CN216216505U - 一种应用在桥臂电路中的并联开关管驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种应用在桥臂电路中的并联开关管驱动装置，包括第一驱动板和第二驱动板，所述第一驱动板上设置桥臂电路中高边的四个并联开关管和第一驱动电路，所述第二驱动板上设置桥臂电路中低边的四个并联开关管和第二驱动电路，所述第一驱动板和第二驱动板平行布置并且中间通过环氧板隔离，第一驱动电路中的线路到桥臂电路中高边的四个并联开关管的距离相等，第二驱动电路中的线路到桥臂电路中低边的四个并联开关管的距离相等；本实用新型的优点在于：有效降低栅极振荡并减少了驱动电压串扰风险。
Description
技术领域
本实用新型涉及电力电子领域，更具体涉及一种应用在桥臂电路中的并联开关管驱动装置。
背景技术
目前，在高功率密度的大功率电源应用中，由于输出高电压，大电流的特征，开关管会被多个并联地应用在桥臂拓扑中，很多场合更是会使用宽禁带器件，比如碳化硅场效应管作为其开关管。而不论是多管并联的应用还是碳化硅场效应管的应用，在桥臂串联电路中，高速开关的碳化硅器件在其快速开关的瞬态过程中，寄生参数带来的副作用将会更加明显和恶劣，而寄生参数除了来自碳化硅场效应管本身的工艺原因，还有来自驱动电路的印刷电路板布板造成的驱动回路上的分布电感和杂散电容。对于这类应用的印刷电路板的驱动回路画板，只能尽可能较小驱动回路，尽可能对并联的各个开关管的驱动线等长布板，并且在这个基础上还要保证桥臂电路中上下管驱动电路的安规距离。
目前的技术难点在于，碳化硅开关管并联的应用中，驱动电路布板带来的寄生参数会和碳化硅开关管本身的寄生参数相结合，从而造成最严重的两个问题：串联谐振导致的栅极振荡，分布电容导致的栅源电压串扰。它们都会造成桥臂电路开关过程中上下管同时导通，而桥臂直通则肯定会损坏开关管。
并且多管并联的时候，桥臂驱动板的布板需要考虑到桥臂上下管之间的安全电压和爬电距离，以及并联的管子之间的均流特性，相比单管的驱动电路布板，桥臂上下管的驱动回路会更长，驱动回路在印刷电路板的不同物理层之间的重叠区域也更多，这增加了寄生电感以及上下管漏极源级之间，漏极栅极之间的分布电容。这样会加重栅极振荡和栅源驱动电压串扰的风险。另外这样布板的难度很高，印刷电路板的层数相比单管驱动电路板会增加一倍到两倍，而布板面积又会比单管的驱动电路布板面积乘以并联开关管数量还要大更多。这也增加了印刷电路板成本和布板设计难度。
一般来说对于上述问题的改善方式是如下几种：1)减小驱动电阻，用于减小栅源电压串扰，但是会带来加重栅极振荡的风险，2)增加栅源电容，用于减小栅源电压串扰，但是这会增加开关损耗，3)给碳化硅开关管加负压驱动，这个不管是单管应用还是多管并联应用的场合，大多数碳化硅开关管都要求这样设计驱动，它也不能有效解决开关管并联使用的时候由于布板问题导致的驱动串扰以及栅极振荡。4)给碳化硅驱动加米勒钳位电路，这个能有效抑制驱动串扰，但是无法应用在碳化硅开关管并联使用的场合。
综上所述，目前还没有有效降低栅极振荡和驱动串扰风险的应用在桥臂电路中的并联开关管驱动装置。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于现有技术缺乏有效降低栅极振荡和驱动串扰风险的应用在桥臂电路中的并联开关管驱动装置。
本实用新型通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种应用在桥臂电路中的并联开关管驱动装置，包括第一驱动板和第二驱动板，所述第一驱动板上设置桥臂电路中高边的四个并联开关管和第一驱动电路，所述第二驱动板上设置桥臂电路中低边的四个并联开关管和第二驱动电路，所述第一驱动板和第二驱动板平行布置并且中间通过环氧板隔离，第一驱动电路中的线路到桥臂电路中高边的四个并联开关管的距离相等，第二驱动电路中的线路到桥臂电路中低边的四个并联开关管的距离相等。
本实用新型第一驱动电路中的线路到桥臂电路中高边的四个并联开关管的距离相等，第二驱动电路中的线路到桥臂电路中低边的四个并联开关管的距离相等，不存在驱动线路特别长的那个个体，有效降低了驱动线路寄生电感，从而有效降低栅极振荡；所述第一驱动板和第二驱动板平行布置并且中间通过环氧板隔离，使得桥臂中的第一驱动板和第二驱动板之间的分布电容极大的降低，减少了桥臂电路中驱动电压串扰风险。
进一步地，所述第一驱动板和第二驱动板的下边缘均交错设置四个空槽，第一驱动板上的每个开关管分别一一对应嵌入第二驱动板的空槽内，第二驱动板上的每个开关管分别一一对应嵌入第一驱动板的空槽内。
进一步地，所述第一驱动电路包括第一隔离驱动器、第一驱动增强器和第一接头，所述第一接头接收驱动信号，第一接头与第一隔离驱动器电连接，第一隔离驱动器与第一驱动增强器电连接，第一驱动增强器与桥臂电路中高边的四个并联开关管的栅极连接；所述第二驱动电路包括第二隔离驱动器、第二驱动增强器和第二接头，第二接头接收驱动信号，第二接头与第二隔离驱动器电连接，第二隔离驱动器与第二驱动增强器电连接，第二驱动增强器与桥臂电路中低边的四个并联开关管的栅极连接。
更进一步地，所述第一隔离驱动器和第二隔离驱动器均为隔离变压器，第一驱动增强器和第二驱动增强器均为电阻。
更进一步地，所述第一隔离驱动器和第一驱动增强器居中放置在所述第一驱动板上，所述第二隔离驱动器和第二驱动增强器居中放置在所述第二驱动板上。
更进一步地，所述应用在桥臂电路中的并联开关管驱动装置还包括隔离电源，所述第一隔离驱动器以及第二隔离驱动器均与隔离电源连接。
更进一步地，所述应用在桥臂电路中的并联开关管驱动装置还包括散热器，所述散热器与所述第一驱动板以及第二驱动板平行设置且位于外侧，每个所述开关管的源极散热面贴合在散热器上。
进一步地，所述第一驱动板、第二驱动板以及环氧板之间通过螺栓纵向固定连接。
进一步地，所述应用在桥臂电路中的并联开关管驱动装置还包括前级滤波电路，所述前级滤波电路包括顺序编号的电容C1至电容C4、电阻R1以及电阻R2，所述电容C1的一端、电容C2的一端以及电阻R1的一端连接并与桥臂电路中高边的四个并联开关管的一侧并联端连接，电容C1的另一端、电容C2的另一端、电阻R1的另一端、电容C3的一端、电容C4的一端以及电阻R2的一端均连接，电容C3的另一端、电容C4的另一端以及电阻R2的另一端连接并与桥臂电路中低边的四个并联开关管的一侧并联端连接。
更进一步地，所述应用在桥臂电路中的并联开关管驱动装置还包括后级滤波电路，所述后级滤波电路包括电容C5、电容C6、电阻R3、电阻R4以及电感L，所述电感L的一端与桥臂电路中高边的四个并联开关管的另一侧并联端连接，电感L的另一端、电容C5的一端以及电阻R3的一端连接，电容C5的另一端、电阻R3的另一端、电容C6的一端以及电阻R4的一端连接，电容C6的另一端以及电阻R4的另一端连接并与桥臂电路中低边的四个并联开关管的另一侧并联端连接。
本实用新型的优点在于：
(1)本实用新型第一驱动电路中的线路到桥臂电路中高边的四个并联开关管的距离相等，第二驱动电路中的线路到桥臂电路中低边的四个并联开关管的距离相等，不存在驱动线路特别长的那个个体，有效降低了驱动线路寄生电感，从而有效降低栅极振荡；所述第一驱动板和第二驱动板平行布置并且中间通过环氧板隔离，使得桥臂中的第一驱动板和第二驱动板之间的分布电容极大的降低，减少了桥臂电路中驱动电压串扰风险。
(2)本实用新型相当于将一块桥臂多管驱动板拆分成空间上可以几乎重叠的两块驱动板也即第一驱动板和第二驱动板，极大降低了印刷电路板面积，减小电路板设计成本，降低电路板的布板设计难度。
附图说明
图1为本实用新型实施例所公开的一种应用在桥臂电路中的并联开关管驱动装置的立体结构示意图；
图2为本实用新型实施例所公开的一种应用在桥臂电路中的并联开关管驱动装置的仰视图；
图3为本实用新型实施例所公开的一种应用在桥臂电路中的并联开关管驱动装置的正视图；
图4为本实用新型实施例所公开的一种应用在桥臂电路中的并联开关管驱动装置的电路原理图；
图5为本实用新型实施例所公开的一种应用在桥臂电路中的并联开关管驱动装置的寄生参数示意图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实施例是将八个碳化硅场效应管(Infineon公司的IMZ120R045M1)组合成一个70kHz开关速率的BUCK降压电路，应用在800V输入的场景。其中四个开关管4并联构成上管组合也即桥臂电路中高边的四个并联开关管4，另外四个开关管4并联构成下管组合也即桥臂电路中低边的四个并联开关管4。将上管组合和下管组合交错排列成一排，它们的功率引脚(漏极和源极)焊接在功率电路板上，驱动引脚(栅极和另一个源极)分别焊接在两块驱动板上，八个开关管4的源极散热面贴合在散热器3上。具体的上下管驱动模组安装图如图1至图3所示，电路原理图如图4所示，以下详细介绍本实用新型的机械结构以及电路结构。
如图1至图3所示，一种应用在桥臂电路中的并联开关管驱动装置，包括第一驱动板1、第二驱动板2以及散热器3，所述第一驱动板1上设置桥臂电路中高边的四个并联开关管4和第一驱动电路，所述第二驱动板2上设置桥臂电路中低边的四个并联开关管4和第二驱动电路，所述第一驱动板1和第二驱动板2平行布置并且中间通过环氧板(图未示)隔离，第一驱动电路中的线路到桥臂电路中高边的四个并联开关管4的距离相等，第二驱动电路中的线路到桥臂电路中低边的四个并联开关管4的距离相等。所述散热器3与所述第一驱动板1以及第二驱动板2平行设置且位于外侧，每个所述开关管4的源极散热面贴合在散热器3上。所述第一驱动板1、第二驱动板2以及环氧板之间通过螺栓纵向固定连接。
继续参阅图1，所述第一驱动板1和第二驱动板2的下边缘均交错设置四个空槽5，第一驱动板1上的每个开关管4分别一一对应嵌入第二驱动板2的空槽5内，第二驱动板2上的每个开关管4分别一一对应嵌入第一驱动板1的空槽5内。
继续参阅图1，所述第一驱动电路包括第一隔离驱动器(图未示)、第一驱动增强器(图未示)和第一接头101，所述第一接头101接收驱动信号，第一接头101与第一隔离驱动器电连接，第一隔离驱动器与第一驱动增强器电连接，第一驱动增强器与桥臂电路中高边的四个并联开关管4的栅极连接；所述第二驱动电路包括第二隔离驱动器201、第二驱动增强器202和第二接头203，第二接头203接收驱动信号，驱动信号由DSP控制板提供，第二接头203与第二隔离驱动器201电连接，第二隔离驱动器201与第二驱动增强器202电连接，第二驱动增强器202与桥臂电路中低边的四个并联开关管4的栅极连接。所述第一隔离驱动器和第一驱动增强器居中放置在所述第一驱动板1上，所述第二隔离驱动器201和第二驱动增强器202居中放置在所述第二驱动板2上。所述第一隔离驱动器以及第二隔离驱动器201均与隔离电源204连接。
如图4所示，所述第一隔离驱动器和第二隔离驱动器201均为隔离变压器，第一驱动增强器和第二驱动增强器202均为电阻。桥臂电路中高边的四个并联开关管4依次为开关管Q1至开关管Q4，桥臂电路中低边的四个并联开关管4依次为开关管Q5至开关管Q8。
继续参阅图4，所述应用在桥臂电路中的并联开关管驱动装置还包括前级滤波电路，所述前级滤波电路包括顺序编号的电容C1至电容C4、电阻R1以及电阻R2，所述电容C1的一端、电容C2的一端以及电阻R1的一端连接并与桥臂电路中高边的四个并联开关管4的一侧并联端连接，电容C1的另一端、电容C2的另一端、电阻R1的另一端、电容C3的一端、电容C4的一端以及电阻R2的一端均连接，电容C3的另一端、电容C4的另一端以及电阻R2的另一端连接并与桥臂电路中低边的四个并联开关管4的一侧并联端连接。
继续参阅图4，所述应用在桥臂电路中的并联开关管驱动装置还包括后级滤波电路，所述后级滤波电路包括电容C5、电容C6、电阻R3、电阻R4以及电感L，所述电感L的一端与桥臂电路中高边的四个并联开关管4的另一侧并联端连接，电感L的另一端、电容C5的一端以及电阻R3的一端连接，电容C5的另一端、电阻R3的另一端、电容C6的一端以及电阻R4的一端连接，电容C6的另一端以及电阻R4的另一端连接并与桥臂电路中低边的四个并联开关管4的另一侧并联端连接。
关于本实用新型桥臂电路中的驱动板的寄生参数示意图如图5，这些寄生参数造成栅极振荡和栅源极驱动电压串扰。其中布板造成的寄生电感L2会影响栅极电压振荡，显而易见的是当这个电感量增加时，下管的关断电压发生振荡的概率会增加。布板造成的分布电容Cgd2会影响栅源极串扰电压，造成这个串扰电压的根本原因即是上管开通时，上管电流Ids通过下管Cgd//Cgd2(表示Cgd和Cgd2并联)的结电容从A点电位对B点电位进行充电的过程(公式1和公式2)，而根据基尔霍夫第一定律，节点B的进出电流必须平衡可得公式3，结合公式1至公式3会得到一个关于栅源极串扰电压Ub的一阶线性非齐次方程，解方程可得公式4，从公式4中可以看出，Cgd2的增加会导致下管的栅极串扰电压Ub变大，所以要尽力降低布板造成的寄生参数，所以本实用新型通过将驱动线路到开关管4的距离设置成大致相等，降低了驱动线路寄生电感，第一驱动板1和第二驱动板2平行布置并且中间通过环氧板隔离，使得桥臂中的第一驱动板1和第二驱动板2之间的分布电容极大的降低，其中，各公式在下文列举，Ua表示A点电压，Ub表示B点电压也即下管的栅极串扰电压。
公式1：
Cgd1＝Cgd//Cgd2
公式2：
igd＝Cgd1×d(Ua-Ub)/dt
公式3：
igd＝Ub/Rg+Cgs×dUb/dt
公式4：
Ub＝RgxCgd1×{1-e(-t/(Rg×(Cgd1+Cgs))}×ΔUa/Δt
通过以上技术方案，本实用新型第一驱动电路中的线路到桥臂电路中高边的四个并联开关管4的距离相等，第二驱动电路中的线路到桥臂电路中低边的四个并联开关管4的距离相等，不存在驱动线路特别长的那个个体，有效降低了驱动线路寄生电感，从而有效降低栅极振荡；所述第一驱动板1和第二驱动板2平行布置并且中间通过环氧板隔离，使得桥臂中的第一驱动板1和第二驱动板2之间的分布电容极大的降低，减少了桥臂电路中驱动电压串扰风险。
以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种应用在桥臂电路中的并联开关管驱动装置，其特征在于，包括第一驱动板和第二驱动板，所述第一驱动板上设置桥臂电路中高边的四个并联开关管和第一驱动电路，所述第二驱动板上设置桥臂电路中低边的四个并联开关管和第二驱动电路，所述第一驱动板和第二驱动板平行布置并且中间通过环氧板隔离，第一驱动电路中的线路到桥臂电路中高边的四个并联开关管的距离相等，第二驱动电路中的线路到桥臂电路中低边的四个并联开关管的距离相等。
2.根据权利要求1所述的一种应用在桥臂电路中的并联开关管驱动装置，其特征在于，所述第一驱动板和第二驱动板的下边缘均交错设置四个空槽，第一驱动板上的每个开关管分别一一对应嵌入第二驱动板的空槽内，第二驱动板上的每个开关管分别一一对应嵌入第一驱动板的空槽内。
3.根据权利要求1所述的一种应用在桥臂电路中的并联开关管驱动装置，其特征在于，所述第一驱动电路包括第一隔离驱动器、第一驱动增强器和第一接头，所述第一接头接收驱动信号，第一接头与第一隔离驱动器电连接，第一隔离驱动器与第一驱动增强器电连接，第一驱动增强器与桥臂电路中高边的四个并联开关管的栅极连接；所述第二驱动电路包括第二隔离驱动器、第二驱动增强器和第二接头，第二接头接收驱动信号，第二接头与第二隔离驱动器电连接，第二隔离驱动器与第二驱动增强器电连接，第二驱动增强器与桥臂电路中低边的四个并联开关管的栅极连接。
4.根据权利要求3所述的一种应用在桥臂电路中的并联开关管驱动装置，其特征在于，所述第一隔离驱动器和第二隔离驱动器均为隔离变压器，第一驱动增强器和第二驱动增强器均为电阻。
5.根据权利要求3所述的一种应用在桥臂电路中的并联开关管驱动装置，其特征在于，所述第一隔离驱动器和第一驱动增强器居中放置在所述第一驱动板上，所述第二隔离驱动器和第二驱动增强器居中放置在所述第二驱动板上。
6.根据权利要求3所述的一种应用在桥臂电路中的并联开关管驱动装置，其特征在于，还包括隔离电源，所述第一隔离驱动器以及第二隔离驱动器均与隔离电源连接。
7.根据权利要求1所述的一种应用在桥臂电路中的并联开关管驱动装置，其特征在于，还包括散热器，所述散热器与所述第一驱动板以及第二驱动板平行设置且位于外侧，每个所述开关管的源极散热面贴合在散热器上。
8.根据权利要求1所述的一种应用在桥臂电路中的并联开关管驱动装置，其特征在于，所述第一驱动板、第二驱动板以及环氧板之间通过螺栓纵向固定连接。
9.根据权利要求1所述的一种应用在桥臂电路中的并联开关管驱动装置，其特征在于，还包括前级滤波电路，所述前级滤波电路包括顺序编号的电容C1至电容C4、电阻R1以及电阻R2，所述电容C1的一端、电容C2的一端以及电阻R1的一端连接并与桥臂电路中高边的四个并联开关管的一侧并联端连接，电容C1的另一端、电容C2的另一端、电阻R1的另一端、电容C3的一端、电容C4的一端以及电阻R2的一端均连接，电容C3的另一端、电容C4的另一端以及电阻R2的另一端连接并与桥臂电路中低边的四个并联开关管的一侧并联端连接。
10.根据权利要求9所述的一种应用在桥臂电路中的并联开关管驱动装置，其特征在于，还包括后级滤波电路，所述后级滤波电路包括电容C5、电容C6、电阻R3、电阻R4以及电感L，所述电感L的一端与桥臂电路中高边的四个并联开关管的另一侧并联端连接，电感L的另一端、电容C5的一端以及电阻R3的一端连接，电容C5的另一端、电阻R3的另一端、电容C6的一端以及电阻R4的一端连接，电容C6的另一端以及电阻R4的另一端连接并与桥臂电路中低边的四个并联开关管的另一侧并联端连接。
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