一種浮置柵極驅(qū)動電源的隔離電源電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種用于浮置柵極驅(qū)動器的隔離電源電路，為逆變器的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和雙擴散金屬氧化物半導(dǎo)體(DMOS)晶體管的柵極驅(qū)動器提供隔離電源。驅(qū)動電路給接收一個控制電壓的隔離柵極驅(qū)動器提供電源，并在響應(yīng)于該控制電壓，使用來自驅(qū)動電路的功率輸出耦合到隔離柵雙極型晶體管的柵極控制信號。該驅(qū)動電路包括耦接于電源電壓、耦接于啟動電路及諧振電路的整流電路，以及具有邏輯輸出的功率信號，以及在一個共同節(jié)點上隔離柵極驅(qū)動電路。根據(jù)本發(fā)明的一個電路，給IGBT和DMOS晶體管的柵極驅(qū)動器提供一個簡單、有效和經(jīng)濟的隔離電源，如那些使用于電機的逆變器，不間斷電源系統(tǒng)，和其他設(shè)備所使用的逆變器。絕緣柵極的電位相對于地是浮動。
【專利說明】
一種浮置柵極驅(qū)動電源的隔離電源電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及電源領(lǐng)域，具體是一種使用于隔離柵極驅(qū)動器的電源驅(qū)動電路。
【背景技術(shù)】
[0002]柵極驅(qū)動器是一個接口電路用于提供控制電壓(及此產(chǎn)生的電流)給雙金屬氧化物半導(dǎo)體(DMOS)和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)器件用來驅(qū)動電機和其他設(shè)備。在操作期間，該柵極驅(qū)動器的輸入可以被一個邏輯電平信號或其他一些低電平信號帶動。一個隔離柵極驅(qū)動器是一種特殊的柵極驅(qū)動器，就是輸入與輸出之間被隔離的，除此之外電路具有典型的柵極驅(qū)動器的特性。
[0003]隔離柵極驅(qū)動器普遍需要隔離電源。當(dāng)電機驅(qū)動電路使用柵極驅(qū)動器時，每一個IGBT都要使用一個隔離電源，加起來共六個之多。這種多個電源的設(shè)計方案電路復(fù)雜高，因而增加了設(shè)計困難和生產(chǎn)成本，降低了電路的可靠性和產(chǎn)品壽命。每個隔離電源電路的布線節(jié)點常帶有高速切換信號會如天線一樣造成射頻干擾(RFI)，不利于在驅(qū)動電路附近的內(nèi)部電路和射頻接收的正常工作。之前提議有兩個解決方案，一個使用直流到直流(DC/DC)轉(zhuǎn)換器，另一個使用電荷栗。該直流到直流轉(zhuǎn)換器具有較高的效率(90 % -80 %轉(zhuǎn)換效率)，但它相對體積大、復(fù)雜和成本價格昂貴。而電荷栗相對簡單和經(jīng)濟，但是轉(zhuǎn)換效率低，只有40%。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種高轉(zhuǎn)換率的浮置柵極驅(qū)動器的隔離電源電路，以解決上述【背景技術(shù)】中指出的問題。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0006]—種浮置柵極驅(qū)動電源的隔離電源電路，包括電壓源V1、電壓源V2、控制電壓V3、隔離式柵極驅(qū)動器ICl和隔離式柵極驅(qū)動器IC2。所述電壓源Vl正極分別連接二極管D2負(fù)極、電阻RlO、電感L14和三極管VTl集電極，電感L14另一端連接電容C3，電容C3另一端分別連接電阻RlO另一端、二極管Dll負(fù)極和二極管D12正極，二極管D12負(fù)極分別連接隔離式柵極驅(qū)動器ICl的VCC端和電容C13，隔離式柵極驅(qū)動器ICl的INP端通過電阻R5連接到控制電壓V3正極，控制電壓V3負(fù)極連接隔離式柵極驅(qū)動器ICl的INN端并接地，隔離式柵極驅(qū)動器ICl的OUT端連接三極管VTl基極，隔離式柵極驅(qū)動器ICl的COM端分別連接電容C13另一端、二極管Dll正極、三極管VTl發(fā)射極、電阻R9、電感L15、三極管VT2集電極、二極管D2正極、電感LI和二極管D4負(fù)極，電感LI另一端連接接地電阻Rl，二極管D4正極分別連接電壓源V2負(fù)極、三極管VT2發(fā)射極、二極管D13正極、電容C6和隔離式柵極驅(qū)動器ICl的COM端，電壓源V2正極連接電壓源Vl負(fù)極并接地，所述隔離式柵極驅(qū)動器ICl的OUT端連接三極管VT2基極，隔離式柵極驅(qū)動器ICl的VCC端分別連接二極管D14負(fù)極和電容C6另一端，二極管D14正極分別連接電阻R9另一端、二極管D13負(fù)極和電容C5，電容C5另一端連接電感L15另一端。
[0007]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:根據(jù)本發(fā)明的一個電路，給IGBT和DMOS晶體管的柵極驅(qū)動器提供一個簡單、有效、和經(jīng)濟的隔離電源，如那些使用于電機的逆變器，不間斷電源系統(tǒng)，和其他設(shè)備所使用的逆變器。
【附圖說明】
[0008]圖1為根據(jù)本發(fā)明用于驅(qū)動電機的三個功率控制電路的框圖；
[0009]圖2為圖1中的一個功率控制電路框圖；
[0010]圖3為圖2的功率控制電路的詳細(xì)示意圖；
[0011]圖4為顯示來自在操作圖3該功率控制電路上的信號波形在不同的節(jié)點上的定時圖；
[0012]圖5為本發(fā)明的另一實施例的一個整流電路的示意圖。
【具體實施方式】
[0013]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0014]請參閱圖1?5，本發(fā)明實施例中，一種浮置柵極驅(qū)動電源的隔離電源電路，包括電壓源V1、電壓源V2、控制電壓V3、隔離柵極驅(qū)動器ICl和隔離柵極驅(qū)動器IC2，所述電壓源Vl正極分別連接二極管D2負(fù)極、電阻RlO、電感L14和三極管VTl集電極，電感L14另一端連接電容C3，電容C3另一端分別連接到電阻RlO另一端、二極管Dll負(fù)極和二極管D12正極，二極管D12負(fù)極分別連接隔離柵極驅(qū)動器ICl的VCC端和電容C13，隔離柵極驅(qū)動器ICl的INP端通過電阻R5連接電壓源V3正極，電壓源V3負(fù)極連接隔離柵極驅(qū)動器ICl的INN端并接地，隔離柵極驅(qū)動器ICl的OUT端連接三極管VTl基極，隔離柵極驅(qū)動器ICl的COM端分別連接電容C13另一端、二極管Dll正極、三極管VTl發(fā)射極、電阻R9、電感L15、三極管VT2集電極、二極管D2正極、電感LI和二極管D4負(fù)極，電感LI另一端連接接地電阻Rl，二極管D4正極分別連接電壓源V2負(fù)極、三極管VT2發(fā)射極、二極管D13正極、電容C6和隔離柵極驅(qū)動器ICl的COM端，電壓源V2正極連接電壓源Vl負(fù)極并接地，所述隔離柵極驅(qū)動器ICl的OUT端連接三極管VT2基極，隔離柵極驅(qū)動器ICl的VCC端分別連接二極管D14負(fù)極和電容C6另一端，二極管D14正極分別連接電阻R9另一端、二極管D13負(fù)極和電容C5，電容C5另一端連接電感L15另一端。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的一個電路，為IGBT和DMOS晶體管的柵極驅(qū)動器提供了一個簡單、高效、和經(jīng)濟的隔離電源，如那些電機驅(qū)動器(VSD)，不間斷電源系統(tǒng)(UPS)，和其他設(shè)備所使用的逆變器。隔離柵極的電源相對于地是浮動(即它在柵極驅(qū)動器的控制輸入口是獨立的電位，它可以連接到一個微控制器或單片機)。
[0016]本發(fā)明的工作原理是:請參閱圖1?5，
[0017]圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明用于驅(qū)動電機構(gòu)建的三個功率控制電路(I，2，3)，這個功率控制電路包含下面進一步詳細(xì)描述的本發(fā)明的具體體現(xiàn)。
[0018]這功率控制電路從一個馬達控制器(未示出)接收輸入(I，2，3)，并產(chǎn)生多個輸出去驅(qū)動各個電機器件元素。
[0019]圖2顯示出的圖1的功率控制電路I的詳細(xì)視圖。由于功率控制電路2和3與功率控制電路I類似，不再對其重復(fù)作詳細(xì)的討論和分析。功率控制電路I在輸入I端接收兩個控制信號(CTL1和CTL2)。該控制信號是耦合到兩個絕緣的柵極驅(qū)動(IGD)220和222。根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)造，這兩個IGD被耦合到兩個驅(qū)動電路(224和226)。兩個絕緣柵雙極晶體管(228和230)被耦合到兩個驅(qū)動(224和226)和隔離柵極驅(qū)動器(220和222)，以產(chǎn)生一個輸出232，其可以耦合到負(fù)載，例如在圖1的這個馬達上的一個器件元素。
[0020]圖3是圖2中的功率控制電路I的示意圖。這個電路I使用“諧振轉(zhuǎn)換器”原理，是一個既簡單又經(jīng)濟和高效率的轉(zhuǎn)換解決方案。更好的是，該電路I包含的一個上層電路102和一個下層電路104都是由同等值的元器件組成，既是上層電路和下層電路是一致的。在這種情況下，只需要詳細(xì)說明這兩個電路的其中一個。在電路I中，電阻RlO，電感器LI 4，電容器C13，二極管dplal2，二極管dplall和電容C3為一個上層?xùn)艠O驅(qū)動器108提供電源;而電阻器R9，電感器L15，電容器C6，二極管dplal3，二極管dplal4和電容C5為下層?xùn)艠O驅(qū)動器130提供電源。
[0021]這個上層電路102包括一個控制電壓106，一個上層?xùn)艠O驅(qū)動電路108，啟動電路110，一個諧振轉(zhuǎn)換器112和一個整流電路114。柵極驅(qū)動108的輸出116是耦合到IGBT 118。上層電路102經(jīng)由一個正極電源軌122耦合到第一個供電電源120，同時下層電路104是經(jīng)由在IGBT128的一個負(fù)極電源軌126耦合到第二個供電電源124。這個控制電壓106既是圖2中提出的CTLl電壓，其可以從單片機或其他電路衍生。
[0022]這個控制電壓106可被調(diào)整到有可選性的脈沖寬度(即接通時間和關(guān)閉時間)，使電路(在節(jié)點5)的輸出可以通過控制來選擇開關(guān)時間。控制電壓106和控制電壓107可以通過調(diào)節(jié)使得上層電路102和下層電路104交替開關(guān)的時間不出現(xiàn)重疊，從而允許輸出去模擬輸入。這兩個控制電壓(106，107)只有幾伏的電壓電平，而在節(jié)點5的輸出會是一個有相似波形但相對高得多的電壓電平。
[0023]電路I可以根據(jù)一個啟動狀態(tài)和一個穩(wěn)態(tài)來描述。在啟動時，柵極驅(qū)動108的電源是由啟動電路110的電阻器RlO供給。在啟動后，諧振變換器112接管并會提供高于啟動電源的電源。這個柵極驅(qū)動108在啟動時需要較少的電源，在穩(wěn)定(運行)狀態(tài)需要較大的電源。多個IGBTs(118，128)開始切換后，從來自控制電壓的輸入他們會在節(jié)點5產(chǎn)生一個方波。IGBTl 118兩端的電壓相當(dāng)于正軌102(+170伏)和節(jié)點5之間的電壓差。方波在節(jié)點5的振幅是340伏，并也是諧振轉(zhuǎn)換器112的輸入。當(dāng)電壓從O伏切換到340伏時，電流將通過電感L14，電容C3，二極管dplal2將C13充電至正極電壓。該上述電流將會將C3的正極端充電到340伏以上。在此刻，電流會開始反向流動。在同一時間，電流環(huán)路通過二極管dplall會關(guān)閉。在接下來的半個周期中，通過二極管dplall電流再次逆轉(zhuǎn)，再次給C13充電。這種振蕩將會持續(xù)，直到在串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器112 (L14，C3)的能量被轉(zhuǎn)移到Cl 3。
[0024]切換IGBT118的功率與開關(guān)頻率成正比，并且諧振轉(zhuǎn)換器112傳送的功率也是和開關(guān)頻率成正比的。多個諧振轉(zhuǎn)換器，比如諧振轉(zhuǎn)換器112，都是由帶有短升降時間的脈沖波形(在一種情況下脈沖波形為方波)驅(qū)動。電流會流過串聯(lián)LC網(wǎng)絡(luò)(L14，C3)和驅(qū)動信號在每一次轉(zhuǎn)變中的負(fù)荷。這個電路在其共振的自然頻率比脈沖頻率高。由于能量轉(zhuǎn)移發(fā)生在切換時，輸出的功率與頻率成正比。這使得在電源的需求和供給之間提供了理想的跟蹤。
[0025]圖4顯示的是與圖3中的電路運作相關(guān)的信號波形。圖4中的信號波形顯示了圖3中不同節(jié)點的電壓振幅與時間(微秒單位)繪制的。例如，波形202顯示了在節(jié)點7和節(jié)點5之間的電壓，波形204顯示了在節(jié)點8上的電壓，波形206顯示了在節(jié)點10和節(jié)點9之間的電壓，波形208顯示了在節(jié)點11和節(jié)點5之間的電壓，波形210顯示了在節(jié)點6和節(jié)點5之間的電壓，以及波形212顯示了在節(jié)點5上的電壓。波形212是相似于控制電壓106的波形，但是控制電壓的電平都是很低(0-15伏)。
[0026]圖5顯示整流器電路114的另一個實施例，在有必要的情況下或許能用于提供負(fù)極驅(qū)動。為了清楚起見，在圖5中只復(fù)述了圖3中部分相關(guān)的示意圖。
[0027]在整流器電路114中，二極管dplall不返回到公共節(jié)點(5)，反而是耦合到另一個電容C300。這個電容器C300的另一端耦合到公共節(jié)點5上。因此，如顯示在圖5中的負(fù)節(jié)點Vss被產(chǎn)生了。一個齊納二極管Z302也被耦合在公共節(jié)點5與Vss之間。因此，一個柵極驅(qū)動器108也被連接到Vss。其結(jié)果是，柵極驅(qū)動器的輸出116可以提供正反兩級控制電壓。在一個實施例中，齊納二極管可具有在約6至8伏范圍的擊穿電壓。
[0028]本發(fā)明給電源提供一個低成本的電路可避免過多和復(fù)雜的線路，并可置其于柵極驅(qū)動器和IGBT的連接處。對于那些掌握了一定技能的人士來說，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，對上述的方法和實施例進行修改或更改是有可能發(fā)生。因此，此處的披露和描述旨在示例而不限制本發(fā)明的范圍提出以下的聲明。
[0029]本發(fā)明聲明是:
[0030]I。一種驅(qū)動電路，用于向隔離柵極驅(qū)動器提供電源，其中隔離柵極驅(qū)動器接收一個控制電壓，并且在響應(yīng)于此控制電壓時，使用來自驅(qū)動電路的功率輸出連接到隔離柵雙極晶體管(IGBT)的柵極控制信號，該驅(qū)動電路包括:
[0031 ] 一個啟動電路耦合到電源電壓；
[0032]一個諧振電路耦合于啟動電路和電源電壓；
[0033]—個整流電路耦接于啟動電路和諧振電路，并具有邏輯輸出耦接于隔離柵極驅(qū)動的功率信號，整流器也耦接于隔離柵極驅(qū)動器和一個共同節(jié)點上的隔離柵雙極晶體管，其中整流器構(gòu)成諧振電路和公共節(jié)點之間的雙向電流路徑。
[0034]2。聲明I的驅(qū)動電路，其中的啟動電路是一個電阻器，具有一個與電源電壓和一個二端耦合到的諧振電路和整流電路的第一端子的電阻器。
[0035]3。聲明I的驅(qū)動電路，其中所述諧振電路包括:
[0036]一個電感耦合到電源電壓；
[0037]—種電容耦合到電感、啟動電路和整流電路。
[0038]4。聲明I的驅(qū)動電路，其中所述整流電路包括:
[0039]第一個二極管的第一個陰極耦合到啟動電路和諧振電路，并該二級管的第一陽極耦合到一個公共節(jié)點；
[0040]第二個二極管的陽極耦合到啟動電路、諧振電路和第一個二極管的第一個陰極，該第二個二極管的第二個陰極耦合到一個電源節(jié)點，用于向隔離柵極驅(qū)動器提供電源；[0041 ] 一個電容器的第一端連接到該電源節(jié)點和第二端連接到該公共節(jié)點。
[0042]5。一種驅(qū)動電路，用于向隔離柵極驅(qū)動器提供電源，其中隔離柵極驅(qū)動器接收控制電壓，并且在響應(yīng)于控制電壓時，使用來自驅(qū)動電路的功率輸出連接到隔離柵雙極晶體管的柵極控制信號，該驅(qū)動電路包括:
[0043]第一個啟動電路耦合到電源電壓；
[0044]第一個諧振電路耦合到啟動電路和電源電壓；
[0045]第一個整流電路耦合到啟動電路和諧振電路，并具有邏輯輸出一個耦合到隔離柵極驅(qū)動的功率信號，該整流器還耦合到一個公共節(jié)點的隔離柵極驅(qū)動器，其中整流器包括:
[0046]第一個二極管的第一個陰極耦合到啟動電路和諧振電路，并該二級管的第一陽極耦合到一個公共節(jié)點；
[0047]第一個電容器耦合在第一個陰極端與公共節(jié)點的中間。
[0048]第二個二極管的陽極耦合到啟動電路、諧振電路和第一個二極管第一個陰極，該第二個二極管的第二個陰極耦合到一個電源節(jié)點，用于向隔離柵極驅(qū)動器提供電源；
[0049]第二個電容器的第一端耦合在第二個陽極與電源節(jié)點，并第二端耦合到公共節(jié)點。
[0050]第一個齊納二極管耦合在公共節(jié)點和第一陽極之間，其中耦合到第一陽極創(chuàng)建一個Vss節(jié)點也是耦合到隔離式柵極驅(qū)動器。
[0051]6。驅(qū)動電路的聲明5，其中隔離柵雙極型晶體管給DMOS晶體管取代。
[0052]7。驅(qū)動電路的聲明I，其中隔離柵雙極型晶體管給DMOS晶體管取代。
[0053]對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應(yīng)將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。
[0054]此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個整體，各實施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實施方式。
【主權(quán)項】
1.一種浮置柵極驅(qū)動器的隔離電源電路，包括電壓源V1、電壓源V2、控制電壓V3、隔離式柵極驅(qū)動器ICl和隔離式柵極驅(qū)動器IC2。其特征在于，所述電壓源Vl正極分別連接二極管D2負(fù)極、電阻R10、R L14和三極管VTl集電極，電感L14另一端連接電容C3，電容C3另一端分別連接電阻RlO另一端、二極管Dll負(fù)極和二極管D12正極，二極管D12負(fù)極分別連接隔離式柵極驅(qū)動器ICl的VCC端和電容C13，隔離式柵極驅(qū)動器ICl的INP端通過電阻R5連接控制電壓V3正極，控制電壓V3負(fù)極連接隔離式柵極驅(qū)動器ICl的INN端并接地，隔離式柵極驅(qū)動器ICl的OUT端連接三極管VTl基極，隔離式柵極驅(qū)動器ICl的COM端分別連接電容C13另一端、二極管Dll正極、三極管VTl發(fā)射極、電阻R9、電感L15、三極管VT2集電極、二極管D2正極、電感LI和二極管D4負(fù)極，電感LI另一端連接接地電阻Rl; 二極管D4正極分別連接電壓源V2負(fù)極、三極管VT2發(fā)射極、二極管D13正極、電容C6和隔離式柵極驅(qū)動器ICl的COM端，電壓源V2正極連接電壓源Vl負(fù)極并接地，所述隔離式柵極驅(qū)動器ICl的OUT端連接三極管VT2基極，隔離式柵極驅(qū)動器ICl的VCC端分別連接二極管D14負(fù)極和電容c6另一端，二極管D14正極分別連接電阻r9另一端、二極管D13負(fù)極和電容C5，電容C5另一端連接電感L15另一端。
【文檔編號】H02M1/08GK105871237SQ201610284017
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月29日
【發(fā)明人】王英偉, 龐納斯·喬
【申請人】摩族新能源技術(shù)（深圳）有限公司