CN207399023U - 用于功率开关管的驱动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于功率开关管的驱动装置，包括：电压提供模块，用于提供功率开关管所需的电压；驱动信号隔离模块，用于为所述功率开关管提供隔离驱动信号；短路/过流保护模块，用于在所述功率开关管短路或过流时关闭所述功率开关管；米勒钳位模块，用于消除米勒效应；欠压保护模块，用于输入电压欠压时，关闭所述隔离驱动信号对所述功率开关管的输入；过温保护模块，用于根据所述驱动装置温度选择性关闭所述隔离驱动信号对所述功率开关管的输入。本实用新型具有如下优点：可以提高功率开关管的工作效率和安全性，且成本较低。

Description

用于功率开关管的驱动装置

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，具体涉及一种用于功率开关管的驱动装置。

背景技术

SiC或GaN开关管作为一种宽禁代半导体器件，具有饱和电子漂移速度高、电场击穿强度高、介电常数低和热导率高等特性。SiC/GaN开关管具有阻断电压高、工作频率高且耐高温能力强，同时又具有通态电阻低和开关损耗小等特点，是高频高压场合功率密度提高和效率提高的应用趋势。

但是其装置要求必需具有以下特性：

1.为了适应高频率的使用要求，要求驱动装置具有瞬时的驱动大功率特性，即要求具有大的容性负载能力；

2.为了适应高电压应用使用要求，要求驱动装置具有高耐压能力并且具有超低的隔离电容，来减少高压总线部分对低压控制侧的干扰；

3.为了适应高速开关的使用要求，要求驱动装置具有非常快的反应速度，来提高在异常状态出现时保护开关管的安全性；

4.为了适应更高的功率密度设计，要求驱动装置具有可直接处理的米勒钳位功能，来简化PCB板的布局和简单的解决方案。

5.隔离驱动装置必须具有合适的驱动电压，即要求电源具有正负输出电压，并且正负输出电压不是对称输出特性。

因此，亟需一种满足上述特性的驱动装置。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本实用新型的目的在于提出一种用于功率开关管的驱动装置，该驱动装置可以提高功率开关管的工作效率和安全性，且成本较低。

为了实现上述目的，本实用新型的实施例公开了一种用于功率开关管的驱动装置，包括：电压提供模块，用于提供功率开关管所需的电压；驱动信号隔离模块，所述驱动信号隔离模块包括相互隔离的信号输入端和信号输出端，所述信号输入端用于接收外部驱动信号，所述信号输出端与所述功率开关管控制端相连，用于为所述功率开关管提供隔离驱动信号；短路/过流保护模块，与所述功率开关管的漏极相连，用于在所述功率开关管短路或过流时关闭所述功率开关管；米勒钳位模块，与所述功率开关管的驱动端相连，用于消除米勒效应；欠压保护模块，与所述驱动信号隔离模块和所述功率开关管之间的节点相连，用于输入电压欠压时，关闭所述隔离驱动信号对所述功率开关管的输入；以及过温保护模块，与所述驱动信号隔离模块和所述功率开关管之间的节点相连，用于根据所述驱动装置温度选择性关闭所述隔离驱动信号对所述功率开关管的输入。

进一步地，所述电压提供模块包括：DC-DC模块，所述DC-DC模块包括相互隔离的电压输入端和电压输出端，所述电压输入端与外部电压提供源相连，所述电压输出端与所述功率开关管相连，所述DC-DC模块用于将外部电压提供源的输入电压转换为所述功率开关管所需的电压。

进一步地，所述驱动信号隔离模块还包括：磁隔离装置，用于隔离所述信号输入端和所述信号输出端。

进一步地，所述短路/过流保护模块包括：短路/过流检测单元，用于检测所述功率开关管是否短路或者过流；软关断单元，用于在所述功率开关管短路或过流时关闭所述信号输入端的输入，以抑制所述开关管关闭高电压尖峰的产生；复位单元，用于在所述功率开关管短路或过流状态解除时接收外部输入的恢复信号，控制所述软关断单元停止关闭所述隔离驱动信号的输入。

进一步地，所述过温保护模块包括：温度检测单元，用于检测所述驱动装置的温度；驱动信号关闭单元，用于根据所述驱动装置温度选择性关闭所述隔离驱动信号对所述功率开关管的输入。

进一步地，所述功率开关管为碳化硅MOSFET或者氮化镓HEMT。

根据本实用新型实施例的用于功率开关管的驱动装置，驱动装置通过驱动电阻与功率开关管的控制端连接，功率开关管通过信号输出端接收开关关断信号，并在功率开关管短路或过流时，为短路/过流保护模块的输入单元提供关闭驱动信号输入，并启动软关断功能，使功率开关管不会因为短路/过流尖峰过高而损坏，使功率开关管能正常工作并在短路/过流情况下保护功率开关管，同时，驱动装置还具备副边欠压保护功能和过温保护功能，加强保护，从而提高功率开关管工作效率和靠高性，提高了产品竞争力，且成本较低。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本实用新型实施例的驱动装置的结构意图；

图2是根据本实用新型一个实施例的驱动装置的方框示意图；

图3是根据本实用新型另一个实施例的驱动装置的方框示意图；

图4-1是根据本实用新型一个具体实施例的驱动装置的输出开通时间波形示意图；

图4-2是根据本实用新型一个具体实施例的驱动装置的输出关断时间波形示意图；

图5是根据本实用新型一个具体实施例的短路保护时的波形示意图；

图6是根据本实用新型一个具体实施例的欠压保护时的波形示意图；

图7是根据本实用新型一个具体实施例的过温度保护时的波形示意图。

附图标记：

DC-DC模块10、驱动装置20、功率开关管30；短路/过流保护模块201、米勒钳位模块202、驱动信号隔离模块203、过温保护模块204、欠压保护模块205。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本实用新型的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本实用新型的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本实用新型的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本实用新型的实施例的范围不受此限制。相反，本实用新型的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

以下结合附图描述本实用新型。

图1是本实用新型一个实施例的用于功率开关管的驱动装置的结构框图。如图1所示，本实用新型实施例的用于功率开关管的驱动装置20，包括：电压提供模块、短路/过流保护模块201、米勒钳位模块202、驱动信号隔离模块203、过温保护模块204和欠压保护模块205。

其中，电压提供模块用于提供功率开关管所需的电压。在本实用新型的一个实施例中，电压提供模块包括：DC-DC模块，DC-DC模块包括相互隔离的电压输入端和电压输出端，电压输入端与外部电压提供源相连，电压输出端与功率开关管相连，DC-DC模块10将输入端的电压信号转化为合适的隔离电压VDD2，提供给驱动装置副边可用的电压信号，并提供了正负电压给功率开关管的控制端。其中，DC-DC模块10可包含在驱动装置20里面，或如图2所示由另外的隔离电压提供给驱动装置20的副边提供VDD2和功率开关管30的控制端的正负输入电压。

驱动装置20可与外部电压输入直接相连，并通过电源(例如LDO)给驱动装置20原边提供合适的VDD1和REDAY信号，并提供给短路/过流保护模块的F端、R端高电平，使得驱动装置20的原边可以正常接收外部驱动信号的输入；驱动装置20的IN端接收到驱动电压信号ON/OFF的驱动信号，则驱动装置20的驱动信号隔离模块203的信号输出端 OUT输出触发信号至功率开关管30的控制端G，并由DC-DC模块10提供+20V给到Ron、 -4V给到Roff以驱动功率开关管30开通或关断，使功率开关管30进入正常的工作状态。如图4-1和图4-2所示，在驱动装置输出on/off信号后，电路中的参数按照图示曲线发生变化，其中，开通上升时间tr为20ns，关断下降时间tf为18ns。

短路/过流保护模块201与功率开关管30的漏极相连，用于在功率开关管短路或过流时关闭功率开关管。

在本实用新型的一个实施例中，短路/过流保护模块201包括：短路/过流检测单元、软关断单元和复位单元。其中，短路/过流检测单元用于检测功率开关管是否短路或者过流。软关断单元用于在功率开关管短路或过流时关闭信号输入端的输入，以抑制所述开关管关闭高电压尖峰的产生。复位单元用于在功率开关管30短路或过流状态解除时接收外部输入的恢复信号，控制软关断单元停止关闭隔离驱动信号的输入。

具体地，短路/过流保护模块201监控端D通过D1与功率开关管30的输入端相连，短路/过流保护模块201的信号输出端与输出端F相连，短路/过流保护模块的复位端R与外部控制信号相连；当功率开关管30出现短路或过流信号时，监控端D会检测到极大的电流流过，保护功能被触发启动，并同时启动软关断功能，然后提供信号到输出端F，F端迅速拉低电平，使功率开关管不会因为短路/过流尖峰过高而损坏，并通过外部控制信号关闭驱动信号隔离模块202的输入信号；在监控端的异常状态信号消除后，输出端F将恢复到高电平，外部控制信号通过短路/过流保护模块201的输入端R输入一个重启的信号，重新启动驱动信号隔离单元203的输入信号，以使功率开关管30回复正常工作状态。

在本实用新型的一个实施例中，短路/过流保护模块201的输入端D与输出端F、输入端R相隔离；短路/过流保护模块201的D端通过一个隔离二极管D1与功率开关管30的输入端相连；当检测到短路信号时，如图5所示，外部控制信号输出保护信号，驱动信号关断，VDD1由5V降低到0V，则F端输出低电平，短路时间ts为1.5us，软关断时间tf 为254nS，母线电压为800V，短路尖峰只有870V左右；当短路信号放开时，由R端提供重启信号，驱动信号重新启动。

米勒钳位模块202直接通过R5与功率开关管30的控制端直接相连。能有效的消除米勒平台对功率开关管30驱动电压的影响。

如图3所示，在本实用新型的一个实施例中，驱动装置20的驱动信号隔离单元203的输入端IN与驱动信号隔离单元203的输出端OUT通过磁隔离装置相隔离。这样，既能有效的避免驱动输入端的弱点信号受到功率端的强电信号的干扰，也能极大的提高了实际操作人员的安全。

过温保护模块204与驱动信号隔离模块203和功率开关管30之间的节点相连，用于根据驱动装置20温度选择性关闭隔离驱动信号对功率开关管的输入。在本实用新型的一个实施例中，过温保护模块204包括：温度检测单元和驱动信号关闭单元。在本实用新型的一个示例中，过温保护模块204输出端与READY直接相连，如图7波形图所示，输出端拉低READY信号并关闭驱动信号的输入；如驱动装置20的温度低于125℃时，READY信号将回复高电平，重新接收驱动信号的输入。

欠压保护模块205与驱动信号隔离模块203和功率开关管30之间的节点相连，用于输入电压欠压时，关闭隔离驱动信号对功率开关管30的输入。当发生VDD2输入电压过低时，如图6所示，VDD2由+20V掉到11.1V时，输出端使READY信号变为低电平，驱动信号输入关闭；如VDD2电压高于11.5V,则READY信号恢复高电平，驱动隔离模块203重新接收驱动信号的输入。

根据本实用新型实施例的用于功率开关管的驱动装置，驱动信号隔离模块203通过 on/off电阻与功率开关管30的控制端连接，通过隔离二极管与功率开关管30的输入端相连，并且米勒钳位模块202直接与功率开关管30的控制端直接相连，驱动信号隔离模块203通过外部电压信号输入接收驱动信号，并根据驱动信号控制信号输出端输出触发信号至功率开关管30，以功率开关管开通或关断，以使功率开关管正常工作；并通过短路/过流保护模块201、欠压保护模块205和过温保护模块204检测到的异常信号时，快速传递信号，及时的关闭驱动电压信号的输入，保护功率开关管，并在异常状态消除时，接收重启信号，使功率开关管能自动的回复正常工作，从而提高功率开关管工作效率和靠高性，提高了产品竞争力，且成本较低。

另外，本实用新型实施例的用于功率开关管的驱动装置的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (6)

1.一种用于功率开关管的驱动装置，其特征在于，包括：

电压提供模块，用于提供功率开关管所需的电压；

驱动信号隔离模块，所述驱动信号隔离模块包括相互隔离的信号输入端和信号输出端，所述信号输入端用于接收外部驱动信号，所述信号输出端与所述功率开关管控制端相连，用于为所述功率开关管提供隔离驱动信号；

短路/过流保护模块，与所述功率开关管的漏极相连，用于在所述功率开关管短路或过流时关闭所述功率开关管；

米勒钳位模块，与所述功率开关管的驱动端相连，用于消除米勒效应；

欠压保护模块，与所述驱动信号隔离模块和所述功率开关管之间的节点相连，用于输入电压欠压时，关闭所述隔离驱动信号对所述功率开关管的输入；以及

过温保护模块，与所述驱动信号隔离模块和所述功率开关管之间的节点相连，用于根据所述驱动装置温度选择性关闭所述隔离驱动信号对所述功率开关管的输入。

2.根据权利要求1所述的用于功率开关管的驱动装置，其特征在于，所述电压提供模块包括：

DC-DC模块，所述DC-DC模块包括相互隔离的电压输入端和电压输出端，所述电压输入端与外部电压提供源相连，所述电压输出端与所述功率开关管相连，所述DC-DC模块用于将外部电压提供源的输入电压转换为所述功率开关管所需的电压。

3.根据权利要求1所述的用于功率开关管的驱动装置，其特征在于，所述驱动信号隔离模块还包括：

磁隔离装置，用于隔离所述信号输入端和所述信号输出端。

4.根据权利要求1所述的用于功率开关管的驱动装置，其特征在于，所述短路/过流保护模块包括：

短路/过流检测单元，用于检测所述功率开关管是否短路/过流；

软关断单元，用于在所述功率开关管短路或过流时关闭所述信号输入端的输入，以抑制所述开关管关闭高电压尖峰的产生；

复位单元，用于在所述功率开关管短路或过流状态解除时接收外部输入的恢复信号，控制所述软关断单元停止关闭所述隔离驱动信号的输入。

5.根据权利要求1所述的用于功率开关管的驱动装置，其特征在于，所述过温保护模块包括：

温度检测单元，用于检测所述驱动装置的温度；

驱动信号关闭单元，用于根据所述驱动装置温度选择性关闭所述隔离驱动信号对所述功率开关管的输入。

6.根据权利要求1所述的用于功率开关管的驱动装置，其特征在于，所述功率开关管为碳化硅MOSFET或者氮化镓HEMT。