一种用于驱动功率器件的驱动电路

技术领域

本发明涉及功率器件的驱动电路，尤其涉及半桥电路的驱动。

背景技术

半桥（half bridge）电路是多数电力电子拓扑中的核心组成部分。降压（buck），升压（boost），变压器感容谐振（LLC），移相全桥（PSFB），双管正激，主动钳位反激（ACF）等常见拓扑都需要半桥电路。半桥电路由两只功率开关器件串联构成，并跨接在一直流电压两侧（一般称作直流母线）。连接母线正极的一侧称作上管，连接母线负极（以下简称地电平）的一侧称作下管。上管和下管连接的节点称作开关节点。

因为功率器件本身的材料、工艺、设计等问题，一般情况下一种功率器件的P型和N型的单位面积性能会略有差异，甚至其中一种无法制备。因此，功率半桥电路通常由一种器件制成，比如上下管均为N型器件，或上下管均为P型器件。

以双N型器件半桥为例，下管的驱动输入（基极或栅极，以下统称栅极）以地电平为参考，而上管的驱动输入以开关节点为参考。对于一个常见的以地电平为参考的系统，下管可以直接驱动，而上管因参考（发射极、源极或阴极，以下统称源极）电平随开关动作而快速改变，因此无法直接从低电平驱动。同理，对于以母线正极为参考电平的双P型器件半桥，上管可以直接驱动，而下管无法直接驱动。对于以低电平为参考的双P型器件半桥，两管均不能直接驱动。因N型器件使用较多，如无明确说明，下文均以N型器件为例。

为了驱动半桥电路，尤其是上管，多种驱动电路被提出，比如通过变压器隔离栅极驱动功率，或使用小信号数字隔离器或电平移位器隔离栅极信号，使其参考电平从低电平移位到开关节点电平，并使用以开关节点电平为参考电平的放大电路将其放大并驱动栅极。为了给上管的隔离、移位以及驱动电路供电，自举电路或辅助电源经常被采用。

使用变压器隔离栅极功率存在显而易见的缺陷，栅极驱动的瞬态功率可达数十瓦特，而开关频率可能很低，甚至达到或低于工频（比如工频同步整流电路），因此需要的变压器会非常大，且大原边感量带来的漏感限制了最高工作频率并引入难以准确预测的延时，进而要求更长的死区时间，从而增加损耗。使用数字隔离器或电平移位器方案并使用自举供电，系统的尺寸可以非常小，但是自举电路的二极管反向恢复限制系统的最高工作频率和电压，且自举电压受下管导通电压影响，对氮化镓等第三象限电压较高的器件，死区时间、温度、电流等对自举电压都有显著的影响，从而要求额外的稳压器等电路用以提供稳定的栅极驱动电压。对于隔离变压器供电的数字隔离器或电平移位器半桥驱动电路，变压器往往占据大量的空间和成本，且较高的匝间寄生电容影响系统的效率并限制最高开关频率。

额外的，无论供电方式，对于使用数字隔离器的系统，数字隔离器的调制器相位往往由本地振荡器产生，和脉冲宽度调制（PWM）发生器的时钟相位不一致，因此还会引入额外的，随机的或伪随机的时钟抖动。此外，无论哪种供电方式，使用数字隔离器、电平移位器的方案都需要较多的布线资源，从而增大了电路板的设计难度。对于不使用变压器隔离的方案，即使是在只需要驱动下管的应用中，功率侧辅助电源也是必要的，进一步增加了系统的尺寸，重量和成本。

发明内容

本发明的目的是要解决上述背景技术中存在的驱动变压器的延迟高、体积大，数字隔离器、电平移位器驱动电路的上管供电系统尺寸和速度受限，数字隔离器、电平移位器驱动电路需要辅助电源且布线复杂的技术问题。

本发明提供一种用于驱动功率器件的驱动电路，所述驱动电路包括发送器、隔离变压器和一个或多个接收器，输入信号输入发送器，发送器的输出信号输入隔离变压器，隔离变压器的输出信号进入一个或多个接收器，接收器的输出信号连接至一个或多个功率器件，并驱动所述功率器件；所述发送器包括时钟电路、调制器和原边驱动器；所述隔离变压器包括原边绕组和副边；其中，输入信号被所述调制器调制到一高频载波上，并由原边驱动器放大，用以驱动隔离变压器。

可选的，所述发送器还包括PMW发生器。

可选的，所述隔离变压器还包括共模滤波器、电场屏蔽和磁屏蔽电路。

所述一个或多个接收器包括一组或多组电源恢复电路、信号恢复电路和栅极驱动电路，每个栅极驱动电路的输出信号作为一个功率器件的驱动信号；所述隔离变压器的输出信号被所述电源恢复电路整流、稳压，从而恢复出驱动电源；同时，所述隔离变压器的输出信号被所述信号恢复电路限流、钳位、电平移位，从而恢复出调制的信号，该信号经过解调得到栅极驱动信号；所述栅极驱动信号经过所述栅极驱动器放大，驱动所述一个或多个功率器件的栅极。

本发明达到的技术效果是：本发明使用高载波频率用以传递信号和电能，并用整流器、稳压器、解调器恢复的电源和信号产生栅极驱动电压，因为栅极驱动的瞬间大功率由稳压器的电容提供，隔离变压器只需要传递很小的平均功率，且由于载波频率非常高，变压器的尺寸可以进一步减小。同时，因为采用了变压器隔离，本发明控制侧和功率侧完全电气隔离，且有极高的共模电压变化率耐受能力。因为隔离介质本身传递足够的电能，本发明不需要额外的自举或辅助电源，一对差分线可以驱动一个或多个同步的半桥模块和/或单管的组合，大幅减小布线难度以及共源极电感和地环路带来的干扰和性能损失。并且，PWM发生器和调制器可以使用同步时钟，避免了时钟抖动。

附图说明

图1为本发明的系统框图。

图2为本发明的更详细的系统框图。

具体实施方式

本发明的驱动电路可用于驱动多种功率器件，如绝缘栅场效应管（MOSFET）、结型场效应管（JFET）、高电子迁移率晶体管（HEMT）、双极型晶体管（BJT）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、可控硅（SCR）、电子管等。因为控制侧和功率侧电气隔离且调制方案可以同时调制上下管信号，本发明尤其适用于半桥电路。

下面结合附图详细描述本发明的驱动电路。

如图1和图2所示，本发明的驱动电路包括发送器、隔离变压器和一个或多个接收器，输入信号输入发送器，发送器的输出信号输入隔离变压器，隔离变压器的输出信号进入一个或多个接收器，接收器的输出信号连接至一个或多个功率器件，并驱动功率器件。

所述发送器包括时钟电路、调制器、原边驱动器，可选的，还可以包括PMW发生器。所述隔离变压器包括原边绕组、副边，可选的，还可以包括共模滤波器、电场屏蔽、磁屏蔽等电路。所述接收器包括一组或多组电源恢复电路、信号恢复电路和栅极驱动电路，每个栅极驱动电路的输出信号作为一个功率管的驱动信号。

本发明的驱动电路的工作原理为：在发送端，输入信号被所述调制器调制到一高频载波上，并由原边驱动器放大，用以驱动隔离变压器。在接收端，隔离变压器的输出信号被电源恢复电路整流、稳压，从而恢复出驱动电源。同时，隔离变压器的输出信号被信号恢复电路限流、钳位、电平移位，从而恢复出调制的信号。该信号被解调器解调，从而得到栅极驱动信号。经过恢复得到的栅极驱动信号和调制电压经过栅极驱动器放大，驱动功率器件的栅极。因为发送端和接收端完全电气隔离，同一个发送器可对应多个接收器。常见的配置是一个发射器对应一个或多个同步的单管功率器件，一个发射器对应一个或多个同步的半桥电路，或一个发射器对应一个或多个同步的单管和半桥电路的组合。

下面详细描述上述工作原理。

发送端将开关信息调制到一个三电平编码上，该编码有三种电平四种状态，称为低（L）中（M）高（H）和高阻（Z）。低电平为负电压，中电平为零电压，高电平为正电压。其中正负电压幅度接近或相等。在收到上管（或下管）开通指令时，调制器控制原边驱动器输出高电平，中电平，高电平（HMH）序列。在收到上管（或下管）关断指令时，调制器控制原边驱动器输出高电平，中电平，低电平（HML）序列。在收到下管（或上管）开通指令时，调制器控制原边驱动器输出低电平，中电平，低电平（LML）序列。在收到下管（或上管）关断指令时，调制器控制原边驱动器输出低电平，中电平，高电平（LMH）序列。在没有收到任何指令时，调制器控制原边驱动器输出交替的高低电平填充序列（padding），从而维持向接收端供电。

比如，要想开通上管，维持一段时间，关闭上管，维持一段时间，开通下管，维持一段时间，最后关断下管，以下的序列将会被发送：

HMH（上开）LHLHL（维持）HML（上关）HLHLH（死区）LML（下开）HLHLH（维持）LMH（下关）

可选的，每次电平跳变之间可以有一定时间的高阻状态被插入，用以减小原边驱动电路的功率损耗以及消耗隔离变压器的振铃（ringing）能量，从而减少接收端波形的失真。同时，H或L状态可能被延长从而保证输出直流分量不超过一定单位周期。为了增强可靠性，对应一个开通或关断指令，多个开通或关断序列可能被输出。经过扩展，一个可能的输出序列是：

HZMZHZLZHZLZHZLZHZMZLZHZLZHZLZHZLZMZLZHZLZHZLZHZLZMZH

根据调制序列，LMHZ四种状态对应桥式三态输出驱动器的四种状态，以PN对管反相器驱动电路为例，L状态对应正输出侧N管导通P管关断，负输出侧P管导通N管关断。H状态对应正输出侧P管导通，N管关断，负输出侧N管导通，P管关断。M状态对应两侧P管导通，N管关断或两侧N管导通，P管关断。Z状态对应任何一侧或两侧的P管和N管全部关断。

可选的，PWM发生器可以和调制器共享时钟，从而保证PWM波形的跳变边沿和三电平波形的跳变边沿时序关系确定且稳定，从而消除前述的基于数字隔离器的方案带来的由隔离器本地振荡器和PWM时钟相位不一致产生的时钟抖动。进一步的，PWM发生器可以和调制器深度整合，从而使得调制器在PWM波形跳变到来之前预知即将到来的跳变，从而更合理地填充、扩展输出序列。

在接收端，输入电路可以判别半幅度正跳变（低到中，中到高跳变，简称A状态），半幅度负跳变（高到中，中到低跳变，简称B状态），全幅度正跳变（低到高跳变，简称C状态）和全幅度负跳变（高到低跳变，简称D状态）。当解调器检测到一个C状态然后紧跟着一个A状态，解调器输出一个上管（或下管）开通信号。当解调器检测到两个连续的B状态，解调器输出一个上管（或下管）关断信号。当解调器检测到一个D状态然后紧跟着一个B状态，解调器输出一个下管（或上管）开通信号。当解调器检测到两个连续的A状态，解调器输出一个下管（或上管）关断信号。

在一些实现里，一个全幅度跳变也会触发同方向的半幅度跳变（即C状态也会触发A状态，D状态也会触发B状态），因此上管开通信号必然触发下管关断，下管开通信号必然触发上管关断。使用此类实现，本调制方案理论上不可能出现上下管同时导通的危险情况，进一步增强了系统的可靠性。

解调器输出的开通、关断信号进入SR触发器，并经过放大驱动功率器件的栅极。同时，关断信号以外，可选的，长时间失去输入跳变、输入电压超出范围、温度超出范围、功率器件过流、功率器件退饱和等也可用于触发关断。

可选的，隔离变压器里面可以包含共模滤波器、电场屏蔽、磁屏蔽等电路和结构用以提升系统的抗干扰性、可靠性、共模电压变化率耐受能力（CMTI）和效率等。

本发明可以有效减小功率器件栅极驱动器的尺寸，并提高性能。一个传统的基于8mm*8mm DFN封装功率器件和5mm*5mm LGA封装半桥隔离驱动器的600V 20A半桥电路，如采用自举供电，占用PCB空间约为200mm