CN111740573B - 一种功率变换电路的功率开关互锁驱动方法及其互锁驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率变换电路的功率开关互锁驱动方法及其互锁驱动电路，所述的互锁驱动方法包括如下步骤：基于每一功率开关与任一其他开关的连接关系，建立各功率开关的驱动逻辑函数；对各驱动逻辑函数进行齐次处理；根据经处理后的各驱动逻辑函数，采用与其所表达的逻辑关系对应的逻辑元件连接控制器和各功率开关，以构建该功率变换电路的互锁驱动电路。本发明的互锁驱动方法可广泛应用于对各类功率拓扑的功率开关进行互锁驱动，并能够较为轻松地利用可获得的逻辑元件构建互锁驱动电路，该互锁驱动电路结构简洁，逻辑清晰，且能够避免各互锁驱动信号存在竞争冒险逻辑。

Description

一种功率变换电路的功率开关互锁驱动方法及其互锁驱动 电路

技术领域

本发明涉及功率变换电路技术领域，更具体来讲，涉及一种功率变换电路的功率开关互锁驱动方法及其互锁驱动电路。

背景技术

电力电子设备广泛应用了功率变换电路，其上的功率开关(如IGBT管、MOS管等功率器件)连接并形成桥臂。在各类功率拓扑的工作过程中，为防止功率开关的误导通造成功率变换电路的正、负母线短路等问题，通常需要设计具有互锁功能的驱动电路，从而在保证对各功率开关不会发生误导通的情况下对其驱动。

功率开关的误导通通常指的是由于控制器(如MCU或DSP等控制单元)错误发出了驱动信号，导致两个或多个功率开关发生了共态导通。并且，通常而言，需要防止位于同一桥臂的多个功率开关发生共态导通。

基于上述认知，一些现有技术公开了具有互锁功能的驱动电路，其利用简单逻辑电路对两路驱动信号进行互锁，在两路驱动信号均能使功率开关导通时，利用逻辑元件封锁其中一路驱动信号，从而防止两个功率开关共态导通。

然而，基于现有技术，对于具有多个功率开关且形成了复杂桥臂的功率拓扑，便需要通过复杂逻辑电路来实现互锁功能，设计人员往往难以快速设计出简洁高效的逻辑电路，造成逻辑元件数量多、重复逻辑多、设计时易出错等缺陷，提高了产品的设计成本和物料成本。

并且，在现有技术的公开内容中，不同功率拓扑的互锁驱动方法往往不具有通用性，更是加大了在复杂电力电子设备中对多个不同的功率拓扑进行互锁驱动的难度，进一步提高了整机产品的设计成本。

此外，由于驱动信号需要经历若干逻辑元件才能传递至功率开关，在实际应用时，容易造成各驱动信号在经组合逻辑电路传递时存在时序上的竞争冒险逻辑，容易产生干扰信号，从而难以真正实现对各功率开关的互锁驱动。

发明内容

本发明的目的在于解决上述技术问题，提供一种功率变换电路的功率开关互锁驱动方法及其互锁驱动电路，所述的功率开关互锁驱动方法可广泛应用于对各类功率拓扑的功率开关进行互锁驱动，并较为轻松地利用可获得的逻辑元件构建互锁驱动电路，该互锁驱动电路结构简洁，逻辑清晰，且能够避免各互锁驱动信号存在竞争冒险逻辑。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供一种功率变换电路的功率开关互锁驱动方法，所述功率变换电路包括控制器和若干功率开关，所述控制器输出对应每一功率开关的原始驱动信号；所述方法用于实现各功率开关的互锁驱动，其包括：

步骤1：基于每一功率开关与任一其他开关的连接关系，建立各功率开关的驱动逻辑函数；其中，所述驱动逻辑函数用于表达其输出变量与输入变量的最简逻辑关系；所述输出变量为互锁驱动信号，所述输入变量包括各原始驱动信号；所述的互锁驱动信号用于驱动对应的功率开关，并防止其与任一其他开关共态导通；

步骤2：对各驱动逻辑函数进行齐次处理；其中，所述的齐次处理用于在逻辑运算结果不变的情况下使各逻辑函数的逻辑运算次数一致；

步骤3：根据经处理后的各驱动逻辑函数，采用与其所表达的逻辑关系对应的逻辑元件连接控制器和各功率开关，以构建该功率变换电路的互锁驱动电路。

在某一实施例中，步骤1中的驱动逻辑函数具体通过如下步骤建立：

根据各功率开关连接后所形成的桥臂以及各桥臂上功率开关的串接方式，获得各功率开关的互锁驱动关系；

根据所述的互锁驱动关系，建立各互锁驱动信号关于各原始驱动信号的真值表；

利用卡诺图方法对所获得的真值表进行化简，获得各互锁驱动信号与各原始驱动信号的最简逻辑关系，以建立各驱动逻辑函数。

在某一实施例中，步骤2中对各逻辑函数的齐次处理具体通过如下步骤进行：

判断所述驱动逻辑函数的表达形式为和形式或是积形式；

当驱动逻辑函数为和形式时，通过对运算次数较少的逻辑函数加入真值为0的或运算实现所述的齐次处理；当驱动逻辑函数为积形式时，通过对运算次数较少的逻辑函数加入真值为1的与运算实现所述的齐次处理。

在某一实施例中，所述控制器还输出用于复位各功率开关至关断状态的复位信号；

步骤1中的驱动逻辑函数还基于该复位信号的复位逻辑建立，其输入变量还包括该复位信号。

在某一实施例中：所述功率变换电路为T型功率变换电路，其具有横臂和竖臂；所述横臂上设有反向串联的功率开关K2和功率开关K3，所述竖臂上设有同向串联的功率开关K1和功率开关K4；

在执行步骤1后所建立的各功率开关的驱动逻辑函数如下：

其中，Q1、Q2、Q3、Q4分别表示功率开关K1、K2、K3、K4的互锁驱动信号，A1、A2、A3、A4分别表示功率开关K1、K2、K3、K4对应的原始驱动信号；

在执行步骤2后所获得的经齐次处理后的各功率开关的驱动逻辑函数如下：

在某一实施例中：所述功率变换电路为T型功率变换电路，其具有横臂和竖臂；所述横臂上设有反向串联的功率开关K2和功率开关K3，所述竖臂上设有同向串联的功率开关K1和功率开关K4；

所述控制器输出的复位信号为高电平有效，低电平失效；

在执行步骤1后所建立的各功率开关的驱动逻辑函数如下：

其中，Q1、Q2、Q3、Q4分别表示功率开关K1、K2、K3、K4的互锁驱动信号，A1、A2、A3、A4分别表示功率开关K1、K2、K3、K4对应的原始驱动信号，RST表示所述复位信号；

在执行步骤2后所获得的经齐次处理后的各功率开关的驱动逻辑函数如下：

在某一实施例中：步骤3中所构建的互锁驱动电路包括设于控制器与每一功率开关间的隔离器件，其具有正、负输入端，用于将负输入端的输入信号进行非运算后与正输入端的输入信号进行与运算，并输出所述互锁驱动信号；

在步骤3前，还包括对步骤1或步骤2所获得的各功率开关的驱动逻辑函数进行反演处理的步骤，以在执行步骤3前获得经反演处理和齐次处理后的各驱动逻辑函数：

在步骤3中，根据经反演处理和齐次处理后的各驱动逻辑函数构建所述互锁驱动电路。

在某一实施例中：所述隔离器件为隔离芯片，其型号为LTV316J。

在某一实施例中：所述功率开关为IGBT管，所述互锁驱动信号和原始驱动信号均为PWM波信号。

为实现上述目的，本发明的第二方面提供一种功率变换电路的功率开关的互锁驱动电路，用于实现所述功率变换电路的各功率开关的互锁驱动；所述互锁驱动电路基于如上述技术方案中任一项所述的互锁驱动方法构建。

相较于现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)本发明实施例的互锁驱动方法，基于功率变换电路的各功率开关的相互连接关系构建驱动逻辑函数，以表达互锁驱动信号与原始驱动信号的逻辑关系，并采用与该逻辑关系对应的逻辑元件构建互锁驱动电路，从而提供了一种对于各类功率拓扑均适用的互锁驱动方法，简化了互锁驱动电路的设计过程，降低了对复杂功率拓扑的进行互锁驱动的难度；

此外，由于在建立驱动逻辑函数时获得了各互锁驱动信号与原始驱动信号的最简逻辑关系，从而可据其采用最少的逻辑元件构建最为简洁高效的互锁驱动电路，逻辑清晰，在设计时不易出错；

更进一步的，通过对各驱动逻辑函数进行齐次处理，使得各互锁驱动信号均由各原始驱动信号经过相同次数的逻辑运算得到，各原始驱动信号也分别经过相同的相同次数的逻辑运算形成互锁驱动信号，从而使得各互锁驱动信号的延时完全一致，不存在竞争冒险逻辑；

(2)本发明实施例的互锁驱动方法，输入变量还包括控制器输出的复位信号，并基于该复位信号的复位逻辑建立驱动逻辑函数，使得其不仅实现了对各功率开关的互锁驱动，还可以适应功率变换电路的复位机制，提高了本发明互锁驱动方法的适用性，扩大了其适用场景；

(3)本发明实施例的互锁驱动方法，控制器与功率开关之间具有隔离器件，通过在步骤3前进行反演处理，可以适应功率变换电路的控制器和功率开关需要隔离的需求，进一步提高了本发明互锁驱动方法的适用性，扩大了其适用场景；

(4)本发明实施例的互锁驱动电路，其具有结构简洁，逻辑清晰，不易出错的优势；此外，各互锁驱动信号均由各原始驱动信号经过相同次数的逻辑运算得到，每一原始驱动信号还分别经过相同的相同逻辑器件形成互锁驱动信号，互锁驱动信号的延时完全一致，不存在竞争冒险逻辑，从而能够对各功率开关有效地互锁驱动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是三电平T型功率变换电路的典型拓扑图；

图2是本发明一较佳实施例的互锁驱动电路的结构图，其中的箭头用于表示驱动信号的传递方向。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的优选实施例，且不应被看作对其他实施例的排除。基于本发明实施例，本领域的普通技术人员在不作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，如使用术语“第一”、“第二”或“第三”等，都是为了区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，如使用术语“包括”、“具有”以及它们的变形，意图在于“包含但不限于”。

本发明实施例首先提供一种功率变换电路的功率开关互锁驱动方法，所述功率变换电路包括控制器和若干功率开关，根据各功率开关所具有的不同连接关系，其可形成具有不同形式桥臂的功率拓扑，例如图1所示出的三电平拓扑。

所述控制器通常为MCU控制器或DSP处理器，其输出对应每一功率开关的原始驱动信号。在不具有互锁功能的驱动电路中，该原始驱动信号直接驱动各功率开关。而在本发明的方法中，原始驱动信号经处理后形成具有互锁功能的互锁驱动信号，该互锁驱动信号用于直接输入功率开关的控制端，以对其进行驱动，并实现互锁功能。在某些实施例中，所述功率开关可采用IGBT管、MOS管等功率器件，因而所述的互锁驱动信号和原始驱动信号对应的均为PWM波信号。

本发明实施例的互锁驱动方法，旨在针对各类功率拓扑实现功率开关的互锁驱动，其包括如下步骤：

步骤1：基于每一功率开关与任一其他开关的连接关系，建立各功率开关的驱动逻辑函数；

在步骤1中，对功率变换电路内各功率开关的相互连接关系进行电路分析，并据其得到各功率开关的驱动逻辑函数。所述的驱动逻辑函数为一逻辑关系表示式，其用于表达输出变量与输入变量的最简逻辑关系。在本发明各实施例中，该输出变量均为所述的互锁驱动信号，其用于驱动对应的功率开关，并防止该功率开关与任一其他开关共态导通。所述的输入变量包括各原始驱动信号和其他对驱动逻辑能产生影响的附加信号，在本发明实施例中，依据功率开关连接关系的不同，输入变量可能包括各原始驱动信号中的一个或几个。

值得说明的是，本发明所称的共态导通指的是两个或多个功率开关同时导通并使得功率变换电路的发生短路现象的情况，因此本发明所要防止的共态导通不包括各功率开关同时导通但功率变换电路仍能正常工作的情况。

优选实施例中，所述控制器还输出用于复位各功率开关至关断状态的复位信号。对应的，步骤1中的驱动逻辑函数还基于该复位信号的复位逻辑建立，其输入变量还包括该复位信号，其即为所述的附加信号。

具体而言，步骤1可通过执行如下步骤来完成：

根据各功率开关连接后所形成的桥臂以及各桥臂上功率开关的串接方式，获得与每一功率开关可能发生共态导通的其他功率开关，并据此形成各功率开关的互锁驱动关系；

根据所获得的互锁驱动关系，建立各互锁驱动信号关于各原始驱动信号以及附加信号的真值表；

利用卡诺图方法对所获得的真值表进行化简，获得各互锁驱动信号与各原始驱动信号的最简逻辑关系，以建立各功率开关的驱动逻辑函数。

步骤2：对各驱动逻辑函数进行齐次处理；

在步骤2中，对各驱动逻辑函数进行齐次处理，该齐次处理用于在逻辑运算结果不变的情况下使各逻辑函数的逻辑运算次数一致，从而使得每一互锁驱动信号均由其输入变量经过相同次数的逻辑运算得到。

具体而言，步骤2可通过执行如下步骤来完成：

判断所述驱动逻辑函数的表达形式为和形式或是积形式；

当驱动逻辑函数为和形式时，通过对运算次数较少的逻辑函数加入真值为0的或运算实现所述的齐次处理；当驱动逻辑函数为积形式时，通过对运算次数较少的逻辑函数加入真值为1的与运算实现所述的齐次处理。

在完成步骤2后即可执行步骤3：根据经处理后的各驱动逻辑函数，采用与其所表达的逻辑关系对应的逻辑元件连接控制器和各功率开关，以构建该功率变换电路的互锁驱动电路。

本发明实施例基于功率变换电路的各功率开关的相互连接关系构建驱动逻辑函数，以表达互锁驱动信号与原始驱动信号的逻辑关系，并采用与该逻辑关系对应的逻辑元件构建互锁驱动电路，从而提供了一种对于各类功率拓扑均适用的互锁驱动方法，简化了互锁驱动电路的设计过程，降低了对复杂功率拓扑的进行互锁驱动的难度。

此外，由于在建立驱动逻辑函数时获得了各互锁驱动信号与原始驱动信号的最简逻辑关系，从而可据其采用最少的逻辑元件构建最为简洁高效的互锁驱动电路，逻辑清晰，在设计时不易出错。

更进一步的，通过对各驱动逻辑函数进行齐次处理，使得各互锁驱动信号均由各原始驱动信号经过相同次数的逻辑运算得到，各原始驱动信号也分别经过相同的相同次数的逻辑运算形成互锁驱动信号，从而使得各互锁驱动信号的延时完全一致，不存在竞争冒险逻辑。

此外，本发明实施例还提供一种功率变换电路的功率开关的互锁驱动电路，用于实现所述功率变换电路的各功率开关的互锁驱动，其基于上述互锁驱动方法构建，因而继承了该互锁驱动方法的全部优势。

以下通过图1所示出的具体功率拓扑为示例，具体介绍本发明的互锁驱动方法及基于其所构建出的互锁驱动电路。

参照图1-2,图1中示出了典型的三电平T型功率变换电路，其具有横臂和竖臂。所述横臂上设有反向串联的功率开关K2和功率开关K3，所述竖臂上设有同向串联的功率开关K1和功率开关K4，其工作原理以及具体拓扑结构已为现有技术所公开，本发明将不对其赘述。

具体的，执行步骤1，根据该T型功率变换电路的桥臂形式以及桥臂上功率开关的串接方式，可以获得所述的互锁驱动关系为：

功率开关K1和功率开关K4驱动不能共态导通；

功率开关K1和功率开关K3驱动不能共态导通；

功率开关K2和功率开关K4驱动不能共态导通。

利用上述互锁驱动关系，可建立如表1所示出的真值表：

表1-T型功率变换电路互锁驱动逻辑真值表

利用卡诺图方法对上述真值表进行化简，可获得各驱动逻辑函数如下：

其中，Q1、Q2、Q3、Q4分别表示功率开关K1、K2、K3、K4的互锁驱动信号，A1、A2、A3、A4分别表示功率开关K1、K2、K3、K4对应的原始驱动信号。

执行步骤2，对上述步骤1所得到的驱动逻辑函数进行齐次处理，可获得各驱动逻辑函数如下：

通常而言，根据上述各驱动逻辑函数所表达逻辑运算关系即可采用对应的逻辑元件构建互锁驱动电路，实现对各功率开关的互锁驱动。

在优选实施例中，由于控制器还输出所述复位信号，该复位信号为高电平有效，低电平失效。换言之，当复位信号为高电平时，各功率开关被复位；当复位信号为低电平时，各功率开关受驱动信号正常驱动。因而将该复位信号作为所述输入变量的一部分后，经步骤1后所获得的各功率开关的驱动逻辑函数如下：

其中，所述RST表示所述复位信号。

从而，在执行步骤2后所获得的经齐次处理后的各功率开关的驱动逻辑函数如下：

根据上述各驱动逻辑函数所构建互锁驱动电路，不仅实现了对各功率开关的互锁驱动，还可以适应功率变换电路的复位机制，提高了本发明互锁驱动方法的适用性，扩大了其适用场景。

更进一步的，在上述实施例的基础上，由于控制器与功率开关间通常需要进行强弱电隔离，在一较佳实施例中，步骤3中所构建的互锁驱动电路包括设于控制器与每一功率开关间的隔离器件，其采用型号为LTV316J的隔离芯片。所述隔离器件其具有正、负输入端，用于将负输入端的输入信号进行非运算后与正输入端的输入信号进行与运算，并输出所述互锁驱动信号。

对应的，在步骤3前，还包括对步骤1或步骤2所获得的各功率开关的驱动逻辑函数进行反演处理的步骤，以在执行步骤3前获得经反演处理和齐次处理后的各驱动逻辑函数：

从而，在步骤3中，根据经反演处理和齐次处理后的各驱动逻辑函数构建如图2所示的互锁驱动电路，其可以适应功率变换电路的控制器和功率开关需要隔离的需求，进一步提高了本发明互锁驱动方法的适用性，扩大了其适用场景。

进一步的，还可以看出，该互锁驱动电路的结构简洁，逻辑清晰，不易出错。此外，各互锁驱动信号均由各原始驱动信号经过相同次数的逻辑运算得到，每一原始驱动信号还分别经过相同的相同逻辑器件形成互锁驱动信号，互锁驱动信号的延时完全一致，不存在竞争冒险逻辑。

值得说明的是，上述的反演处理和齐次处理无执行先后顺序，因而该反演处理可在步骤1和步骤2之间进行，也可在步骤2和步骤3之间进行。

上述说明书和实施例的描述，用于解释本发明保护范围，但并不构成对本发明保护范围的限定。通过本发明或上述实施例的启示，本领域普通技术人员结合公知常识、本领域的普通技术知识和/或现有技术，通过合乎逻辑的分析、推理或有限的试验可以得到的对本发明实施例或其中一部分技术特征的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种功率变换电路的功率开关互锁驱动方法，所述功率变换电路包括控制器和若干功率开关，所述控制器输出对应每一功率开关的原始驱动信号；

其特征在于，所述功率变换电路为T型功率变换电路，其具有横臂和竖臂；所述横臂上设有反向串联的功率开关K2和功率开关K3，所述竖臂上设有同向串联的功率开关K1和功率开关K4；所述控制器还输出用于复位各功率开关至关断状态的复位信号；所述控制器输出的复位信号为高电平有效，低电平失效；所述方法用于实现各功率开关的互锁驱动，其包括：

步骤1：基于每一功率开关与任一其他开关的连接关系，建立各功率开关的驱动逻辑函数；其中，所述驱动逻辑函数用于表达其输出变量与输入变量的最简逻辑关系；所述输出变量为互锁驱动信号，所述输入变量包括各原始驱动信号；所述的互锁驱动信号用于驱动对应的功率开关，并防止其与任一其他开关共态导通；所述驱动逻辑函数还基于所述复位信号的复位逻辑建立，其输入变量还包括所述复位信号；

建立的各功率开关的驱动逻辑函数如下：

其中，Q1、Q2、Q3、Q4分别表示功率开关K1、K2、K3、K4的互锁驱动信号，A1、A2、A3、A4分别表示功率开关K1、K2、K3、K4对应的原始驱动信号，RST表示所述复位信号；

步骤2：对各驱动逻辑函数进行齐次处理；其中，所述的齐次处理用于在逻辑运算结果不变的情况下使各逻辑函数的逻辑运算次数一致；

获得的经齐次处理后的各功率开关的驱动逻辑函数如下：

步骤3：根据经处理后的各驱动逻辑函数，采用与其所表达的逻辑关系对应的逻辑元件连接控制器和各功率开关，以构建该功率变换电路的互锁驱动电路。

2.如权利要求1所述的一种功率变换电路的功率开关互锁驱动方法，其特征在于，步骤1中的驱动逻辑函数具体通过如下步骤建立：

根据各功率开关连接后所形成的桥臂以及各桥臂上功率开关的串接方式，获得各功率开关的互锁驱动关系；

根据所述的互锁驱动关系，建立各互锁驱动信号关于各原始驱动信号的真值表；

利用卡诺图方法对所获得的真值表进行化简，获得各互锁驱动信号与各原始驱动信号的最简逻辑关系，以建立各驱动逻辑函数。

3.如权利要求1所述的一种功率变换电路的功率开关互锁驱动方法，其特征在于，步骤2中对各逻辑函数的齐次处理具体通过如下步骤进行：

判断所述驱动逻辑函数的表达形式为和形式或是积形式；

当驱动逻辑函数为和形式时，通过对运算次数较少的逻辑函数加入真值为0的或运算实现所述的齐次处理；当驱动逻辑函数为积形式时，通过对运算次数较少的逻辑函数加入真值为1的与运算实现所述的齐次处理。

4.如权利要求1所述的一种功率变换电路的功率开关互锁驱动方法，其特征在于：

步骤3中所构建的互锁驱动电路包括设于控制器与每一功率开关间的隔离器件，其具有正、负输入端，用于将负输入端的输入信号进行非运算后与正输入端的输入信号进行与运算，并输出所述互锁驱动信号；

在步骤3前，还包括对步骤1或步骤2所获得的各功率开关的驱动逻辑函数进行反演处理的步骤，以在执行步骤3前获得经反演处理和齐次处理后的各驱动逻辑函数：

在步骤3中，根据经反演处理和齐次处理后的各驱动逻辑函数构建所述互锁驱动电路。

5.如权利要求4所述的一种功率变换电路的功率开关互锁驱动方法，其特征在于：所述隔离器件为隔离芯片，其型号为LTV316J。

6.如权利要求1-5中任一项所述的一种功率变换电路的功率开关互锁驱动方法，其特征在于：所述功率开关为IGBT管，所述互锁驱动信号和原始驱动信号均为PWM波信号。

7.一种功率变换电路的功率开关的互锁驱动电路，用于实现所述功率变换电路的各功率开关的互锁驱动；

其特征在于：所述互锁驱动电路基于如权利要求1-5中任一项所述的互锁驱动方法构建。

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