CN113098241B - 一种闭环有源驱动电路、驱动方法及开关电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种闭环有源驱动电路、驱动方法及开关电源，该电路包括：主控单元，用于采集功率开关管的直流母线电压和电感电流的稳态值，产生驱动信号，同时计算出两个可控电流源的开通关断时间信息；从控单元，用于根据两个可控电流源的开通关断时间信息以及驱动信号的上升沿和下降沿，产生两个可控电流源的控制信号，并输出给驱动电路；驱动电路包括驱动输入端、第一控制输入端、第二控制输入端和驱动输出端，用于接收主控单元输出的驱动信号，以及从控单元输出的两个可控电流源的控制信号，在选定时间段内输出驱动信号给功率开关管。

Description

一种闭环有源驱动电路、驱动方法及开关电源

技术领域

本发明涉及开关管控制技术领域，特别地涉及一种用于驱动功率开关管的闭环有源驱动电路、驱动方法及开关电源。

背景技术

现有的开关管驱动电路包括主控制器、隔离驱动器及放大电路组成，通过主控制器产生主功率回路开关管的PWM信号，该PWM信号通过隔离驱动器和放大电路输出到功率开关管的门极。该方法不能控制开关管开关过程各个阶段的驱动速度，对于SiC和GaN这类高速开关芯片，该驱动信号会导致在开关管开关过程中产生很大的电压过冲和电流过冲。为了应对过冲，现有方法是在驱动电路中增大门极回路的驱动电阻，但是增加门极电阻会显著增加开关管损耗。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种用于驱动功率开关管的闭环有源驱动电路、驱动方法及开关电源。

本发明第一方面提供一种闭环有源驱动电路，该驱动电路包括：

主控单元，用于采集功率开关管的直流母线电压和电感电流的稳态值，产生驱动信号，并输出给驱动电路，同时计算出两个可控电流源的开通关断时间信息，并将得到的开通关断时间信息输出给从控单元；

从控单元，用于接收主控单元输出的两个可控电流源的开通关断时间信息，并采集驱动信号的上升沿和下降沿，根据两个可控电流源的开通关断时间信息以及驱动信号的上升沿和下降沿，产生两个可控电流源的控制信号，并输出给驱动电路；

所述驱动电路包括驱动输入端、第一控制输入端、第二控制输入端和驱动输出端，所述驱动电路的驱动输入端连接所述主控单元的输出端，用于接收所述主控单元输出的驱动信号；所述放大电路的驱动输出端连接功率开关管，用于在选定时间段内输出驱动信号给功率开关管。

所述的放大电路上还并联两个电流源，可以根据功率开关管当前工作的电压和电流，选择性的减慢门极充放电过程中某些环节，从而减小开关过程中电压和电流的过冲，但是不明显增加功率开关管损耗，实现控制其驱动的速度，从而实现优化功率开关管的优化目标。所述两个电流源的控制输入端分别连接所述从控单元，用于接收所述从控单元输出的两个可控电流源的控制信号。

本发明第二方面提供一种闭环有源驱动方法，该方法基于如上所述的闭环有源驱动电路实现的，该方法包括以下步骤：

主控单元采集功率开关管的直流母线电压和电感电流的稳态值，产生驱动信号，并经隔离驱动单元将驱动信号输出给驱动电路，同时计算出两个可控电流源的开通关断时间信息，并将得到的开通关断时间信息通过隔离通信单元输出给从控单元；

从控单元接收主控单元输出的开通关断时间信息，并采集驱动信号的上升沿和下降沿，根据两个可控电流源的开通关断时间信息以及驱动信号的上升沿和下降沿，产生两个可控电流源的控制信号，并输出给驱动电路；

驱动电路接收所述主控单元输出的驱动信号以及所述从控单元输出的两个可控电流源的控制信号，并在选定时间段内输出驱动信号给功率开关管。

本发明第三方面提供一种开关电源，该开关电源包括如上所述的闭环有源驱动电路。

上述的闭环有源驱动电路及驱动方法，在驱动电路上并联两个电流源，可以根据功率开关管当前工作的电压和电流，选择性的减慢门极充放电过程中某些环节，从而减小开关过程中电压和电流的过冲，但是不明显增加功率开关管损耗，实现控制其驱动的速度，从而实现优化功率开关管的优化目标。

附图说明

为了说明而非限制的目的，现在将根据本发明的优选实施例、特别是参考附图来描述本发明，其中：

图1是实施例一公开的闭环有源驱动电路的结构示意图；

图2是控制电流源的信号所对应的波形图；

图3是实施例二公开的闭环有源驱动方法的流程图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

实施例一

现有的功率开关管驱动电路中，开关管的控制信号是一个方波电压信号Vg。开关过程中，Vg对开关管的门极电容充放电，得到对应的门极电压V_GS。对于SiC和GaN这类高速开关芯片，开关过程非常快，导致产生很大的电压过冲和电流过冲。如果要减小这个过冲，传统方法只能增大门极回路的驱动电阻，但是增加门极电阻会显著增加开关损耗。

图1是本申请实施一公开的用于驱动功率开关管的闭环有源驱动电路的结构示意图。图1中最右侧是一个功率开关桥臂，包括上下两个功率开关管。两个功率开关管的控制电路是相同的，以下说明仅以下面的功率开关管为例。

该闭环有源驱动电路100包括主控单元101、隔离驱动单元102、隔离通信单元103、从控单元104及驱动电路105，通过在驱动电路105中增加两个可控电流源A_I和A_O，通过主控单元101、隔离通信单元103及从控单元104，产生电流源A_I和A_O的控制信号，从而实现对开关管的控制。

其中，主控单元101的输入端连接功率开关管Q₁的主功率回路，输出端分别连接隔离驱动单元102和隔离通信单元103，用于采集功率开关管Q₁的直流母线电压和电感电流的稳态值，产生PWM驱动信号，并输出给隔离驱动单元102，同时计算出驱动电路105中两个可控电流源A_I和A_O的开通关断时间，并将驱动电路105中两个可控电流源A_I和A_O的开通关断时间信息输出给隔离通信单元103。

其中，隔离驱动单元102的输入端连接主控单元101，输出端连接驱动电路105，用于接收主控单元101输出的PWM驱动信号，对PWM驱动信号进行电气隔离，将该PWM驱动信号转化为驱动电压信号V_g，并输出驱动电压信号V_g给驱动电路105。

其中，隔离通信单元103的输入端连接主控单元101，输出端连接从控单元104，用于接收主控单元101输出的驱动电路105中两个可控电流源A_I和A_O的开通关断时间信息，并传输给从控单元104。

其中，从控单元104的输入端分别连接隔离驱动单元102和隔离通信单元103，输出端连接驱动电路105，用于接收隔离通信单元103传输的驱动电路105中两个可控电流源A_I和A_O的开通关断时间信息，并采集隔离驱动单元102输出的驱动电压信号V_g的上升沿和下降沿，根据两个可控电流源A_I和A_O的开通关断时间信息以及驱动电压信号V_g的上升沿和下降沿，产生驱动电路105中两个可控电流源A_I和A_O的控制信号v_{g_AI}和v_{g_AO}，并分别传输给驱动电路105。

其中，驱动电路105包括驱动输入端、第一控制输入端、第二控制输入端及驱动输出端，驱动电路105的驱动输入端连接隔离驱动单元102，用于接收隔离驱动单元102输出的驱动电压信号V_g，驱动电路105的第一控制输入端连和第二控制输入端分别连接从控单元104，用于接收从控单元104输出的两个可控电流源A_I和A_O的控制信号v_{g_AI}和v_{g_AO}，控制两个可控电流源A_I和A_O；驱动电路105的驱动输出端连接功率开关管Q₁，用于在选定时间段内输出驱动电流信号i_g给功率开关管Q₁，实现对功率开关管Q₁的开关控制。

上述的闭环有源驱动电路，在驱动电路105中增加两个可控电流源A_I和A_O，通过主控单元101采集功率开关管的母线电压和电感电流，计算出两个可控电流源A_I和A_O的开通关断时间，并将该两个可控电流源A_I和A_O的开通关断时间信息通过隔离通信单元103传给从控单元104，从控制器104接收到两个可控电流源A_I和A_O的开通关断时刻信息，通过采集隔离驱动单元103输出的驱动电压的上升沿和下降沿，产生两个可控电流源A_I和A_O的控制信号，并输出给驱动电路105，通过驱动电路105实现对功率开关管开关过程的控制。

在本实施例中，通过主控单元101采集功率开关管的母线电压和电感电流，该主控单元101不仅输出功率开关管的PWM驱动信号，通过隔离驱动单元102和驱动电路105将该PWM驱动信号输出给功率开关管，还计算出两个可控电流源A_I和A_O的开通关断时间信息，并将该电流源的开通关断时间信息通过隔离通信单元103传给从控单元104，使得从控单元104能够产生两个电流源的控制信号，这样可以选择时间段来减慢功率开关管的开关过程，从而减小开关过程的电压电流过冲，同时不明显增加功率开关管的损耗。

其中，两个可控电流源A_I和A_O的开通关断时间信息包括A_I的开通延迟a时段和脉冲宽度b时段，A_O开通延迟c时段和脉冲宽度d时段。

在一实施方式中，主控单元101采用主控制器，主控制器通过传感器采样功率开关管的母线电压和电感电流，计算出两个可控电流源A_I和A_O的开通关断时间，并将这两个电流源的开通关断时间信息传给从控单元。

在一实施方式中，隔离驱动单元102采用隔离驱动器，通过隔离驱动器将主控制器产生的驱动信号经电气隔离后输出给驱动电路105。

在本实施例中，从控单元104采用从控制器，从控制器通过接收到两个可控电流源A_I和A_O的开通关断时间信息，并采样驱动电压的上升沿和下降沿，产生两个可控电流源A_I和A_O的的控制信号，这两个可控电流源A_I和A_O的控制信号所对应的波形如图2所示，其中V_g为驱动电压，v_GS为对应的功率开关管的栅源极电压，v_{g_AI}为控制电流源A_I的信号，v_{g_AO}为控制电流源A_O的信号。

在本实施例中，驱动电路105包括第一驱动输出电路、第二驱动输出电路、第一可控电路和第二可控电路。

其中，第一驱动输出电路的输入端连接隔离驱动单元102的输出端，第一驱动输出电路的输出端连接功率开关管，用于接收隔离驱动单元102输出的驱动电压信号V_g，并对接收到的驱动电压信号V_g进行转换，输出驱动电流信号i_g控制功率开关管的开通。

该第一驱动输出电路包括第一电阻R₁、第一开关管Q_N和第三电阻R₃，第一电阻R₁的一端连接隔离驱动单元102的输出端，另一端连接第一开关管Q_N的基极，第一开关管Q_N的集电极连接电源，第一开关管Q_N的发射极连接第三电阻R₃的一端，第三电阻R₃的另一端连接功率开关管Q₁，依次经过第一电阻R₁、第一开关管Q_N和第三电阻R₃将驱动电压信号V_g转换成驱动电流信号i_g，并输出给功率开关管Q₁。

其中，第一可控电路的一端连接第一驱动输出电路的输出端，另一端第一驱动输出电路的输出端，控制端连接从控单元104的第一输出端，用于接收从控单元104输出的控制第一电流源A_I的信号，以减少第一驱动输出电路在选定时间段内输出的驱动电流。

该第一可控电路包括第一电流源A_I，第一电流源A_I的一端连接第一驱动输出电路中第三电阻R₃的输出端，另一端还接地，控制端连接从控单元104的输出端。第一电流源A_I受从控单元104输出的控制信号的控制开通，以减少第一驱动输出电路在选定时间段内输出给功率开关管的驱动电流。

其中，第二驱动输出电路的输入端连接隔离驱动单元102的输出端，第二驱动输出电路的输出端连接功率开关管，用于接收隔离驱动单元102输出的驱动电压信号V_g，并对接收到的驱动电压信号V_g进行转换，输出驱动电流信号i_g控制功率开关管的开通。

该第二驱动输出电路包括第二电阻R₂、第二开关管Q_p和第四电阻R₄，第二电阻R₂的一端连接隔离驱动单元102的输出端，第二电阻R₂的另一端连接第二开关管Q_p的基极，第二开关管Q_p的集电极连接电源，第二开关管Q_p的发射极连接第四电阻R₄的一端，第四电阻R₄的另一端连接功率开关管Q₁，依次经过第二电阻R₂、第二开关管Q_p和第四电阻R₄将驱动电压信号V_g转换成驱动电流信号i_g，并输出给功率开关管Q₁。

其中，第二可控电路的一端第二驱动输出电路的输出端，另一端连接电源VCC，控制端连接从控单元104的输出端，用于接收从控单元104输出的控制第二电流源A_o的信号，以减少第二驱动输出电路在选定时间段内输出的驱动电流。

该第二可控电路包括第二电流源A_o，第二电流源A_o的一端连接第二驱动输出电路中第四电阻R₄的输出端，另一端连接电源VCC，控制端连接连接从控单元104的第二输出端。第二电流源A_o受从控单元104输出的控制信号的控制开通，以控制第二驱动输出电路在选定时间段内减少输出驱动电流给功率开关管。

在本实施例中，第一电阻R₁和第二电阻R₂分别为滤波电阻，第三电阻R₃和第三电阻R₄分别为输出电阻。

本申请在驱动电路上增加A_I和A_o这两个可控电流源，可以选择时间段来减慢功率开关管的开关过程，从而减小开关过程的电压电流过冲，同时不明显增加功率开关管的损耗。在本实施例中，第一开关管Q_N和第二开关管Q_p分别为NPN型三级管。

在本实施例中了，功率开关管可为SiC MOSFET、MOS开关管或Si IGBT等。

上述的闭环有源驱动电路，在驱动电路上并联两个电流源，可以根据功率开关管当前工作的电压和电流，选择性的减慢门极充放电过程中某些环节，从而减小开关过程中电压和电流的过冲，但是不明显增加功率开关管损耗，实现控制其驱动的速度，从而实现优化功率开关管的优化目标。

上述的闭环有源驱动电路，可以根据功率开关管当前工作的电压和电流，可以选择时间段来减慢功率开关管的开关过程，从而减小开关过程的电压电流过冲，同时不明显增加功率开关管损耗。

实施例二

图3是本申请实施二公开的用于驱动功率开关管的闭环有源驱动方法。该驱动方法是基于上述的闭环有源电路实现的。该驱动方法包括以下步骤：

S1、主控单元101采集功率开关管Q₁的直流母线电压和电感电流的稳态值，产生PWM驱动信号，并输出给隔离驱动单元102，同时计算出驱动电路105中两个可控电流源A_I和A_O的开通关断时间，并将驱动电路105中两个可控电流源A_I和A_O的开通关断时间信息输出给隔离通信单元103。

S2、隔离驱动单元102接收主控单元101输出的PWM驱动信号，对PWM驱动信号进行电气隔离，将该PWM驱动信号转化为驱动电压信号V_g，并输出驱动电压信号V_g给驱动电路105。

S3、隔离通信单元103接收主控单元101输出的驱动电路105中两个可控电流源A_I和A_O的开通关断时间信息，并传输给从控单元104。

S4、从控单元104接收隔离通信单元103传输的驱动电路105中两个可控电流源A_I和A_O的开通关断时间信息，并采集隔离驱动单元102输出的驱动电压信号V_g的上升沿和下降沿，根据两个可控电流源A_I和A_O的开通关断时间信息以及驱动电压信号V_g的上升沿和下降沿，产生驱动电路105中两个可控电流源A_I和A_O的控制信号v_{g_AI}和v_{g_AO}，并分别传输给驱动电路105。

S5、驱动电路105接收从控单元104输出的两个可控电流源A_I和A_O的控制信号v_{g_AI}和v_{g_AO}，控制两个可控电流源A_I和A_O，并在选定时间段内输出驱动电流信号i_g给功率开关管Q₁，实现对功率开关管Q₁的开关控制。

上述的闭环有源驱动方法，通过主控单元101采集功率开关管的母线电压和电感电流，计算出两个可控电流源A_I和A_O的开通关断时间，并将该两个可控电流源A_I和A_O的开通关断时间信息通过隔离通信单元103传给从控单元104，从控制器104接收到两个可控电流源A_I和A_O的开通关断时刻信息，通过采集隔离驱动单元103输出的驱动电压的上升沿和下降沿，产生两个可控电流源A_I和A_O的控制信号，并输出给驱动电路105，通过驱动电路105实现对功率开关管的选定时间段内开关控制。

实施例三

本实施例提供一种开关电源，该开关电源包括如上所述的闭环有源驱动电路，通过闭环有源驱动电路驱动功率开关管。

其中，闭环有源驱动电路请参照上述实施例，本申请再次不再赘述。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种闭环有源驱动电路，其特征在于，包括：

主控单元，用于采集功率开关管的直流母线电压和电感电流的稳态值，产生驱动信号，同时计算出两个可控电流源的开通关断时间信息；

隔离驱动单元，用于接收所述主控单元输出的驱动信号，并将该驱动信号进行电气隔离，输出驱动电压信号给驱动电路；

隔离通信单元，用于将所述主控单元输出的开通关断时间信息传输给从控单元；

从控单元，用于接收所述隔离通信单元传输的两个可控电流源的开通关断时间信息，并采集所述隔离驱动单元输出的驱动信号的上升沿和下降沿，根据两个可控电流源的开通关断时间信息以及驱动信号的上升沿和下降沿，产生两个可控电流源的控制信号，并输出给驱动电路；

所述驱动电路包括驱动输入端、第一控制输入端、第二控制输入端和驱动输出端，所述驱动电路的驱动输入端连接所述隔离驱动单元，用于接收所述隔离驱动单元输出的驱动电压信号；所述驱动电路的第一控制输入端和第二控制输入端分别连接所述从控单元，用于接收所述从控单元输出的两个可控电流源的控制信号；所述驱动电路的驱动输出端连接功率开关管，用于控制功率开关管的开通和关断；所述驱动电路用于根据两个可控电流源的控制信号控制两个可控电流源，并在选定时间段内输出驱动电流信号给功率开关管，实现对功率开关管的开关控制。

2.根据权利要求1所述的闭环有源驱动电路，其特征在于，所述主控单元计算出的开通关断时间信息包括两个可控电流源的开通延时时段及脉冲宽度时段。

3.根据权利要求1所述的闭环有源驱动电路，其特征在于，所述驱动电路包括第一驱动输出电路、第二驱动输出电路、第一可控电路和第二可控电路；

所述第一驱动输出电路的输入端连接所述隔离驱动单元的输出端，所述第一驱动输出电路的输出端连接功率开关管，用于输出驱动电流信号以控制功率开关管的开通；

所述第一可控电路的一端连接所述第一驱动输出电路的输出端，另一端连接地，控制端连接所述从控单元的第一输出端，用于接收所述从控单元输出的控制信号，控制所述第一驱动输出电路在选定时间段内输出的驱动电流；

所述第二驱动输出电路的输入端连接所述隔离驱动单元的输出端，所述第二驱动输出电路的输出端连接功率开关管，用于输出驱动电流信号以控制功率开关管的关断；

所述第二可控电路的一端连接所述第二驱动输出电路的输出端，另一端连接电源VCC，控制端连接所述从控单元的第二输出端，用于接收所述从控单元输出的控制信号，控制所述第二驱动输出电路在选定时间段内输出的驱动电流。

4.根据权利要求3所述的闭环有源驱动电路，其特征在于，所述第一驱动输出电路和所述第二驱动输出电路分别包括输入电阻、开关管和输出电阻，所述输入电阻的一端连接所述隔离驱动单元的输出端，所述输入电阻的另一端连接所述开关管的基极，所述开关管的发射极连接所述输出电阻的一端，所述输出电阻的另一端连接功率开关管。

5.根据权利要求4所述的闭环有源驱动电路，其特征在于，所述第一可控电路和所述第二可控电路分别包括可控电流源，所述可控电流源分别连接输出电阻和从控单元。

6.一种闭环有源驱动方法，该方法基于权利要求1-5中任意一项所述的闭环有源驱动电路实现的，其特征在于，该方法包括以下步骤：

主控单元采集功率开关管的直流母线电压和电感电流的稳态值，产生驱动信号，并经隔离驱动单元将驱动信号输出给驱动电路，同时计算出两个可控电流源的开通关断时间信息，并将得到的开通关断时间信息通过隔离通信单元输出给从控单元；

从控单元接收主控单元输出的开通关断时间信息，并采集驱动信号的上升沿和下降沿，根据两个可控电流源的开通关断时间信息以及驱动信号的上升沿和下降沿，产生两个可控电流源的控制信号，并输出给驱动电路；

驱动电路接收所述主控单元输出的驱动信号以及所述从控单元输出的两个可控电流源的控制信号，并在选定时间段内输出驱动信号给功率开关管。

7.一种开关电源，其特征在于，包括权利要求1-5中任意一项所述的闭环有源驱动电路。

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