開關(guān)元件驅(qū)動電源電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本文中描述的實(shí)施例涉及開關(guān)元件驅(qū)動電源電路，該開關(guān)元件驅(qū)動電源電路將電力轉(zhuǎn)換器的主電路的電源電壓轉(zhuǎn)換成電力轉(zhuǎn)換開關(guān)元件的柵極驅(qū)動電路的電源電壓。
【背景技術(shù)】
[0002]轉(zhuǎn)換高電壓的半導(dǎo)體電力轉(zhuǎn)換器具有高對地電壓。出于此原因，滿足半導(dǎo)體電力轉(zhuǎn)換器的絕緣性質(zhì)涉及高成本，因此這些轉(zhuǎn)換器的體積大。具體來說，為了向具有高對地電壓的開關(guān)元件供應(yīng)柵極驅(qū)動電壓，必須提供具有高對地電壓的變壓器，以確保固定的絕緣距離。出于此原因，當(dāng)半導(dǎo)體電力轉(zhuǎn)換器的主電路電壓超過10kV時(shí)，變得難以向開關(guān)元件供應(yīng)柵極驅(qū)動電壓。當(dāng)可以從主電路供應(yīng)柵極電力時(shí)，開關(guān)元件驅(qū)動電源電路可被配置為具有針對一個(gè)開關(guān)元件的耐壓電平。這有助于柵極電力的供應(yīng)。出于此原因，現(xiàn)有技術(shù)包括通過借助電阻器降低來自主電路的電壓來向開關(guān)元件供應(yīng)柵極驅(qū)動電力的方法。
[0003]在上述的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，相比于供應(yīng)到開關(guān)元件的電力，電源電路的電阻器由于焦耳熱而具有增大的損耗。這種結(jié)構(gòu)增大了電阻器的體積，并增加了電力轉(zhuǎn)換器的備用功耗。
【附圖說明】
[0004]圖1是例示了用于驅(qū)動兩個(gè)串聯(lián)的開關(guān)元件SW1和SW2的柵極的電源電路的示意性構(gòu)造的示例的圖示；
[0005]圖2是例示了根據(jù)實(shí)施例的開關(guān)元件驅(qū)動電源電路的詳細(xì)構(gòu)造的示例的圖示；
[0006]圖3是例示了根據(jù)實(shí)施例的SW元件驅(qū)動電路的構(gòu)造示例的圖示；以及
[0007]圖4是例示了根據(jù)實(shí)施例的用于檢測SW元件驅(qū)動電源的輸出電壓的另一個(gè)示例的圖示。
【具體實(shí)施方式】
[0008]總體上，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，提供了一種開關(guān)元件驅(qū)動電源電路，所述開關(guān)元件驅(qū)動電源電路將電力轉(zhuǎn)換器的主電路電壓轉(zhuǎn)換成電力轉(zhuǎn)換開關(guān)元件的驅(qū)動電壓。開關(guān)元件驅(qū)動電源電路包括多個(gè)絕緣電源、以及多個(gè)開關(guān)元件驅(qū)動電源單元。絕緣電源具有串聯(lián)連接的各自的直流輸入電路端、彼此絕緣的各自的輸入側(cè)電路和輸出側(cè)電路、以及并聯(lián)連接的各自的輸出電路端。開關(guān)元件驅(qū)動電源單元與并聯(lián)連接的輸出電路端并聯(lián)連接，并且向電力轉(zhuǎn)換器的電力轉(zhuǎn)換開關(guān)元件的柵極驅(qū)動電路供應(yīng)電力。
[0009]下面是參照附圖對用于電力轉(zhuǎn)換器的開關(guān)元件驅(qū)動電源電路的實(shí)施例的解釋。
[0010]圖1是例示了用于驅(qū)動兩個(gè)串聯(lián)的開關(guān)元件SW1和SW2的柵極的電源電路的示意性構(gòu)造的示例的圖示。開關(guān)元件SW1和SW2是用于例如反相器中每個(gè)相位的上臂和下臂的開關(guān)元件。絕緣電源11、12、以及13在輸入側(cè)串聯(lián)連接，以將輸入直流電源電壓VI三等分。絕緣電源11、12、以及13中的每個(gè)絕緣電源都是輸入側(cè)電路與輸出側(cè)電路絕緣的電源。因?yàn)榻^緣電源11、12、以及13的輸入側(cè)結(jié)構(gòu)串聯(lián)連接，所以施加到各絕緣電源的電壓減小。這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了用于絕緣電源中的電力轉(zhuǎn)換的MOSFET的耐壓的減小。這種結(jié)構(gòu)使得能夠使用通用產(chǎn)品作為M0SFET。本實(shí)施例例示了輸入直流電源電壓是2100V并且施加到各絕緣電源的電壓是700V的情況。
[0011]絕緣電源11、12、以及13中的每個(gè)絕緣電源都將輸入直流電源電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓，并且輸出該電壓。絕緣電源11、12、以及13的輸出端并聯(lián)連接，從而輸出相同的交流電壓。出于此原因，需要在相同時(shí)間驅(qū)動各個(gè)絕緣電源11、12、以及13中形成的交流輸出M0SFET。將驅(qū)動時(shí)間設(shè)置成相等使絕緣電源11、12、以及13中轉(zhuǎn)換的電力彼此相等，并且產(chǎn)生了使絕緣電源11、12、以及13的輸入直流電源電壓相等的效果。
[0012]交流電壓在開關(guān)元件驅(qū)動電源單元(SW元件驅(qū)動電源單元)14和15中被整流，并且被轉(zhuǎn)換成直流電壓。SW元件驅(qū)動電源單元14和15的輸入端與并聯(lián)連接的絕緣電源11、12、以及13的輸出端并聯(lián)連接。SW元件驅(qū)動電源單元14和15分別向SW元件驅(qū)動電路16和17供應(yīng)驅(qū)動電力，以使得開關(guān)元件SW1和SW2導(dǎo)通/關(guān)斷。
[0013]圖2例示了根據(jù)本實(shí)施例的開關(guān)元件驅(qū)動電源電路的詳細(xì)構(gòu)造。具體來說，圖2例示了發(fā)揮主要作用的絕緣電源12、以及SW元件驅(qū)動電源單元14或SW元件驅(qū)動電源單元15的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。
[0014]電阻器R1和R2、電容器C1和C2、二極管D1、齊納二極管ZD1和ZD2、以及M0SFET1是充電啟動電路的構(gòu)成元件。電流流過電阻器R1和齊納二極管ZD1和ZD2。與齊納二極管ZD1并聯(lián)連接的電容器C1的電壓等于齊納二極管ZD1的齊納電壓。在M0SFET1的柵極與源極之間施加齊納電壓。由此，M0SFET1變成導(dǎo)通狀態(tài)，并通過電阻器R2、M0SFET1和二極管D1對電容器C2進(jìn)行充電。電容器C2的電壓等于通過從齊納二極管ZD2的電壓減去二極管D1的壓降值而得到的電壓，并且向IC1、IC2、以及IC3供應(yīng)電力。根據(jù)絕緣電源12的啟動電壓以及IC1、IC2、和IC3啟動時(shí)的功耗來確定電阻器R2的電阻值和瓦特?cái)?shù)。在本實(shí)施例中，電阻器R2的電阻值和瓦特?cái)?shù)被確定為使得當(dāng)啟動電壓是100V時(shí)，可充分供應(yīng)IC1、IC2、以及IC3啟動時(shí)的功耗。
[0015]并聯(lián)連接的電阻器R8和SW3是沖擊電流防止電路的構(gòu)成元件。當(dāng)供應(yīng)電力時(shí)，SW3閉合，電流通過電阻器R8和電容器C8流入絕緣電源12，并對作為絕緣電源12的輸入電容器的電容器C7進(jìn)行充電。電容器C7的電壓根據(jù)基于電阻器R8和電容器C7、C8、以及C9確定的時(shí)間常數(shù)而從0V升至700V。假定電容器C7、C8、以及C9具有相同的電容。當(dāng)電容器C7的電壓升至接近100V(作為啟動電壓)時(shí)，以上的充電啟動電路進(jìn)行操作，向開始操作的IC1、IC2和IC3供應(yīng)電源電壓，并且如隨后描述的，絕緣電源12輸出交流電壓。當(dāng)電容器C7的電壓超過100V或大約為100V時(shí)，如隨后描述的，充電停止電路進(jìn)行操作，M0SFET1關(guān)斷，并基于變壓器TR1的三次繞組中產(chǎn)生的電壓而產(chǎn)生IC1、IC2、以及IC3的電源電壓。當(dāng)電容器C7的電壓達(dá)到700V時(shí)，SW3閉合，并且電源電流經(jīng)由SW3流入絕緣電源11、12、以及13，而不流過電阻器R8。
[0016]IC2、二極管D2、以及M0SFET3是過電流保護(hù)電路的構(gòu)成元件。1C 2啟動M0SFET3。因?yàn)镸0SFET3是用于過電流保護(hù)的開關(guān)，所以M0SFET3在正常狀況下一直處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)M0SFET2發(fā)生短路故障時(shí)，M0SFET2的電流持續(xù)上升。當(dāng)電流超過過電流設(shè)定值時(shí)，IC2對M0SFET3進(jìn)行閂鎖，以減小M0SFET2的電流。1C 2持續(xù)檢測M0SFET3的漏極/源極電壓Vds。當(dāng)電壓Vds超過預(yù)定值時(shí)，IC2對M0SFET3進(jìn)行閂鎖。在進(jìn)行處理時(shí)，二極管D2保護(hù)M0SFET3免受過電壓影響。
[0017]IC1、M0SFET2、變壓器TR1和TR2、二極管D3、以及電容器C3是反激式電源的構(gòu)成元件。IC 1驅(qū)動M0SFET2。當(dāng)M0SFET2處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，能量被儲存(在鐵芯中出現(xiàn)磁通量)在變壓器TR1和TR2中的每個(gè)變壓器的一次繞組中，圖2中的順時(shí)針電流流過包括變壓器TR1的二次繞組和變壓器TR2的一次繞組的回路。在這種狀態(tài)下，變壓器TR2的二次繞組的正側(cè)端子是圖2中位于變壓器TR2的二次繞組的黑點(diǎn)側(cè)的端子，沒有電流流過其中(包括二極管D3)。
[0018]當(dāng)M0SFET2處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，所存儲的能量被傳輸?shù)阶儔浩鱐R1的二次繞組和變壓器TR2的二次繞組。圖2中的逆時(shí)針電流流過包括變壓器TR1的二次繞組和變壓器TR2的一次繞組的回路。在這種狀態(tài)下，變壓器TR2的二次繞組的正側(cè)端子是圖2中位于與變壓器TR2的二次繞組的黑點(diǎn)側(cè)相對的側(cè)的端子，電流經(jīng)由二極管D3流過變壓器TR2的二次繞組，并對電容器C3進(jìn)行充電。因此，向SW元件驅(qū)動電路16供應(yīng)了電力。如上所述，在絕緣電源12的輸出端子(變壓器TR1的二次側(cè))中產(chǎn)生交流電壓。SW元件驅(qū)動電源單元14的構(gòu)造與SW元件驅(qū)動電源單元15的構(gòu)造相同。
[0019]可適當(dāng)?shù)厥褂脦чg隙的變壓器作為變壓器TR1和TR2。因?yàn)閹чg隙的變壓器包括鐵芯間隙并且其電感小于普通變壓器的電感，所以帶間隙的變壓器容易傳輸電流并且容易儲存能量。出于此原因，帶間隙的變壓器適于反激式電源。
[0020]圖3是例示了SW元件驅(qū)動電路16的構(gòu)造示例的圖示。
[0021]放大器18被供應(yīng)有作為電源電壓的電容器C3的端電壓。放大器18接收并且放大諸如PWM信號之類的控制信號S1，并且將輸出信號經(jīng)由電阻器R10供應(yīng)到開關(guān)元件SW1的柵極，以驅(qū)動開關(guān)元件SW1。SW元件驅(qū)動電路17的構(gòu)造與SW元件驅(qū)動電路16的構(gòu)造相同。
[0022]電容器C3的電壓通過絕緣放大器IC4被反饋回IC1。絕緣放大器IC4是以光學(xué)方式傳輸信號的電路(諸如，光電親合器)ο絕緣放大器IC4的輸入側(cè)和輸出側(cè)被電絕緣。IC1驅(qū)動并且控制MOSFET 2，以使得電容器C3的電壓被固定。IC1的輸出是矩形波，其占空比根據(jù)輸入電壓而變化。具體來說，當(dāng)電容器C3的電壓超過預(yù)定值時(shí)，IC1減小其占空比。當(dāng)電容器C3的電壓低于預(yù)定值時(shí)，IC1增大其占空比。如圖4中所例示的，變壓器TR2可以被提供有三次繞組。在這種情況下，可通過絕緣放大器IC4來控制IC1，以固定通過使用二極管D7和電容器C10對三次繞組中產(chǎn)生的交流電壓進(jìn)行整流而得到的直流電壓。另外，電容器C10的電壓可在沒有經(jīng)過絕緣放大器IC4的情況下直接反饋回IC1，因?yàn)樽儔浩鱐R2的繞組被電絕緣。使用數(shù)字隔離器IC3將從IC1傳輸?shù)組0SFET2的控制信號傳輸?shù)浇^緣電源11和13。數(shù)字隔離器IC3是使用磁耦合傳輸信號的電路。數(shù)字隔離器IC3的輸入側(cè)和輸出側(cè)被電絕緣。
[0023]絕緣電源11、12、以及13中的每個(gè)絕緣電源的電阻器R3、電容器C4、以及二極管D4是絕緣電源中的緩沖電路的構(gòu)成