一種浮置柵極驅動電源的隔離電源電路的製作方法
2023-05-26 09:05:37
專利名稱:一種浮置柵極驅動電源的隔離電源電路的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開一種浮置柵極驅動電源的隔離電源電路，為逆變器的絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)和雙擴散金屬氧化物半導體(DMOS)電晶體的柵極驅動電源提供隔離電源。驅動電路給接收一個控制電壓的隔離柵極驅動電源提供電源，並在響應於該控制電壓，使用來自驅動電路的功率輸出耦合到隔離柵雙極型電晶體的柵極控制信號。該驅動電路包括耦接於電源電壓、耦接於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，以及在一個共同節點上隔離柵極驅動電路。根據本實用新型的一個電路，給IGBT和DMOS電晶體的柵極驅動電源提供一個簡單、有效和經濟的隔離電源，如那些使用於電機的逆變器，不間斷電源系統，和其他設備所使用的逆變器。絕緣柵極的電位相對於地是浮動。
【專利說明】
一種浮置柵極驅動電源的隔離電源電路
技術領域
[0001]本實用新型涉及電源領域，具體是一種使用於隔離柵極驅動電源的電源驅動電路。
【背景技術】
[0002]柵極驅動電源是一個接口電路用於提供控制電壓(及此產生的電流)給雙金屬氧化物半導體(DMOS)和絕緣柵雙極電晶體(IGBT)器件用來驅動電機和其他設備。在操作期間，該柵極驅動電源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。一個隔離柵極驅動電源是一種特殊的柵極驅動電源，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動電源的特性。
[0003]隔離柵極驅動電源普遍需要隔離電源。當電機驅動電路使用柵極驅動電源時，每一個IGBT都要使用一個隔離電源，加起來共六個之多。這種多個電源的設計方案電路複雜高，因而增加了設計困難和生產成本，降低了電路的可靠性和產品壽命。每個隔離電源電路的布線節點常帶有高速切換信號會如天線一樣造成射頻幹擾(RFI)，不利於在驅動電路附近的內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)轉換器，另一個使用電荷慄。該直流到直流轉換器具有較高的效率(90%-80%轉換效率)，但它相對體積大、複雜和成本價格昂貴。而電荷慄相對簡單和經濟，但是轉換效率低，只有40%。
【實用新型內容】
[0004]本實用新型的目的在於提供一種高轉換率的浮置柵極驅動電源的隔離電源電路，以解決上述【背景技術】中指出的問題。
[0005]為實現上述目的，本實用新型提供如下技術方案:
[0006]—種浮置柵極驅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、隔離式柵極驅動電源ICl和隔離式柵極驅動電源IC2。所述電壓源Vl正極分別連接二極體D2負極、電阻R10、電感L14和三極體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、二極體Dll負極和二極體D12正極，二極體D12負極分別連接隔離式柵極驅動電源ICl的VCC端和電容C13，隔離式柵極驅動電源ICl的INP端通過電阻R5連接到控制電壓V3正極，控制電壓V3負極連接隔離式柵極驅動電源ICl的INN端並接地，隔離式柵極驅動電源ICl的OUT端連接三極體VTl基極，隔離式柵極驅動電源ICl的COM端分別連接電容C13另一端、二極體Dll正極、三極體VTl發射極、電阻R9、電感L15、三極體VT2集電極、二極體D2正極、電感LI和二極體D4負極，電感LI另一端連接接地電阻Rl，二極體D4正極分別連接電壓源V2負極、三極體VT2發射極、二極體D13正極、電容C6和隔離式柵極驅動電源ICl的COM端，電壓源V2正極連接電壓源Vl負極並接地，所述隔離式柵極驅動電源ICl的OUT端連接三極體VT2基極，隔離式柵極驅動電源ICl的VCC端分別連接二極體D14負極和電容C6另一端，二極體D14正極分別連接電阻R9另一端、二極體D13負極和電容C5，電容C5另一端連接電感L15另一端。
[0007]與現有技術相比，本實用新型的有益效果是:根據本實用新型的一個電路，給IGBT和DMOS電晶體的柵極驅動電源提供一個簡單、有效、和經濟的隔離電源，如那些使用於電機的逆變器，不間斷電源系統，和其他設備所使用的逆變器。
【附圖說明】
[0008]圖1為根據本實用新型用於驅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點上的定時圖；
[0012]圖5為本實用新型的另一實施例的一個整流電路的示意圖。
【具體實施方式】
[0013]下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。
[0014]請參閱圖1?5，本實用新型實施例中，一種浮置柵極驅動電源的隔離電源電路，包括電壓源Vl、電壓源V2、控制電壓V3、隔離柵極驅動電源I Cl和隔離柵極驅動電源IC2，所述電壓源Vl正極分別連接二極體D2負極、電阻R10、電感L14和三極體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、二極體Dll負極和二極體D12正極，二極體D12負極分別連接隔離柵極驅動電源ICl的VCC端和電容C13，隔離柵極驅動電源ICl的INP端通過電阻R5連接電壓源V3正極，電壓源V3負極連接隔離柵極驅動電源ICl的INN端並接地，隔離柵極驅動電源ICl的OUT端連接三極體VTl基極，隔離柵極驅動電源ICl的COM端分別連接電容C13另一端、二極體Dll正極、三極體VTl發射極、電阻R9、電感L15、三極體VT2集電極、二極體D2正極、電感LI和二極體D4負極，電感LI另一端連接接地電阻Rl，二極體D4正極分別連接電壓源V2負極、三極體VT2發射極、二極體D13正極、電容C6和隔離柵極驅動電源ICl的COM端，電壓源V2正極連接電壓源Vl負極並接地，所述隔離柵極驅動電源ICl的OUT端連接三極體VT2基極，隔離柵極驅動電源ICl的VCC端分別連接二極體D14負極和電容C6另一端，二極體D14正極分別連接電阻R9另一端、二極體D13負極和電容C5，電容C5另一端連接電感L15另一端。
[0015]根據本實用新型的一個電路，為IGBT和DMOS電晶體的柵極驅動電源提供了一個簡單、高效、和經濟的隔離電源，如那些電機驅動電源(VSD)，不間斷電源系統(UPS)，和其他設備所使用的逆變器。隔離柵極的電源相對於地是浮動(即它在柵極驅動電源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]本實用新型的工作原理是:請參閱圖1?5，
[0017]圖1顯示了根據本實用新型用於驅動電機構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描述的本實用新型的具體體現。
[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)，並產生多個輸出去驅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的詳細視圖。由於功率控制電路2和3與功率控制電路I類似，不再對其重複作詳細的討論和分析。功率控制電路I在輸入I端接收兩個控制信號(CTL1和CTL 2)。該控制信號是耦合到兩個絕緣的柵極驅動(IGD)220和222。根據本實用新型的構造，這兩個IGD被耦合到兩個驅動電路(224和226)。兩個絕緣柵雙極電晶體(228和230)被耦合到兩個驅動(224和226)和隔離柵極驅動電源(220和222)，以產生一個輸出232，其可以耦合到負載，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「諧振轉換器」原理，是一個既簡單又經濟和高效率的轉換解決方案。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C13，二極體dplal2，二極體dplall和電容C3為一個上層柵極驅動電源108提供電源;而電阻器R9，電感器L15，電容器C6，二極體dplal3，二極體dplal4和電容C5為下層柵極驅動電源130提供電源。
[0021]這個上層電路102包括一個控制電壓106，一個上層柵極驅動電路108，啟動電路110，一個諧振轉換器112和一個整流電路114。柵極驅動108的輸出116是耦合到IGBT 118。上層電路102經由一個正極電源軌122耦合到第一個供電電源120，同時下層電路104是經由在IGBT128的一個負極電源軌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可被調整到有可選性的脈衝寬度(即接通時間和關閉時間)，使電路(在節點5)的輸出可以通過控制來選擇開關時間。控制電壓106和控制電壓107可以通過調節使得上層電路102和下層電路104交替開關的時間不出現重疊，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可以根據一個啟動狀態和一個穩態來描述。在啟動時，柵極驅動108的電源是由啟動電路110的電阻器RlO供給。在啟動後，諧振變換器112接管並會提供高於啟動電源的電源。這個柵極驅動108在啟動時需要較少的電源，在穩定(運行)狀態需要較大的電源。多個IGBTs(118，128)開始切換後，從來自控制電壓的輸入他們會在節點5產生一個方波。IGBTl 118兩端的電壓相當於正軌102(+170伏)和節點5之間的電壓差。方波在節點5的振幅是340伏，並也是諧振轉換器112的輸入。當電壓從O伏切換到340伏時，電流將通過電感L14，電容C3，二極體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，電流環路通過二極體dplall會關閉。在接下來的半個周期中，通過二極體dplall電流再次逆轉，再次給C13充電。這種振蕩將會持續，直到在串聯諧振轉換器112 (L14，C3)的能量被轉移到Cl 3。
[0024]切換IGBT118的功率與開關頻率成正比，並且諧振轉換器112傳送的功率也是和開關頻率成正比的。多個諧振轉換器，比如諧振轉換器112，都是由帶有短升降時間的脈衝波形(在一種情況下脈衝波形為方波)驅動。電流會流過串聯LC網絡(L14，C3)和驅動信號在每一次轉變中的負荷。這個電路在其共振的自然頻率比脈衝頻率高。由於能量轉移發生在切換時，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中的電路運作相關的信號波形。圖4中的信號波形顯示了圖3中不同節點的電壓振幅與時間(微秒單位)繪製的。例如，波形202顯示了在節點7和節點5之間的電壓，波形204顯示了在節點8上的電壓，波形206顯示了在節點10和節點9之間的電壓，波形208顯示了在節點11和節點5之間的電壓，波形210顯示了在節點6和節點5之間的電壓，以及波形212顯示了在節點5上的電壓。波形212是相似於控制電壓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於提供負極驅動。為了清楚起見，在圖5中只複述了圖3中部分相關的示意圖。
[0027]在整流器電路114中，二極體dplall不返回到公共節點(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點5上。因此，如顯示在圖5中的負節點Vss被產生了。一個齊納二極體Z302也被耦合在公共節點5與Vss之間。因此，一個柵極驅動電源108也被連接到Vss。其結果是，柵極驅動電源的輸出116可以提供正反兩級控制電壓。在一個實施例中，齊納二極體可具有在約6至8伏範圍的擊穿電壓。
[0028]本實用新型給電源提供一個低成本的電路可避免過多和複雜的線路，並可置其於柵極驅動電源和IGBT的連接處。對於那些掌握了一定技能的人士來說，在不脫離本實用新型的範圍的情況下，對上述的方法和實施例進行修改或更改是有可能發生。因此，此處的披露和描述旨在示例而不限制本實用新型的範圍提出以下的聲明。
[0029]本實用新型聲明是:
[0030]I。一種驅動電路，用於向隔離柵極驅動電源提供電源，其中隔離柵極驅動電源接收一個控制電壓，並且在響應於此控制電壓時，使用來自驅動電路的功率輸出連接到隔離柵雙極電晶體(IGBT)的柵極控制信號，該驅動電路包括:
[0031 ] 一個啟動電路耦合到電源電壓；
[0032]一個諧振電路耦合於啟動電路和電源電壓；
[0033]—個整流電路耦接於啟動電路和諧振電路，並具有邏輯輸出耦接於隔離柵極驅動的功率信號，整流器也耦接於隔離柵極驅動電源和一個共同節點上的隔離柵雙極電晶體，其中整流器構成諧振電路和公共節點之間的雙向電流路徑。
[0034]2。聲明I的驅動電路，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的驅動電路，其中所述整流電路包括:
[0039]第一個二極體的第一個陰極耦合到啟動電路和諧振電路，並該二級管的第一陽極耦合到一個公共節點；
[0040]第二個二極體的陽極耦合到啟動電路、諧振電路和第一個二極體的第一個陰極，該第二個二極體的第二個陰極耦合到一個電源節點，用於向隔離柵極驅動電源提供電源；[0041 ] 一個電容器的第一端連接到該電源節點和第二端連接到該公共節點。
[0042]5。一種驅動電路，用於向隔離柵極驅動電源提供電源，其中隔離柵極驅動電源接收控制電壓，並且在響應於控制電壓時，使用來自驅動電路的功率輸出連接到隔離柵雙極電晶體的柵極控制信號，該驅動電路包括:
[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，並具有邏輯輸出一個耦合到隔離柵極驅動的功率信號，該整流器還耦合到一個公共節點的隔離柵極驅動電源，其中整流器包括:
[0046]第一個二極體的第一個陰極耦合到啟動電路和諧振電路，並該二級管的第一陽極耦合到一個公共節點；
[0047]第一個電容器耦合在第一個陰極端與公共節點的中間。
[0048]第二個二極體的陽極耦合到啟動電路、諧振電路和第一個二極體第一個陰極，該第二個二極體的第二個陰極耦合到一個電源節點，用於向隔離柵極驅動電源提供電源；
[0049]第二個電容器的第一端耦合在第二個陽極與電源節點，並第二端耦合到公共節點。
[0050]第一個齊納二極體耦合在公共節點和第一陽極之間，其中耦合到第一陽極創建一個Vss節點也是耦合到隔離式柵極驅動電源。
[0051]6。驅動電路的聲明5，其中隔離柵雙極型電晶體給DMOS電晶體取代。
[0052]7。驅動電路的聲明I，其中隔離柵雙極型電晶體給DMOS電晶體取代。
[0053]對於本領域技術人員而言，顯然本實用新型不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本實用新型的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本實用新型。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本實用新型的範圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有變化囊括在本實用新型內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。
[0054]此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但並非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。
【主權項】
1.一種浮置柵極驅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、隔離式柵極驅動電源ICl和隔離式柵極驅動電源IC2，其特徵在於，所述電壓源Vl正極分別連接二極體D2負極、電阻R10、R L14和三極體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、二極體Dll負極和二極體D12正極，二極體D12負極分別連接隔離式柵極驅動電源ICl的VCC端和電容C13，隔離式柵極驅動電源ICl的INP端通過電阻R5連接控制電壓V3正極，控制電壓V3負極連接隔離式柵極驅動電源ICl的INN端並接地，隔離式柵極驅動電源ICl的OUT端連接三極體VTl基極，隔離式柵極驅動電源ICl的COM端分別連接電容C13另一端、二極體Dll正極、三極體VTl發射極、電阻R9、電感L15、三極體VT2集電極、二極體D2正極、電感LI和二極體D4負極，電感LI另一端連接接地電阻Rl; 二極體D4正極分別連接電壓源V2負極、三極體VT2發射極、二極體D13正極、電容C6和隔離式柵極驅動電源ICl的COM端，電壓源V2正極連接電壓源Vl負極並接地，所述隔離式柵極驅動電源ICl的OUT端連接三極體VT2基極，隔離式柵極驅動電源ICl的VCC端分別連接二極體D14負極和電容c6另一端，二極體D14正極分別連接電阻r9另一端、二極體D13負極和電容C5，電容C5另一端連接電感L15另一端。
【文檔編號】H02M1/08GK205725509SQ201620395211
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年4月29日
【發明人】王英偉, 龐納斯·喬
【申請人】摩族新能源技術（深圳）有限公司