CN112072901A - 高抗共模瞬变干扰能力功率器件驱动装置 - Google Patents

高抗共模瞬变干扰能力功率器件驱动装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及涉及功率半导体应用技术领域，公开了一种高抗共模瞬变干扰能力功率器件驱动装置，包括：控制单元，基于编程生成逻辑驱动信号；若干个隔离驱动电路，与控制单元连接，隔离驱动电路用于基于逻辑驱动信号形成电流脉冲信号，产生驱动功率器件的电压信号；变压器单元，连接于各隔离驱动电路，变压器单元包括多个变压器耦合串联而成；脉冲接收单元，功率器件通过脉冲接收单元连接于隔离驱动电路。本申请提供的高抗共模瞬变干扰能力功率器件驱动装置，降低了寄生电容，降低漏感，从而有效抑制共模瞬变干扰，且变压器制作加工简单，效果方便叠加。

Description

高抗共模瞬变干扰能力功率器件驱动装置
技术领域
本发明涉及功率半导体应用技术领域，尤其涉及一种高抗共模瞬变干扰能力功率器件驱动装置。
背景技术
功率半导体单元是将多个半导体芯片按照一定功能、模式组合再灌封成一体的器件，其主要应用于电力电子系统功率回路。传统的功率半导体单元包括IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、功率MOSFFT（场效应晶体管）、晶闸管以及功率二极管等。
功率半导体单元驱动电路通常借助变压器来直接地跨屏障传递电压，在使用变压器时，当在功率半导体组内出现电压阶跃时，产生次级的终端共同的电压，该共同的电压引起寄生电流流过控制电路，其可能引起故障。
发明内容
为了达到低寄生电容，低漏感，减少故障发生，本申请提供了高抗共模瞬变干扰能力功率器件驱动装置。
高抗共模瞬变干扰能力功率器件驱动装置，包括：
控制单元，基于编程生成逻辑驱动信号；
若干个隔离驱动电路，与控制单元连接，隔离驱动电路用于基于逻辑驱动信号形成电流脉冲信号；
变压器单元，连接于各隔离驱动电路，变压器单元包括多个变压器耦合串联而成；
脉冲接收单元，功率器件通过脉冲接收单元连接于隔离驱动电路，接收电流脉冲信号，并产生驱动功率器件的电压信号。
通过采用上述技术方案，变压器单元在初级绕组接收隔离驱动电路生成的电流脉冲，并反射至次级绕组，减少控制单元与隔离驱动电路之间的寄生耦合，降低了寄生电容，降低漏感，从而有效抑制共模瞬变干扰，且变压器制作加工简单，效果方便叠加。
在一些实施方式中，各所述变压器的初级绕组分别相同，各所述变压器的次级绕组分别相同。
通过采用上述技术方案，使得变压器单元中的所有的变压器将具有相同的电流，使得每个初级绕组将接收相同的信号。
在一些实施方式中，所述隔离驱动电路连接有电流脉冲放大单元，电流脉冲放大单元位于隔离驱动电路与脉冲接收单元之间。
通过采用上述技术方案，将隔离驱动电路产生的形成电流脉冲信号进行放大处理后发送给脉冲接收单元。
在一些实施方式中，所述隔离驱动电路包括光耦隔离电路，所述光耦隔离电路与控制单元及电流脉冲放大单元连接。
通过采用上述技术方案，光耦隔离电路主要用于加强触发脉冲（电流脉冲信号）的隔离。
在一些实施方式中，所述光耦隔离电路采用6N137光耦合器，所述隔离驱动电路还包括电平转换电路，所述括电平转换电路连接于所述光耦隔离电路与所述电流脉冲放大单元之间。
6N137光耦合器具有极快的响应速度，上升和下降沿的延时均有几十纳秒，具有良好的高传输信号的特性，但是6N137光耦合器隔离输出后的电平只有5V，因此，通过采用上述技术方案，在光耦隔离电路上连接了电平转换电路进行电平转换，以便与功率器件的门槛电平匹配。
在一些实施方式中，所述电平转换电路包括LM311比较器。
通过采用上述技术方案，LM311比较器除了时间电平转换外，将经过光耦反向的驱动脉冲信号再次反向还原。
在一些实施方式中，所述隔离驱动电路还连接有保护电路，所述保护电路同时与功率器件及控制单连接。
在一些实施方式中，所述保护电路包括检测电路及测量电路，所述测量电路的输出端与所述检测电路连接，所述测量电路的输入端与所述功率器件连接，所述检测电路与所述控制单元连接。
通过采用上述技术方案，保护电路对功率器件的过流和过压进行实时监控，一旦过流或过压即通过故障信号触发控制单元，控制单元基于该故障信号进行逻辑驱动信号的调节，控制功率器件关断。
附图说明
图1为本申请实施例提供的高抗共模瞬变干扰能力功率器件驱动装置的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的高抗共模瞬变干扰能力功率器件驱动装置多个串联时的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的高抗共模瞬变干扰能力功率器件驱动装置中变压器单元的结构示意图
图4为本申请实施例提供的高抗共模瞬变干扰能力功率器件驱动装置中隔离驱动电路的结构示意图。
图中，1、控制单元；2、隔离驱动电路；21、光耦隔离电路；23、电平转换电路；3、变压器单元；31、变压器；311、初级绕组；312、次级绕组；4、功率器件；5、电流脉冲放大单元；6、脉冲接收单元；61、第一连接端；62、第二连接端；7、电源；8、保护电路；81、检测电路；812、第一光电耦合器；811、双路高速MOSFET驱动芯片；82、测量电路。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本申请公开了高抗共模瞬变干扰能力功率器件驱动装置，如图1和图2所示，包括：控制单元1，连接于控制单元1的若干个隔离驱动电路2，隔离驱动电路2均连接有电流脉冲放大单元5及脉冲接收单元6，各隔离驱动电路2与控制单元1之间均连接有变压器单元3，被驱动的功率器件4一一连接于脉冲接收单元6。
控制单元1包括能够基于编程生成逻辑驱动信号的一个或者多个控制器件，控制单元可根据编程生成多个逻辑驱动信号，各个逻辑驱动信号用于驱动各隔离驱动电路2形成电流脉冲信号，该电流脉冲信号输出至电流脉冲放大单元5，经电流脉冲放大单元5放大，脉冲接收单元6接收电流脉冲信号，并产生驱动各个功率器件4的电压信号。
如图3所示，变压器单元3包括多个变压器31耦合串联而成，在本申请此实施方式中，以包括N个变压器31为例，具体个数可根据使用环境及需求叠加或减少，每个变压器31均包括初级绕组311及次级绕组312，各初级绕组311彼此相通，各次级绕组312彼此相通，即各变压器采用相通的的磁芯、匝数比和漏电感。1至N个初级线圈彼此串联，使得变压器单元3中的所有的变压器将具有相同的电流，即将逻辑驱动信号的输出提供至变压器单元3中的每个初级绕组311，使得每个初级绕组311将接收相同的信号，从而有效抑制干扰。通过多个变压器31的耦合串联的方式，变压器单元3在初级绕组接收隔离驱动电路2生成的电流脉冲，并反射至次级绕组，减少控制单元1与隔离驱动电路2之间的寄生耦合，降低寄生电容，从而有效抑制共模瞬变干扰，且变压器制作加工简单，效果方便叠加。
如图2所示，脉冲接收单元6传递并锁存所接收到的用于驱动相关联的功率器件4开关的电流脉冲，其主要用于建立驱动功率器件4导通或不导通的电压，同时脉冲接收单元6在电流脉冲结束之后长时间内锁存导通或不导通状态电压，以使功率器件4可保持处于“打开”或“关闭”状态。
如图2所示，每个脉冲接收单元6均设置有用于连接功率器件4的漏极的第一连接端61、用于连接功率器件4的源级的第二连接端62，各功率器件4串联设置，串联的各功率器件4中位于一端的功率器件4的漏极连接至一电源7的输出正极，而其他功率器件4的漏极均分别连接与串联的相邻的功率器件4的栅极，最后一个功率器件4的栅极连接电源7的输出负极，各功率器件4的栅极还分别一一对应地连接至以其相对应的脉冲接收单元6。
为了加强电流脉冲信号的隔离，如图4所示，隔离驱动电路2包括光耦隔离电路21，光耦隔离电路21与控制单元1及电流脉冲放大单元5连接，在本申请此实施方式中，光耦隔离电路21采用6N137光耦合器，6N137光耦合器具有极快的响应速度，上升和下降沿的延时均有几十纳秒，具有良好的高传输信号的特性，但是6N137光耦合器隔离输出后的电平只有5V，因此，隔离驱动电路2还包括电平转换电路23，电平转换电路23连接于光耦隔离电路21与电流脉冲放大单元5之间，通过在光耦隔离电路21上连接了电平转换电路23进行电平转换，以便与功率器件4的门槛电平匹配。电平转换电路23的电平转换功能由LM311实现，同时LM311将经过光耦反向的驱动脉冲信号再次反向还原。
如图2和图4所示，隔离驱动电路2还包括有保护电路8，保护电路8包括检测电路81及测量电路82，测量电路82的输入端与功率器件4连接，测量电路82的输出端与检测电路81连接，检测电路81包括双路高速MOSFET驱动芯片811和第一光电耦合器812，测量电路82的输出端与第一光电耦合器812连接，第一光电耦合器812用于测量导通压降的高低，第一光电耦合器812输出端与双路高速MOSFET驱动芯片811的输入引脚连接，双路高速MOSFET驱动芯片811与控制单元1连接。通过保护电路8对功率器件4的过流和过压进行实时监控，通过检测功率器件4各个桥臂上的电流，当电流值超过设定的阀值时，通过故障信号触发控制单元，控制单元基于该故障信号进行逻辑驱动信号的调节，封锁该桥臂的驱动信号，控制功率器件关断，使驱动装置的可靠性大大提高。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.高抗共模瞬变干扰能力功率器件驱动装置，其特征在于，包括：
控制单元（1），基于编程生成逻辑驱动信号；
若干个隔离驱动电路（2），与控制单元（1）连接，隔离驱动电路（2）用于基于逻辑驱动信号形成电流脉冲信号；
变压器单元（3），连接于各隔离驱动电路（2），变压器单元（3）包括多个变压器（31）耦合串联而成；
脉冲接收单元（6），功率器件（4）通过脉冲接收单元（6）连接于隔离驱动电路（2），接收电流脉冲信号，并产生驱动功率器件（4）的电压信号。
2.根据权利要求1所述的高抗共模瞬变干扰能力功率器件驱动装置，其特征在于，各所述变压器（31）的初级绕组分别相同，各所述变压器（31）的次级绕组分别相同。
3.根据权利要求1或2所述的高抗共模瞬变干扰能力功率器件驱动装置，其特征在于，所述隔离驱动电路（2）连接有电流脉冲放大单元（5），电流脉冲放大单元（5）位于隔离驱动电路（2）与脉冲接收单元（6）之间。
4.根据权利要求3所述的高抗共模瞬变干扰能力功率器件驱动装置，其特征在于，所述隔离驱动电路（2）包括光耦隔离电路（21），所述光耦隔离电路（21）与控制单元（1）及电流脉冲放大单元（5）连接。
5.根据权利要求4所述的高抗共模瞬变干扰能力功率器件驱动装置，其特征在于，所述光耦隔离电路（21）采用6N137光耦合器，所述隔离驱动电路（2）还包括电平转换电路（23），所述括电平转换电路（23）连接于所述光耦隔离电路（21）与所述电流脉冲放大单元（5）之间。
6.根据权利要求5所述的高抗共模瞬变干扰能力功率器件驱动装置，其特征在于，所述电平转换电路（23）包括LM311比较器。
7.根据权利要求1或2所述的高抗共模瞬变干扰能力功率器件驱动装置，其特征在于，所述隔离驱动电路（2）还连接有保护电路（8），所述保护电路（8）同时与功率器件（4）及控制单元（1）连接。
8.根据权利要求7所述的高抗共模瞬变干扰能力功率器件驱动装置，其特征在于，所述保护电路（8）包括检测电路（81）及测量电路（82），所述测量电路（82）的输出端与所述检测电路（81）连接，所述测量电路（82）的输入端与所述功率器件（4）连接，所述检测电路（81）与所述控制单元（1）连接。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112885585A (zh) * 2021-01-13 2021-06-01 电子科技大学 一种隔离电压倍增的片上变压器
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