CN114204784B - 一种碳化硅mosfet驱动电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳化硅MOSFET驱动电源，包括第一隔离变压单元、第一逻辑单元、第二逻辑单元和多路第二隔离变压单元，各所述第二隔离变压单元的输入端均与所述第一隔离变压单元的输出端相连，各所述第二隔离变压单元的输出端用于分别与驱动电路的各桥臂的开关单元连接。本发明具有安全可靠、电压监护、欠压保护、过压保护、短路保护等优点。
Description
技术领域
本发明主要涉及驱动电源技术领域，具体涉及一种碳化硅MOSFET驱动电源。
背景技术
碳化硅MOSFET具有高结温和高电子迁移率特性，在开关的时候没有反向恢复效应，适用于高开关频率的应用，可降低滤波器等器件体积；另外碳化硅MOSFET的开关损耗较低，结温更高，对散热器要求更低；综合考虑，碳化硅MOSFET可以降低系统的体积和重量。碳化硅MOSFET主要用在电动汽车的电机控制器、高压升压器、发电机中。随着ADAS(高级驾驶辅助系统)在汽车行业的普及并呈现出越演越烈的态势，Function Safety(功能安全)的概念逐渐被越来越多的汽车公司重视，而作为ISO26262中的重中之重，ASIL贯穿汽车控制单元开发的V流程，在功能开发的过程中起到了指导和规范作用。
目前设计的结构碳化硅MOSFET电源设计拓扑如图1所示，整车蓄电池输出6～16V电压，通过高压隔离变压器T1将蓄电池输出电压转换为6路+18V/-3V的驱动电压，驱动碳化硅MOSFET工作。传统碳化硅MOSFET电源包含了欠压保护功能、电源监控及调节功能、短路保护功能。当输入电压低于5V时，欠压保护单元生效，反馈欠压故障到逻辑单元1#，控制PWMOUT1停止工作，主电路停止工作，防止主回路电流过大损坏器件。通过变压器T1辅助绕组电压Vref1得到反馈电压，发送给电源监控单元1，通过逻辑单元控制PWM OUT1的输出占空比，维持驱动电压稳定。当主回路电流过大时，短路保护单元监控到短路保护电阻电压超出0.33V，比较器翻转输出故障信号给逻辑单元，控制PWM OUT1停止工作，关闭主电路。
在实现上述电源的过程中，发现上述碳化硅MOSFET电源基本可以满足碳化硅MOSFET在汽车上的应用需求，但是存在以下不足：
1、因为使用一个变压器T1，导致PCB布线过长，信号容易受到干扰；
2、同时集成一个变压器的散热效果不理想；
3、从功能安全角度出发，变压器T1失效可能会导致三相六路的驱动电源全部失效，导致主动短路保护(ASC)功能失效。
当然，本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种安全可靠的碳化硅MOSFET驱动电源。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种碳化硅MOSFET驱动电源，包括第一隔离变压单元和第一逻辑单元，还包括第二逻辑单元和多路第二隔离变压单元，各所述第二隔离变压单元的输入端均与所述第一隔离变压单元的输出端相连，各所述第二隔离变压单元的输出端用于分别与驱动电路的各桥臂的开关单元连接。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述第二隔离变压单元包括第二隔离变压器，所述第二隔离变压器包括第一同相输入端、第二同相输入端和反相输入端，所述第一同相输入端通过第一开关与地相连；所述第二同相输入端与所述第一隔离变压单元的输出端相连，所述第二同相输入端与通过第一电阻单元与地相连；所述反相输入端通过第二开关与地相连.所述第一开关和第二开关的触发端与所述第二逻辑单元相连。
还包括第二电源监测单元，所述第二电源监测单元的输入端与所述第二隔离变压单元的输出端相连，输出端与所述第二逻辑单元相连，用于检测所述第二隔离变压单元的输出电压，并发送至所述第二逻辑单元，所述第二逻辑单元根据所述第二隔离变压单元的输出电压控制所述第一开关和第二开关的触发脉冲。
所述第一开关和第二开关均通过第二接地电阻与地相连；还包括第二短路保护单元，所述第二短路保护单元的输入端与所述第二接地电阻相连，用于检测所述第二接地电阻上的电压或电流，所述第二短路保护单元的输出端与所述第二逻辑单元相连，所述第二逻辑单元根据所述第二短路保护单元的输出电压或电流控制所述第一开关和第二开关的触发脉冲。
所述第一电阻单元包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的一端与第二同相输入端相连，所述第一电阻的另一端与第二电阻的一端相连，所述第二电阻的另一端与地相连；还包括过压保护单元，所述过压保护单元的输入端与所述第二电阻的一端相连，用于检测所述第二电阻上的电压，所述过压保护单元的输出端与所述第二逻辑单元相连，所述第二逻辑单元根据所述过压保护单元的输出电压控制所述第一开关和第二开关的触发脉冲。
所述过压保护单元包括比较器和三极管，所述比较器的正极与所述第二电阻的一端相连，所述比较器的输出端与所述三极管的基极相连，所述三极管的集电极与所述第二逻辑单元相连。
所述第一开关和第二开关均为MOSFET。
所述第一隔离变压单元包括第一隔离变压器，所述第一隔离变压器的同相输入端通过第三开关与地相连；所述第一隔离变压器的反相输入端与蓄电池相连；还包括欠压保护单元，所述欠压保护单元的输入端与所述第一隔离变压器的反相输入端相连，用于检测所述蓄电池的输出电压，所述欠压保护单元的输出端与所述第一逻辑单元相连，所述第一逻辑单元根据所述欠压保护单元的输出电压控制所述第三开关的触发脉冲。
所述第一隔离变压器的同名输出端通过第二电阻单元接地，所述第二电阻单元包括第三电阻和第四电阻，所述第三电阻的一端与第一隔离变压器的同名输出端相连，另一端与第四电阻的一端相连，所述第四电阻的另一端接地；还包括第一电源监测单元，所述第一电源监测单元的输入端与所述第四电阻的一端相连，输出端与所述第一逻辑单元相连，用于检测所述第四电阻的输出电压，并发送至所述第一逻辑单元，所述第一逻辑单元根据所述第一电源监测单元的输出电压控制所述第三开关的触发脉冲。
所述第三开关通过第一接地电阻与地相连；还包括第一短路保护单元，所述第一短路保护单元的输入端与第一接地电阻相连，用于检测所述第一接地电阻上的电压或电流，所述第一短路保护单元的输出端与所述第一逻辑单元相连，所述第一逻辑单元根据所述第一短路保护单元的输出电压或电流控制所述第三开关的触发脉冲。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明将传统碳化硅MOSFET电源集成一个第一隔离变压单元的方案更换成由多个第二隔离变压单元的方案，使PCB布线回路更短，信号抗扰能力更高；多个第二隔离变压单元的散热效果更好，降低器件工作温度，提高寿命；第二隔离变压单元单点失效时，电源仍可以支持完成主动短路保护功能(ASC)。
本发明通过增加第二短路保护单元、过压保护单元和第二电源监控单元，持续监控和确保碳化硅MOSFET的驱动电压+18V/-3V在合理的范围值内，降低因驱动电压过高导致的碳化硅栅氧层失效风险，降低因驱动电压过低时碳化硅MOSFET导通损耗过大造成的热失效风险。
附图说明
图1为现有技术中设计的碳化硅MOSFET电源拓扑图。
图2为本发明的驱动电源在实施例的拓扑图。
图例说明：11、第一隔离变压单元；12、第一逻辑单元；13、欠压保护单元；14、第一电源监测单元；15、第一短路保护单元；21、第二隔离变压单元；22、第二逻辑单元；23、第二电源监测单元；24、第二短路保护单元；25、过压保护单元。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图2所示，本实施例的碳化硅MOSFET驱动电源，包括第一隔离变压单元11、第一逻辑单元12、第二逻辑单元22和多路第二隔离变压单元21，各第二隔离变压单元21的输入端均与第一隔离变压单元11的输出端相连，各第二隔离变压单元21的输出端用于分别与驱动电路的各桥臂的开关单元连接。本发明将传统碳化硅MOSFET电源集成一个第一隔离变压单元11的方案更换成由多个第二隔离变压单元21的方案，使PCB布线回路更短，信号抗扰能力更高；多个第二隔离变压单元21的散热效果更好，降低器件工作温度，提高寿命；第二隔离变压单元21单点失效时，电源仍可以支持完成主动短路保护功能(ASC)。
本实施例中，第一隔离变压单元11包括第一隔离变压器T1，第一隔离变压器T1的同相输入端通过第三开关K3与地相连；第一隔离变压器T1的反相输入端与车辆的蓄电池相连；还包括欠压保护单元13，欠压保护单元13的输入端与第一隔离变压器T1的反相输入端相连，用于检测蓄电池的输出电压，欠压保护单元13的输出端与第一逻辑单元12相连，第一逻辑单元12根据欠压保护单元13的输出电压控制第三开关K3的触发脉冲。具体地，蓄电池输出电压6～16V，第一隔离变压器T1将蓄电池输出电压6～16V转换为稳定的15V电压。一旦电压低于5V(可以根据实际情况进行调整)，输出故障信号到第一逻辑单元12，控制输出至第三开关K3(如MOSFET、晶闸管等开关器件)的PWM OUT1信号关断，防止第一隔离变压器T1主回路电流过大而损坏器件。
本实施例中，第一隔离变压器T1的同名输出端通过第二电阻单元接地，第二电阻单元包括第三电阻R3和第四电阻R4，第三电阻R3的一端与第一隔离变压器T1的同名输出端相连，另一端与第四电阻R4的一端相连，第四电阻R4的另一端接地；还包括第一电源监测单元14，第一电源监测单元14的输入端与第四电阻R4的一端相连，输出端与第一逻辑单元12相连，用于检测第四电阻R4的输出电压，并发送至第一逻辑单元12，第一逻辑单元12根据第一电源监测单元14的输出电压控制第三开关K3的触发脉冲。具体地，第一电源监测单元14监控第一隔离变压器T1输出的15V电压，当反馈电压超出或低于1.26V(可根据需要调整)时，通过第一逻辑单元12控制输出至第三开关K3的脉冲信号PWM OUT1的输出占空比(如减小或增大)，维持输出电压稳定。
本实施例中，第三开关K3通过第一接地电阻R11与地相连；还包括第一短路保护单元15，第一短路保护单元15的输入端与第一接地电阻R11相连，用于检测第一接地电阻R11上的电压或电流，第一短路保护单元15的输出端与第一逻辑单元12相连，第一逻辑单元12根据第一短路保护单元15的输出电压或电流控制第三开关K3的触发脉冲。具体地，当第一隔离变压器T1主回路电流过大时，第一接地电阻R11电压超出0.33V(可调整)，第一短路保护单元15输出故障信号到第一逻辑单元12，控制输出至第三开关K3的脉冲信号PWM OUT1关断，防止第一隔离变压器T1主回路电流过大而损坏器件。
本实施例中，第二隔离变压单元21包括第二隔离变压器T2，第二隔离变压器T2包括第一同相输入端、第二同相输入端和反相输入端，第一同相输入端通过第一开关K1与地相连；第二同相输入端与第一隔离变压单元11的输出端相连，第二同相输入端与通过第一电阻单元与地相连；反相输入端通过第二开关K2与地相连.第一开关K1和第二开关K2的触发端与第二逻辑单元22相连。具体地，第二隔离变压器T2将第一隔离变压器T1输出的15V转换为驱动电压+18V/-3V，在电机控制器拓扑中，有六路如图2中虚线圈内的电路，即六个变压器T2、T3、T4、T5、T6、T7，即可满足三相六路的碳化硅MOSFET驱动要求。其中K1、K2为MOSFET、晶闸管等开关器件。
本实施例中，还包括第二电源监测单元23，第二电源监测单元23的输入端与第二隔离变压器T2的输出端相连，输出端与第二逻辑单元22相连，用于检测第二隔离变压器T2的输出电压，并发送至第二逻辑单元22，第二逻辑单元22根据第二隔离变压器T2的输出电压控制第一开关K1和第二开关K2的触发脉冲。具体地，电源监控单元2采集第二隔离变压器T2输出的驱动电压+18V/-3V，当驱动电压+18V/-3V过高或过低时，通过第二逻辑单元222控制输出至K1和K2的脉冲信号PWM OUT2关断，防止碳化硅MOSFET失效。
本实施例中，第一开关K1和第二开关K2均通过第二接地电阻R12与地相连；还包括第二短路保护单元24，第二短路保护单元24的输入端与第二接地电阻R12相连，用于检测第二接地电阻R12上的电压或电流，第二短路保护单元24的输出端与第二逻辑单元22相连，第二逻辑单元22根据第二短路保护单元24的输出电压或电流控制第一开关K1和第二开关K2的触发脉冲。具体地，当T2主回路电流过大时，R12电压超出0.5V(电压可调整)，第二短路保护单元24输出故障信号到第二逻辑单元22，控制输出至K1和K2的脉冲信号PWM OUT2关断，防止T2主回路电流过大损坏器件。
本实施例中，第一电阻单元包括第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1的一端与第二同相输入端相连，第一电阻R1的另一端与第二电阻R2的一端相连，第二电阻R2的另一端与地相连；还包括过压保护单元25，过压保护单元25的输入端与第二电阻R2的一端相连，用于检测第二电阻R2上的电压，过压保护单元25的输出端与第二逻辑单元22相连，第二逻辑单元22根据过压保护单元25的输出电压控制第一开关K1和第二开关K2的触发脉冲。具体地，过压保护单元25包括比较器和三极管，比较器的正极与第二电阻的一端相连，比较器的输出端与三极管的基极相连，三极管的集电极与第二逻辑单元22相连。当T2的输入电压过高时，T2输出驱动电压会同比例增大，R2上反馈电压超过2.45V(可调整)时，过压保护单元25输出故障信号到第二逻辑单元222，控制输出至K1和K2的脉冲信号PWM OUT2关断，防止过高的驱动电压导致碳化硅MOSFET栅氧层失效。
本发明通过增加第二短路保护单元24、过压保护单元25和第二电源监控单元，持续监控和确保碳化硅MOSFET的驱动电压+18V/-3V在合理的范围值内，降低因驱动电压过高导致的碳化硅栅氧层失效风险，降低因驱动电压过低时碳化硅MOSFET导通损耗过大造成的热失效风险。
本发明将传统碳化硅MOSFET电源集成一个第一隔离变压器T1的方案更换成由六个第二隔离变压器T2的方案，使PCB布线回路更短，信号抗扰能力更高；六个第二隔离变压器T2的散热效果更好，降低器件工作温度，提高寿命；第二隔离变压器T2单点失效时，电源仍可以支持完成主动短路保护功能(ASC)。其中主动短路保护功能为：通过关断MOSFET的上桥臂三个管，同时开通下桥臂三个管；或者开通MOSFET的上桥臂三个管，同时关断下桥臂三个管，即为主动短路保护。其中在以下场合进入主动短路保护模式：
1、整车失控时，实施ASC可产生反向转矩，使车辆缓慢制动，实现安全停车。
2、动力电池故障时，实施ASC可使电机、电机控制器与动力电池隔离，保证整车高压安全。
3、整车行驶过程中驱动电机转速过高或异常时，实施ASC可避免过高的反电动势对动力电池、母线电容及其他高压器件的损坏。
4、电机控制器逆变电路中某个开关管(MOSFET)故障时，实施ASC可避免不可控整流对其它器件或动力电池的损坏。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种碳化硅MOSFET驱动电源，包括第一隔离变压单元（11）和第一逻辑单元（12），其特征在于，还包括第二逻辑单元（22）和多路第二隔离变压单元（21），各所述第二隔离变压单元（21）的输入端均与所述第一隔离变压单元（11）的输出端相连，各所述第二隔离变压单元（21）的输出端用于分别与驱动电路的各桥臂的开关单元连接；
所述第二隔离变压单元（21）包括第二隔离变压器，所述第二隔离变压器包括第一同相输入端、第二同相输入端和反相输入端，所述第一同相输入端通过第一开关与地相连；所述第二同相输入端与所述第一隔离变压单元（11）的输出端相连，所述第二同相输入端与通过第一电阻单元与地相连；所述反相输入端通过第二开关与地相连.所述第一开关和第二开关的触发端与所述第二逻辑单元（22）相连；
所述第一隔离变压单元（11）包括第一隔离变压器，所述第一隔离变压器的同相输入端通过第三开关与地相连；所述第一隔离变压器的反相输入端与蓄电池相连；还包括欠压保护单元（13），所述欠压保护单元（13）的输入端与所述第一隔离变压器的反相输入端相连，用于检测所述蓄电池的输出电压，所述欠压保护单元（13）的输出端与所述第一逻辑单元（12）相连，所述第一逻辑单元（12）根据所述欠压保护单元（13）的输出电压控制所述第三开关的触发脉冲。
2.根据权利要求1所述的碳化硅MOSFET驱动电源，其特征在于，还包括第二电源监测单元（23），所述第二电源监测单元（23）的输入端与所述第二隔离变压单元（21）的输出端相连，输出端与所述第二逻辑单元（22）相连，用于检测所述第二隔离变压单元（21）的输出电压，并发送至所述第二逻辑单元（22），所述第二逻辑单元（22）根据所述第二隔离变压单元（21）的输出电压控制所述第一开关和第二开关的触发脉冲。
3.根据权利要求2所述的碳化硅MOSFET驱动电源，其特征在于，所述第一开关和第二开关均通过第二接地电阻与地相连；还包括第二短路保护单元（24），所述第二短路保护单元（24）的输入端与所述第二接地电阻相连，用于检测所述第二接地电阻上的电压或电流，所述第二短路保护单元（24）的输出端与所述第二逻辑单元（22）相连，所述第二逻辑单元（22）根据所述第二短路保护单元（24）的输出电压或电流控制所述第一开关和第二开关的触发脉冲。
4.根据权利要求3所述的碳化硅MOSFET驱动电源，其特征在于，所述第一电阻单元包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的一端与第二同相输入端相连，所述第一电阻的另一端与第二电阻的一端相连，所述第二电阻的另一端与地相连；还包括过压保护单元（25），所述过压保护单元（25）的输入端与所述第二电阻的一端相连，用于检测所述第二电阻上的电压，所述过压保护单元（25）的输出端与所述第二逻辑单元（22）相连，所述第二逻辑单元（22）根据所述过压保护单元（25）的输出电压控制所述第一开关和第二开关的触发脉冲。
5.根据权利要求4所述的碳化硅MOSFET驱动电源，其特征在于，所述过压保护单元（25）包括比较器和三极管，所述比较器的正极与所述第二电阻的一端相连，所述比较器的输出端与所述三极管的基极相连，所述三极管的集电极与所述第二逻辑单元（22）相连。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的碳化硅MOSFET驱动电源，其特征在于，所述第一开关和第二开关均为MOSFET。
7. 根据权利要求1所述的碳化硅MOSFET驱动电源，其特征在于，所述第一隔离变压器的同名输出端通过第二电阻单元接地，所述第二电阻单元包括第三电阻和第四电阻，所述第三电阻的一端与第一隔离变压器的同名输出端相连，另一端与第四电阻的一端相连，所述第四电阻的另一端接地; 还包括第一电源监测单元（14），所述第一电源监测单元（14）的输入端与所述第四电阻的一端相连，输出端与所述第一逻辑单元（12）相连，用于检测所述第四电阻的输出电压，并发送至所述第一逻辑单元（12），所述第一逻辑单元（12）根据所述第一电源监测单元（14）的输出电压控制所述第三开关的触发脉冲。
8.根据权利要求7所述的碳化硅MOSFET驱动电源，其特征在于，所述第三开关通过第一接地电阻与地相连；还包括第一短路保护单元（15），所述第一短路保护单元（15）的输入端与第一接地电阻相连，用于检测所述第一接地电阻上的电压或电流，所述第一短路保护单元（15）的输出端与所述第一逻辑单元（12）相连，所述第一逻辑单元（12）根据所述第一短路保护单元（15）的输出电压或电流控制所述第三开关的触发脉冲。
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| CN108063542A (zh) * | 2018-01-12 | 2018-05-22 | 湖南工程学院 | 一种简单可靠低成本碳化硅功率开关器件驱动电路 |
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