13共享相同的接地，电流和电压信息可以直接送到它。由于可以获得功率开关电流iP和功率开关电压VP，通过计算不需要的操作区域和安全操作区域，可以提供过电流保护、短路保护和过温保护。另外，可以计算和估计开关功率损耗和温升。此外，可以使用电压和电流测量值来计算开关损耗并将其与最差情况进行比较，以便检测过量的功率损耗和/或提供过电压保护。当任何违反安全操作被检测到时，控制单元16向保护开关S2产生保护信号p，即高选通脉冲，使得功率开关13被关断并因此被保护。

Claims (18)

1.一种功率开关装置，包括：
-第一输入端子(in1)，其施加来自功率级的输入电压(Vin)，
-第二输入端子(in2)，其施加来自控制器的控制电压(VG)，
-缓冲电路(3)，其提供取决于所述输入电压(Vin)和所述控制电压(VG)的缓冲输出电压(Vb)，
-滤波电路(4)，其阻断所述缓冲输出电压(Vb)的直流分量(VDC)并提供初级侧电压(V1)，
-变压器(5)，其将所述初级侧电压(V1)转换成次级侧电压(V2)，
-恢复电路(9)，其至少部分地将被阻断的所述直流分量(VDC)添加到所述次级侧电压(V2)并提供调节电压(VD)，
-调节电路(10)，其提供取决于调节电压(VD)的驱动信号(i，VGS)，以及
-功率开关(13)，其连接到第一输出端子(out1)以及第二输出端子(out2)并由所述驱动信号(i，VGS)控制。
2.根据权利要求1所述的功率开关装置，其特征在于：
所述滤波电路(4)包括滤波电容器(Cp)和滤波电阻器(Rp)，所述滤波电容器和所述滤波电阻器特别是串联连接的。
3.根据权利要求1或2所述的功率开关装置，其特征在于：
所述滤波电路(4)包括滤波电容器(Cp)，所述滤波电容器串联连接到所述变压器(5)的初级侧绕组(6)。
4.根据权利要求1至3中的至少一项所述的功率开关装置，其特征在于：
所述恢复电路(9)包括与所述变压器(5)的次级侧绕组(7)串联连接的恢复电容器(Cs)。
5.根据权利要求1至4中的至少一项所述的功率开关装置，其特征在于：
所述恢复电路(9)包括特别是二极管的阻断元件(Dr)，该阻断元件与所述变压器(5)的次级侧绕组(7)并联连接，并且特别是与所述次级侧绕组(7)和恢复电容器(Cs)的串联连接相并联连接。
6.根据权利要求1至5中的至少一项所述的功率开关装置，其特征在于：
所述缓冲电路(3)包括电压放大器和电流放大器中的至少一个。
7.根据权利要求1至6中的至少一项所述的功率开关装置，其特征在于：
稳压电路(2)在所述缓冲电路(3)的上游连接到所述第一输入端子(in1)。
8.根据权利要求1至7中的至少一项所述的功率开关装置，其特征在于：
所述调节电路(10)包括接通电路(11)和关断电路(12)。
9.根据权利要求1至8中的至少一项所述的功率开关装置，其特征在于：
接通电路(11)是所述调节电路(10)的一部分，并且包括在所述调节电压(VD)具有第一电压电平(VD1)时允许驱动电流(i)流动以使得所述功率开关(13)接通的、特别是二极管的阻断元件(Don)。
10.根据权利要求1至9中的至少一项所述的功率开关装置，其特征在于：
关断电路(12)是所述调节电路(10)的一部分，并且包括特别是双极性结型晶体管的控制开关(S1)，所述控制开关在所述调节电压(VD)具有第二电压电平(VD2)时允许驱动电流(i)的流动以使得所述功率开关(13)关断。
11.根据权利要求1至10中的至少一项所述的功率开关装置，其特征在于：
所述调节电路(10)连接到所述功率开关(13)，以使得在所述调节电压(VD)的第一电压电平(VD1)处驱动电流(i)给所述功率开关(13)的内部电容(CGS)充电，且在所述调节电压(VD)的第二电压电平(VD2)处驱动电流(i)给所述功率开关(13)的内部电容(CGS)放电。
12.根据权利要求1至11中的至少一项所述的功率开关装置，其特征在于：
所述调节电路(10)连接到所述功率开关(13)，以使得所述功率开关(13)的充电的内部电容(CGS)提供第一电平的驱动电压(VGS)，从而所述功率开关(13)接通，且放电的内部电容(CGS)提供第二电平的驱动电压(VGS)，从而所述功率开关(13)关断。
13.根据权利要求1至12中的至少一项所述的功率开关装置，其特征在于：
包括保护电路(14)，其检测所述功率开关(13)在不希望的操作区域中的操作。
14.根据权利要求13所述的功率开关装置，其特征在于：
所述保护电路(14)包括保护开关(S2)，以便当检测到在不希望的操作区域中的操作时关断所述功率开关(13)。
15.根据权利要求14所述的功率开关装置，其特征在于：
所述保护开关(S2)并联连接到所述功率开关(13)的内部电容(CGS)。
16.根据权利要求13至15中的至少一项所述的功率开关装置，其特征在于：
所述保护电路(14)包括控制单元(16)，以提供取决于功率开关电流(iP)和功率开关电压(VP)的保护信号(p)。
17.根据权利要求13至16中的至少一项所述的功率开关装置，其特征在于：
所述变压器(5)包括向所述保护电路(14)提供供电电压(V3)的次级侧供电绕组(8)。
18.一种操作功率开关装置的方法，包括以下步骤：
-提供根据权利要求1至17中的至少一项所述的功率开关装置(1)，
-将来自功率级的输入电压(Vin)施加到第一输入端子(in1)，
-将来自控制器的单极控制电压(VG)施加到第二输入端子(in2)，
-提供取决于所述输入电压(Vin)和所述单极控制电压(VG)的单极缓冲输出电压(Vb)，
-阻断所述单极缓冲输出电压(Vb)的直流分量(VDC)并提供交流初级侧电压(V1)，
-将所述交流初级侧电压(V1)变换成交流次级侧电压(V2)，
-至少部分地将阻断的所述直流分量(VDC)添加到所述交流次级侧电压(V2)并提供单极调节电压(VD)，以及
-根据所述单极调节电压(VD)控制所述功率开关(13)。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7380340B2 (ja) * 2020-03-06 2023-11-15 オムロン株式会社 電源回路
US11811396B2 (en) * 2021-09-30 2023-11-07 Infineon Technologies Austria Ag Power transfer, gate drive, and/or protection functions across an isolation barrier

Citations (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5019719A (en) * 1990-01-12 1991-05-28 International Rectifier Corporation Transformer coupled gate drive circuit for power MOSFETS
JPH11103541A (ja) * 1997-04-30 1999-04-13 Shin Nakagawa 省電力電気機器またはその電源装置
JPH11145810A (ja) * 1997-11-06 1999-05-28 Shimada Phys & Chem Ind Co Ltd ドライブ回路
US20020021578A1 (en) * 2000-08-21 2002-02-21 Katsuhiko Nishimura Synchronous rectification circuit of DC-DC converter
US20030164721A1 (en) * 2002-03-01 2003-09-04 Reichard Jeffrey A. Gate drive circuitry
WO2004084409A1 (de) * 2003-03-21 2004-09-30 Conti Temic Microelectronic Gmbh Verfahren zur ansteuerung und funktionsüberwachung eines leistungshalbleiterschalters und vorrichtung zur durchführung des verfahrens
CN2919333Y (zh) * 2006-06-15 2007-07-04 杭州瑞琦信息技术有限公司 一种恒流限压电源
CN101454979A (zh) * 2006-05-29 2009-06-10 皇家飞利浦电子股份有限公司 开关电路布置
US20090147544A1 (en) * 2007-12-11 2009-06-11 Melanson John L Modulated transformer-coupled gate control signaling method and apparatus
CN101496270A (zh) * 2006-07-27 2009-07-29 皇家飞利浦电子股份有限公司 具有针对线感应瞬态的瞬态电压抑制设备的开关模式电源以及用于抑制驱动器级中的多余振荡的机制
JP2010252421A (ja) * 2009-04-10 2010-11-04 Fuji Electric Systems Co Ltd 信号伝送回路及び電力変換装置
JP2012114558A (ja) * 2010-11-22 2012-06-14 Sanken Electric Co Ltd 駆動回路
US20130200865A1 (en) * 2010-08-13 2013-08-08 Nujira Limited Switch mode power supply for envelope tracking
CN103944549A (zh) * 2014-04-03 2014-07-23 南京航空航天大学 一种高可靠性mosfet驱动电路
CN104022676A (zh) * 2014-06-17 2014-09-03 电子科技大学 一种非对称波形脉冲电源
CN105493398A (zh) * 2013-07-31 2016-04-13 施耐德电气太阳能逆变器美国股份有限公司 绝缘单极性晶体管栅极驱动器
CN106158682A (zh) * 2015-04-13 2016-11-23 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 一种获取非对称装置栅堆叠电容的方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3169198D1 (en) 1980-12-04 1985-04-11 Siemens Ag Circuitry for driving at least one power fet
DE3045771A1 (de) 1980-12-04 1982-07-08 Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München Schaltungsanordnung zum ansteuern eines leistungs-fet
JPH04128435U (ja) * 1991-05-16 1992-11-24 三菱電機株式会社 パワーｍｏｓ ｆｅｔ用絶縁形ドライブ回路
DE10156963A1 (de) * 2001-11-20 2003-06-05 Fritz Frey Schaltungsanordnung zum zuverlässigen Schalten von Stromkreisen
JP4226509B2 (ja) * 2004-03-30 2009-02-18 株式会社タムラ製作所 電圧駆動型スイッチ素子のドライブ回路および電源装置
US7236041B2 (en) * 2005-08-01 2007-06-26 Monolithic Power Systems, Inc. Isolated gate driver circuit for power switching devices
EP2171835B1 (en) * 2007-07-09 2014-07-23 Power Concepts NZ Limited Drive circuit
JP5108600B2 (ja) * 2008-04-16 2012-12-26 コーセル株式会社 スイッチング電源装置
JP5786281B2 (ja) * 2010-05-19 2015-09-30 サンケン電気株式会社 駆動回路
CN205092774U (zh) * 2014-08-08 2016-03-16 意法半导体股份有限公司 电源电路、相关发送电路、集成电路
US9966837B1 (en) * 2016-07-08 2018-05-08 Vpt, Inc. Power converter with circuits for providing gate driving

Patent Citations (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5019719A (en) * 1990-01-12 1991-05-28 International Rectifier Corporation Transformer coupled gate drive circuit for power MOSFETS
JPH11103541A (ja) * 1997-04-30 1999-04-13 Shin Nakagawa 省電力電気機器またはその電源装置
JPH11145810A (ja) * 1997-11-06 1999-05-28 Shimada Phys & Chem Ind Co Ltd ドライブ回路
US20020021578A1 (en) * 2000-08-21 2002-02-21 Katsuhiko Nishimura Synchronous rectification circuit of DC-DC converter
US20030164721A1 (en) * 2002-03-01 2003-09-04 Reichard Jeffrey A. Gate drive circuitry
WO2004084409A1 (de) * 2003-03-21 2004-09-30 Conti Temic Microelectronic Gmbh Verfahren zur ansteuerung und funktionsüberwachung eines leistungshalbleiterschalters und vorrichtung zur durchführung des verfahrens
CN101454979A (zh) * 2006-05-29 2009-06-10 皇家飞利浦电子股份有限公司 开关电路布置
CN2919333Y (zh) * 2006-06-15 2007-07-04 杭州瑞琦信息技术有限公司 一种恒流限压电源
CN101496270A (zh) * 2006-07-27 2009-07-29 皇家飞利浦电子股份有限公司 具有针对线感应瞬态的瞬态电压抑制设备的开关模式电源以及用于抑制驱动器级中的多余振荡的机制
US20090147544A1 (en) * 2007-12-11 2009-06-11 Melanson John L Modulated transformer-coupled gate control signaling method and apparatus
JP2010252421A (ja) * 2009-04-10 2010-11-04 Fuji Electric Systems Co Ltd 信号伝送回路及び電力変換装置
US20130200865A1 (en) * 2010-08-13 2013-08-08 Nujira Limited Switch mode power supply for envelope tracking
JP2012114558A (ja) * 2010-11-22 2012-06-14 Sanken Electric Co Ltd 駆動回路
CN105493398A (zh) * 2013-07-31 2016-04-13 施耐德电气太阳能逆变器美国股份有限公司 绝缘单极性晶体管栅极驱动器
CN103944549A (zh) * 2014-04-03 2014-07-23 南京航空航天大学 一种高可靠性mosfet驱动电路
CN104022676A (zh) * 2014-06-17 2014-09-03 电子科技大学 一种非对称波形脉冲电源
CN106158682A (zh) * 2015-04-13 2016-11-23 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 一种获取非对称装置栅堆叠电容的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
杨冬平等: "降栅压技术在MOSFET驱动中的应用", 《电力系统及其自动化学报》 *

Also Published As

Publication number Publication date
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