CN110752739B - 功率设备驱动装置 - Google Patents

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Abstract

一种功率设备驱动装置，驱动包括第一功率设备和第二功率设备的多个功率设备。在该装置中，分别针对至少第一功率设备和第二功率设备设置多个驱动电路，并将驱动信号输出到各个功率设备。绝缘电源包括供给第一供给电压的第一绝缘电源单元和供给与第一供给电压不同的第二供给电压的第二绝缘电源单元。多个驱动电路包括：第一驱动电路，其使用从第一绝缘电源单元供给的第一供给电压将驱动信号输出到第一功率设备；以及第二驱动电路，其使用从第二绝缘电源单元供给的第二供给电压将驱动信号输出到第二功率设备。

Description

功率设备驱动装置
技术领域
本发明涉及一种驱动彼此并联连接的多个功率设备的功率设备驱动装置。
背景技术
JP-A-2017-28956公开了一种驱动多个开关元件的驱动电路，这些开关元件是并联连接的功率设备。驱动电路将相同电压的驱动信号施加到各个开关元件的栅极端子。因此，通过由驱动电路施加的相同电压的驱动信号接通开关元件。
例如，当作为并联连接的功率设备的多个开关元件由不同材料制成或为不同类型时，用于驱动各个开关元件的适当电压(驱动电压)可能在开关元件之间不同。当通过使用与JP-A-2017-28956中描述的相同电压的驱动信号来驱动具有不同适当驱动电压的开关元件时，在多个开关元件中必须针对需要更高驱动电压的开关元件调节驱动信号的电压。这导致在多个开关元件中的较低驱动电压足够的开关元件中浪费电力消耗的问题。
发明内容
因此，期望提供一种能够驱动多个功率设备的功率设备驱动装置，其在减少电力消耗的增加的情况下，适当驱动电压彼此不同。
本公开的示例性实施例提供了一种用于驱动彼此并联连接的多个功率设备的功率设备驱动装置。多个功率设备包括具有用于驱动多个功率设备的不同的适当电压的第一功率设备和第二功率设备。
功率设备驱动装置包括：(i)多个驱动电路，其分别针对多个功率设备中的至少第一功率设备和第二功率设备而设置，并且将驱动信号输出到各个功率设备；以及(ii)绝缘电源，其供给供给电压以使多个驱动电路能够输出驱动信号。绝缘电源包括供给第一供给电压的第一绝缘电源单元和供给不同于第一供给电压的第二供给电压的第二绝缘电源单元。
多个驱动电路包括：(a)第一驱动电路，其使用从第一绝缘电源单元供给的第一供给电压将驱动信号输出到第一功率设备；以及(b)第二驱动电路，其使用从第二绝缘电源单元供给的第二供给电压将驱动信号输出到第二功率设备。
根据示例性实施例，功率设备驱动装置包括绝缘电源，该绝缘电源包括产生不同供给电压的第一绝缘电源单元和第二绝缘电源单元。此外，多个驱动电路包括第一驱动电路和第二驱动电路。第一驱动电路使用从第一绝缘电源单元供给的第一供给电压将驱动信号输出到第一功率设备。第二驱动电路使用从第二绝缘电源单元供给的第二供给电压将驱动信号输出到第二功率设备。
因此，第一功率设备可以由第一驱动电路使用从第一绝缘电源单元供给的第一供给电压输出的适当电压的驱动信号驱动。第二功率设备可以由第二驱动电路使用从第二绝缘电源单元供给的第二供给电压输出的适当电压的驱动信号驱动。
附图说明
在附图中：
图1是表示根据第一实施例的用于驱动并联连接的多个功率设备的功率设备驱动装置的结构的图；
图2是表示根据第二实施例的用于驱动并联连接的多个功率设备的功率设备驱动装置的结构的图；
图3是表示根据第三实施例的用于驱动并联连接的多个功率设备的功率设备驱动装置的结构的图；
图4是表示根据第四实施例的用于驱动并联连接的多个功率设备的功率设备驱动装置的结构的图。
具体实施方式
(第一实施例)
参考附图，现在将描述根据本公开第一实施例的功率设备驱动装置。图1是表示根据第一实施例的用于驱动并联连接的多个功率设备的功率设备驱动装置的结构的图。多个功率设备包括第一功率设备30以及第二功率设备40、41。第二功率设备40、41并联连接以允许大电流流动。第二功率设备也可以设置为单个功率设备。
例如，多个功率设备30、40、41用作用于驱动三相电动机的逆变器电路的开关元件。此外，根据三相电动机的驱动电流的大小，功率设备驱动装置可以改变要驱动的功率设备的数量。例如，功率设备驱动装置在三相电动机的驱动电流小时仅驱动第一功率设备30，在驱动电流大时驱动第一功率设备30以及第二功率设备40、41。
或者，如稍后所述，当第一功率设备30是碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)并且第二功率设备40、41是绝缘栅双极晶体管(IGBT)时，功率设备驱动装置首先接通第二功率设备40、41，随后断开第一功率设备30，从而断开第一功率设备30以及第二功率设备40、41。因此，可以减少由IGBT的尾电流引起的损耗。
例如，第一功率设备30可以包括SiC MOSFET，第二功率设备40、41可以包括IGBT。
在功率设备的材料和类型不同的情况下，用于驱动信号的适当电压可能在各个功率设备之间不同。具体地，如上所述，当第一功率元件30包括SiC MOSFET时，驱动信号的电压优选为20V的量级。此外，当第二功率设备40、41包括IGBT时，驱动信号的电压优选为15V的量级。
根据本实施例的功率设备驱动装置，第一功率设备30以及第二功率设备40、41可以由不同电压的驱动信号驱动。在以下描述中，将描述产生不同电压的驱动信号的功率设备驱动装置的构造。
如图1所示，本实施例的功率设备驱动装置包括绝缘电源1。绝缘电源1包括第一绝缘电源单元10和第二绝缘电源单元20。在第一绝缘电源单元10和第二绝缘电源单元20中，输入电路和输出电路通过变压器绝缘。
第一绝缘电源单元10的输入电路包括电源11、第一变压器12的初级绕组12a和第一开关元件13。此外，第一绝缘电源单元10的输出电路包括第一变压器12的次级绕组12b、第一二极管14和第一电容器15。第一变压器12的初级绕组12a和次级绕组12b具有相反的极性。
当通过执行占空控制的控制单元(未示出)接通和断开第一开关元件13时，在第一开关元件13接通的情况下将能量存储在第一变压器12中。然后，当第一开关元件13断开时，所存储的能量作为电流从次级绕组12b释放，然后通过第一二极管14受到半波整流以转换成直流电流。第一电容器15通过该直流电流充电。第一电容器15将充电电压作为第一供给电压供给至第一驱动电路16。
控制单元对从第一电容器15供给至第一驱动电路16的第一供给电压进行检测，并在改变占空比(占空系数)的同时对第一开关元件13执行占空控制(通断控制)，使得检测到的第一供给电压变为与第一功率设备30的驱动信号的适当电压相对应的目标电压(例如，20V)。因此，第一绝缘电源单元10可以向第一驱动电路16供给用于驱动第一功率设备30的适当电压。
第二绝缘电源单元20具有与第一绝缘电源单元10相同的构造。也就是说，第二绝缘电源单元20的输入电路包括电源21、第二变压器22的初级绕组22a和第二开关元件23。此外，第二绝缘电源单元20的输出电路包括第二变压器22的次级绕组22b、第二二极管24和第二电容器25。第二变压器22的初级绕组22a和次级绕组22b具有相反的极性。当第二开关元件23通过控制单元(未示出)接通和断开时，第二电容器25用直流电流充电，并且充电电压作为第二供给电压供给至第二驱动电路26。
如上所述，用于第二功率设备40、41的驱动信号的适当电压不同于用于第一功率设备30的驱动信号的适当电压。因此，控制单元在改变占空比的同时对第二开关元件23执行占空控制，使得第二供给电压变为与第二功率设备40、41的驱动信号的适当电压相对应的目标电压(例如，15V)。因此，用于接通和断开第一开关元件13的占空比和用于接通和断开第二开关元件23的占空比彼此不同。
以上描述基于电源11和电源21产生相同供给电压并且第一变压器12和第二变压器22具有相同的匝数比的假设。但是，除了改变占空比之外或代替改变占空比，第一变压器12和第二变压器22之间的匝数比可以不同，或者电源11产生的供给电压和电源21产生的供给电压可以彼此不同，从而允许从第一绝缘电源单元10供给的第一供给电压和从第二绝缘电源单元20供给的第二供给电压彼此不同。
第一驱动电路16具有通常用于功率设备的驱动电路的构造。具体地，第一驱动电路16包括串联连接的高侧开关和低侧开关，并且其中点连接到第一功率设备30的栅极。因此，当通过控制单元(未示出)接通高侧开关时，具有从第一绝缘电源单元10供给的第一供给电压的驱动信号被施加到第一功率设备30的栅极，从而接通第一功率设备30。
另一方面，为了断开第一功率设备30，通过控制单元(未示出)断开第一驱动电路16的高侧开关并接通低侧开关。因此，积聚在第一功率设备30的栅极中的电荷经由低侧开关放电，从而断开第一功率设备30。
与第一驱动电路16一样，第二驱动电路26包括串联连接的高侧开关和低侧开关，并且其中点连接到第二功率设备40、41的栅极。因此，当通过控制单元(未示出)接通高侧开关时，具有从第二绝缘电源单元20供给的第二供给电压的驱动信号被施加到第二功率设备40、41的栅极，从而接通第二功率设备40、41。
另一方面，为了断开第二功率设备40、41，通过控制单元(未示出)断开第二驱动电路26的高侧开关并接通低侧开关。因此，积聚在第二功率设备40、41的栅极中的电荷经由低侧开关放电，从而断开第二功率设备40、41。
如上所述，根据本实施例的功率设备驱动装置包括绝缘电源1，所述绝缘电源1包括产生不同供给电压的第一绝缘电源单元10和第二绝缘电源单元20。
此外，根据本实施例的功率设备驱动装置包括作为用于驱动功率设备的驱动电路的第一驱动电路16和第二驱动电路26，所述第一驱动电路16构造成通过使用从第一绝缘电源单元10供给的第一供给电压向第一功率设备30输出驱动信号，所述第二驱动电路26构造成通过使用从第二绝缘电源单元供给的第二供给电压向第二功率设备40、41输出驱动信号。
因此，当第一驱动电路16和第二驱动电路26分别输出通过使用从第一绝缘电源单元10供给的第一供给电压和从第二绝缘电源单元20供给的第二供给电压产生的驱动信号时，第一功率设备30以及第二功率设备40、41可以由通过适当电压的驱动信号驱动。
(第二实施例)
参考附图，现在将描述根据本公开第二实施例的功率设备驱动装置。图2是表示根据第二实施例的功率设备驱动装置的构造的图。与第一实施例的功率设备驱动装置的部件相同或相似的部件由相同的附图标记表示，并且可以省略其描述。
在上述第一实施例的功率设备驱动装置中，第一绝缘电源单元10和第二绝缘电源单元20均具有第一开关元件13和第二开关元件23。此外，用于第一开关元件13和第二开关元件23的驱动占空比由控制单元(未示出)以可变的方式单独控制，使得从第一绝缘电源单元10供给的第一供给电压和从第二绝缘电源单元20供给的第二供给电压对应于各个目标电压。
另一方面，如图2所示，在第二实施例的功率设备驱动装置中，绝缘电源100构造成使得第一变压器12的初级绕组12a和第二变压器的初级绕组22a连接到共用电源111和共用开关元件123。换句话说，在本实施例的功率设备驱动装置的绝缘电源100中，第一变压器12的初级绕组12a和第二变压器22的初级绕组22a并联连接。此外，共用电源111及共用开关元件123与初级绕组12a、22a的并联电路串联连接。
因此，在本实施例的功率设备驱动装置中，由于绝缘电源100的输入电路(初级电路)中的部件(电源111和开关元件123)是共享的，因此，与第一实施例的绝缘电源1相比，可以减少绝缘电源100的部件的数量。因此，可以获得简化的构造。
如图2所示，在本实施例中，第一绝缘电源单元110包括第一变压器12、第一二极管14和第一电容器15，第二绝缘电源单元120包括第二变压器22、第二二极管24和第二电容器25。
此外，在本实施例中，由于开关元件123是共享的，因此，第一绝缘电源单元110中的第一变压器12的初级绕组12a和第二绝缘电源单元120中的第二变压器22的初级绕组22a各自的通电时间不能彼此不同。因此，在本实施例的功率设备驱动装置中，第一变压器12和第二变压器22根据各自目标电压具有不同的匝数比，从而允许从第一绝缘电源单元110供给的第一供给电压和从第二绝缘电源单元120供给的第二供给电压彼此不同。
此外，控制单元(未示出)对第一供给电压和第二供给电压中的一个进行检测，并控制用于开关元件123的驱动占空比，使得检测到的供给电压变为目标电压。其结果是，由于第一变压器12和第二变压器22的匝数比之间的差异，因此，作为未检测的供给电压的另一个供给电压也被变为目标电压。
(第三实施例)
参考附图，现在将描述根据本公开第三实施例的功率设备驱动装置。图3是表示根据第三实施例的功率设备驱动装置的构造的图。与第一实施例及第二实施例的功率设备驱动装置的部件相同或相似的部件由相同的附图标记表示，并且可以省略其描述。
在上述第二实施例的功率设备驱动装置中，通过共享绝缘电源100的输入电路(初级电路)的电源111和开关元件123来减少绝缘电源100中的部件数量。另一方面，根据本实施例的功率设备驱动装置，通过进一步共享变压器的初级绕组，可以进一步减少部件数量。
如图3所示，本实施例的功率设备驱动装置的绝缘电源200仅包括一个变压器212。变压器212包括由第一绝缘电源单元210和第二绝缘电源单元220共享的共用初级绕组212a。第一绝缘电源单元210的次级绕组212b和第二绝缘电源单元220的次级绕组212c都磁联接到共用初级绕组212a。
此外，第一绝缘电源单元210的次级绕组212b和第二绝缘电源单元220的次级绕组212c具有与第一绝缘电源单元210及第二绝缘电源单元220的各自的目标供给电压相对应的匝数。因此，第一绝缘电源单元210的次级绕组212b的匝数和第二绝缘电源单元220的次级绕组212c的匝数彼此不同。
另外，在本实施例中，控制单元(未示出)也对第一供给电压和第二供给电压中的一个进行检测，并控制用于开关元件123的驱动占空比，使得检测到的供给电压变为目标电压。因此，第一绝缘电源单元210和第二绝缘电源单元220可以供给各自的目标供给电压。
(第四实施例)
参考附图，现在将描述根据本公开第四实施例的功率设备驱动装置。图4是表示根据第四实施例的功率设备驱动装置的构造的图。与第一实施例至第三实施例的功率设备驱动装置的部件相同或相似的部件由相同的附图标记表示，并且可以省略其描述。
如图4所示，本实施例的功率设备驱动装置包括：第一连接线17，其将第一绝缘电源单元110的低电位侧连接到通过使用第一供给电压的第一驱动电路16驱动的第一功率设备30的射极(源极)侧；以及第二连接线27，其将第二绝缘电源单元120的低电位侧连接到通过使用第二供给电压的第二驱动电路26驱动的第二功率设备40、41的射极(源极)侧。
设置这些第一连接线17和第二连接线27，使得第一绝缘电源单元110和第二绝缘电源单元120可以基于功率设备30、40、41的射极(源极)电位输出第一供给电压和第二供给电压。因此，各个供给电压不易受到由于其他功率设备等的切换引起的电位变化的影响，并且确保相应的功率设备稳定地接通。
此外，尽管图4示出了第一连接线17和第二连接线27设置在第二实施例的绝缘电源100中的示例，但是第一连接线17和第二连接线27也可以设置在第一实施例的绝缘电源1或第三实施例的绝缘电源200中。
尽管上面已经描述了本公开的优选实施例，但是本公开不以任何方式受到前述实施例的限制。在不脱离本公开的范围的情况下，可以对实施例进行各种变形。
例如，在上述第一至第四实施例中，作为第一功率设备30以及第二功率设备40、41的两种类型的功率设备并联连接。然而，也可以并联连接三种或更多种类型的功率设备。在这种情况下，绝缘电源可以包括产生与三种或更多种类型的功率设备相对应的三个或更多个不同的供给电压的绝缘电源单元，并且多个驱动电路可以是使用这些不同的供给电压输出驱动信号的三个或更多个驱动电路。

Claims (7)

1.一种功率设备驱动装置，用于驱动彼此并联连接的多个功率设备，其特征在于，所述功率设备驱动装置包括：
多个驱动电路，所述多个驱动电路分别针对所述多个驱动电路中的至少第一功率设备和第二功率设备而设置，并且将驱动信号输出到各个功率设备，所述第一功率设备和所述第二功率设备中的一个包括MOSFET，所述第一功率设备和所述第二功率设备中的另一个包括IGBT，在所述第一功率设备与所述第二功率设备之间用于驱动所述多个功率设备的电压不同；以及
绝缘电源，所述绝缘电源供给电压以使所述多个驱动电路能够输出所述驱动信号，所述绝缘电源具有供给第一供给电压的第一绝缘电源单元和供给与第一供给电压不同的第二供给电压的第二绝缘电源单元，
所述多个驱动电路具有：
第一驱动电路，所述第一驱动电路使用从所述第一绝缘电源单元供给的所述第一供给电压将所述驱动信号输出到所述第一功率设备；以及
第二驱动电路，所述第二驱动电路使用从所述第二绝缘电源单元供给的所述第二供给电压将所述驱动信号输出到所述第二功率设备。
2.如权利要求1所述的功率设备驱动装置，其特征在于，
所述第一绝缘电源单元包括：
第一变压器，所述第一变压器包括初级绕组和次级绕组；以及
第一开关元件，所述第一开关元件连接到所述第一变压器的初级绕组，
所述第二绝缘电源单元包括：
第二变压器，所述第二变压器包括初级绕组和次级绕组；
第二开关元件，所述第二开关元件连接到所述第二变压器的初级绕组，
从所述第一绝缘电源单元供给的所述第一供给电压和从所述第二绝缘电源单元供给的所述第二供给电压通过下述方式中的至少一种方式设定为彼此不同：
(i)将所述第一变压器的匝数比和所述第二变压器的匝数比设定为彼此不同；以及
(ii)将所述第一开关元件的驱动占空比和所述第二开关元件的驱动占空比设定为彼此不同。
3.如权利要求1所述的功率设备驱动装置，其特征在于，
所述第一绝缘电源单元包括第一变压器，所述第一变压器具有初级绕组和次级绕组，
所述第二绝缘电源单元包括第二变压器，所述第二变压器具有初级绕组和次级绕组，
所述第一变压器的匝数比和所述第二变压器的匝数比设定为彼此不同，
所述绝缘电源包括共用开关元件，所述共用开关元件连接到所述第一变压器的初级绕组和所述第二变压器的初级绕组。
4.如权利要求1所述的功率设备驱动装置，其特征在于，
所述绝缘电源包括：
共用初级绕组，所述共用初级绕组由所述第一绝缘电源单元和所述第二绝缘电源单元共享；以及
开关元件，所述开关元件连接到所述共用初级绕组，
所述第一绝缘电源单元包括磁联接到所述共用初级绕组的次级绕组，
所述第二绝缘电源单元包括磁联接到所述共用初级绕组的次级绕组，
所述第一绝缘电源单元的次级绕组的匝数比和所述第二绝缘电源单元的次级绕组的匝数比设定为彼此不同。
5.如权利要求3所述的功率设备驱动装置，其特征在于，
开关元件由占空控制信号驱动，所述占空控制信号控制用于驱动所述开关元件的占空比，使得检测到的供给电压变为目标电压，所述检测到的供给电压是从所述第一绝缘电源单元供给的所述第一供给电压和从所述第二绝缘电源单元供给的所述第二供给电压中的一个。
6.如权利要求4所述的功率设备驱动装置，其特征在于，
开关元件由占空控制信号驱动，所述占空控制信号控制用于驱动所述开关元件的占空比，使得检测到的供给电压变为目标电压，所述检测到的供给电压是从所述第一绝缘电源单元供给的所述第一供给电压和从所述第二绝缘电源单元供给的所述第二供给电压中的一个。
7.如权利要求1至6中任一项所述的功率设备驱动装置，其特征在于，还包括：
第一连接线，所述第一连接线将由所述第一驱动电路使用所述第一供给电压驱动的所述第一功率设备的射极侧和所述第一绝缘电源单元的低电位侧连接；以及
第二连接线，所述第二连接线将由所述第二驱动电路使用所述第二供给电压驱动的所述第二功率设备的射极侧和所述第二绝缘电源单元的低电位侧连接。
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