用于驅動逆變器的柵極驅動器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及用于驅動逆變器的柵極驅動器。柵極驅動器包括：IC模塊，其被配置為通過使用從外部輸入的PWM信號來生成開關信號；以及電源管理部分，其被配置為在驅動器驅動電壓等于或大于第一基準電壓時通過使用開關元件和用于驅動柵極驅動器的驅動器驅動電壓來施加用于驅動IC模塊的IC模塊驅動電壓，并且還被配置為在驅動器驅動電壓等于或低于第二基準電壓時停止施加IC模塊驅動電壓。
【專利說明】
用于驅動逆變器的柵極驅動器
技術領域
[0001 ] 本發明涉及用于驅動逆變器的柵極驅動器。
【背景技術】
[0002]逆變器是用于將AC電壓轉換成DC電壓、通過切換根據借助開關元件的開關信號轉換的DC電壓來生成AC電壓并且輸出所生成的AC電壓的電路。這樣的逆變器可以用于通過將具有由用戶期望的幅值和頻率的AC電壓供應到負載來以高精度控制對負載的驅動。
[0003]圖1示出根據傳統技術的一般三相兩級逆變器的配置。參考圖1，逆變器的整流部分104將從外部電源102施加的三相AC電壓整流成DC電壓。通過該整流獲得的DC電壓由電容器Cdc平滑。經平滑的DC電壓借助開關部分106被轉換成三相AC電流。通過該轉換獲得的三相AC電流被輸入到諸如電機108的負載并且用于驅動負載。
[0004]這樣的逆變器的開關部分106包括多個開關元件SI到S6。開關元件(S1/S2、S3/S4和S5/S6)的對中的每個通過互補開關操作生成三相AC電流，互補開關操作通過由柵極驅動器施加的開關信號來實現。
[0005]這樣的柵極驅動器僅僅在驅動器驅動電壓在外部被施加到柵極驅動器時被啟動。然而，其花費特定時間以使驅動器驅動電壓到達適合于驅動柵極驅動器的基準電壓。這樣的基準電壓到達時間的存在可以導致柵極驅動器的失靈，這可以導致在圖1中示出的開關部分106中包含的多個開關元件SI到S6的失靈和損壞。
【發明內容】
[0006]因此，本發明的目的在于提供一種用于驅動逆變器的柵極驅動器，其能夠通過中斷對柵極驅動器內的IC模塊的電源的供應直到用于驅動柵極驅動器的驅動器驅動電壓到達適合于驅動柵極驅動器的基準電壓為止來防止針對基準電壓到達時間發生的柵極驅動器的失靈以及開關元件的失靈和損壞。
[0007]本發明的另一目的在于提供一種用于驅動逆變器的柵極驅動器，其能夠通過在驅動器驅動電壓下降到基準電壓以下時立即中斷對IC模塊的電源供應來防止由于功率異常而發生的柵極驅動器的失靈以及開關元件的失靈和損壞。
[0008]本發明的以上方面和優點和/或其他方面和優點將從結合附圖進行的對實施例的下面的描述變得顯而易見，并且更容易理解。應當理解，本發明的目的和優點可以通過權利要求書中闡述的特征和其組合來實現。
[0009]為了實現以上目的，提供了一種用于生成用于控制逆變器的開關操作的開關信號的柵極驅動器，包括:IC模塊，其被配置為通過使用從外部輸入的PffM信號來生成所述開關信號；以及電源管理部分，其被配置為在驅動器驅動電壓等于或大于第一基準電壓時通過使用開關元件和用于驅動所述柵極驅動器的所述驅動器驅動電壓來施加用于驅動IC模塊的IC模塊驅動電壓，并且還被配置為在所述驅動器驅動電壓等于或低于第二基準電壓時停止施加所述IC模塊驅動電壓。
[0010]本發明具有的優點在于:能夠通過中斷對柵極驅動器內的IC模塊的電源的供應直到用于驅動柵極驅動器的驅動器驅動電壓到達適合于驅動柵極驅動器的基準電壓為止來防止針對基準電壓到達時間發生的柵極驅動器的失靈以及開關元件的失靈和損壞。
[0011]本發明具有的另一優點在于能夠通過在驅動器驅動電壓下降到基準電壓以下時立即中斷對IC模塊的電源供應來防止由于功率異常而發生的柵極驅動器的失靈以及開關元件的失靈和損壞。
【附圖說明】
[0012]圖1示出根據傳統技術的一般三相兩級逆變器的配置；
[0013]圖2是用于解釋如何管理根據傳統技術的柵極驅動器的電源的電路圖；
[0014]圖3是根據應用本發明的引導程序拓撲的柵極驅動器的電路圖；
[0015]圖4是用于解釋在根據傳統技術的柵極驅動器的基準電壓到達時間發生的IC模塊的失靈的視圖；
[0016]圖5是示出用于逆變器的開關元件的集電極電流(Ic)和集電極-發射極電壓(Vce)的特性的圖形；
[0017]圖6是根據本發明的一個實施例的柵極驅動器的配置的視圖；
[0018]圖7示出直到根據本發明的一個實施例的柵極驅動器的驅動器驅動電壓到達第一基準電壓為止的驅動器驅動電壓和IC模塊驅動電壓的波形；以及
[0019]圖8示出當根據本發明的一個實施例的柵極驅動器的驅動器驅動電壓下降到第二基準電壓以下時的驅動器驅動電壓和IC模塊驅動電壓的波形。
【具體實施方式】
[0020]以上目的、特征和優點將從結合附圖的下面的詳細描述變得更清楚地顯而易見。因此，本發明的技術構思可以由本領域技術人員理解和實踐。在本發明的下面的詳細描述中，對相關的功能或結構的具體描述將在任務功能和/或結構可以不必要地使本發明的目的模糊不清時被省略。在下文中，本發明的優選實施例將詳細參考附圖進行描述。在附圖中，相同的或相似的元件由相同的附圖標記表示。
[0021]圖2是用于解釋如何管理根據傳統技術的柵極驅動器的電源的電路圖。
[0022]參考圖2，根據傳統技術的柵極驅動器6從電源部分10接收驅動器驅動功率。控制電源監視部分7監視由電源部分10生成的驅動器驅動電壓是否超過通過電源端9的基準電壓。如果檢測到驅動器驅動電壓超過基準電壓，則控制電源監視部分7通過連接到觸發器部分8的開關SWl的IC模塊IC2來控制在柵極驅動器中包含的開關元件的開關操作。
[0023]另外，圖2中示出的電源部分10包括:充電電容器CCl，其用于保持功率用于即使當控制電源監視部分7的控制電源9發生故障或被切斷時也維持柵極驅動器在特定時間中處于活動狀態中；二極管D0，其用于對AC功率進行整流并且防止在充電電容器CCl中保持的功率以除了柵極驅動器之外的方式丟失;穩壓二極管ZDl，其用于通過防止在充電電容器CCl中保持的功率電壓變得等于或低于指定電壓(例如，13.5V)時功率被施加到柵極驅動器來防止柵極驅動器以低電壓失靈；以及電容器CO。
[0024]然而，這樣的傳統柵極驅動器配置及其電源管理方法由于復雜的電路配置和額外元件的數量而具有柵極驅動器的大小和生產成本增加的缺點。
[0025]本發明目的在于以比以上描述的傳統技術中的配置更簡單的配置通過將用于驅動柵極驅動器的驅動器驅動電壓與基準電壓(第一基準電壓和第二基準電壓)進行比較來防止柵極驅動器內的IC模塊和逆變器中包含的開關元件的失靈。
[0026]圖3是根據應用本發明的引導程序拓撲的柵極驅動器的電路圖。
[0027]根據圖3中示出的引導程序拓撲的柵極驅動器是能夠以單個電源驅動在三相兩級逆變器中包含的開關元件(例如，IGBT)的電路。參考圖3，柵極驅動器包括:用于輸出用于使用從CPU 302輸入的PffM信號HIN和LIN來控制開關元件Ql和Q2的互補開關(接通/斷開)操作的開關信號HO和LO的IC模塊304。
[0028]圖3的柵極驅動器利用由外部電源供應的驅動器驅動電壓Vdd來驅動。柵極驅動器通過IC模塊304的電源端Vic和接地端COM使用驅動器驅動電壓Vdd來施加IC模塊驅動電壓。
[0029]該IC模塊驅動電壓用于驅動開關元件Ql或用于進行電壓充電以驅動開關元件Q2。例如，假設電流在由實線箭頭31指示的方向上流動，貝Ij當開關元件QI被驅動時同時對電容器C進行充電。在下文中，當電流在由虛線箭頭32指示的方向上流動，則開關元件Q2被對電容器C進行充電的電壓驅動。
[0030]同時，UV(欠電壓)檢測器(未示出)可以被包含在柵極驅動器的IC模塊304中。UV檢測器通過在被施加用于驅動IC模塊304的IC模塊驅動電壓下降到第一檢測電平(例如，8.6V)以下時中斷開關信號HO和LO的輸出來防止由于低電壓驅動對開關元件Ql和Q2的損壞。
[0031 ]另外，UV檢測器檢測分別輸入到輸入端HIN和LIN的PWM信號的電壓的幅值并僅僅在檢測到的PWM信號HIN的幅值等于或高于第二檢測電平(例如，2.2V)或者檢測到的PWM信號LIN的幅值等于或低于第三檢測電平(例如，0.8V)時允許IC模塊304的開關信號HO和LO的輸出。用于檢測PWM信號HIN和LIN的電壓的幅值的原因在于其花費特定時間以使用于驅動輸出PWM信號HIN和LIN的CPU 302的CPU驅動電壓到達用于正常驅動CPU的電壓(例如，2.6V)，因此PffM信號HIN和LIN的電壓的幅值緩慢地增加。
[0032]圖4是用于解釋在根據傳統技術的柵極驅動器的基準電壓到達時間發生的IC模塊的失靈的視圖。
[0033]圖4描繪了CHJ驅動電壓41、驅動器驅動電壓42、開關信號(HO)電壓43、開關信號(LO)電壓44和開關元件(Q2)驅動電壓45。
[0034]如上所述，當驅動器驅動電壓Vdd被施加到柵極驅動器以驅動柵極驅動器時，其花費特定時間以使驅動器驅動電壓Vdd到達適合于驅動柵極驅動器的基準電壓。然而，在IC模塊304中包含的UV檢測器允許在IC模塊驅動電壓超過第一檢測電平時通過IC模塊304輸出開關信號HO和L0。即使當IC模塊驅動電壓的幅值超過第一檢測電平時，其必須花費特定時間以進一步使IC模塊驅動電壓到達第一基準電壓(例如，12V)以完全驅動IC模塊304。
[0035]然而，如果由CPU302輸出的PffM信號HIN和LIN在以下狀態下滿足第二檢測電平和第三檢測電平，在該狀態中IC模塊驅動電壓的幅值處在第一檢測電平與第一基準電壓之間，則IC模塊304輸出開關信號HO和L0，盡管IC模塊304不可以被正常驅動。因此，如由圖4中的點402所指示的，開關元件Q2的失靈發生。
[0036]另外，在根據CPU302的操作特性到達CPU驅動電壓后，出現CPU 302的外圍端口輸出被重置的現象，并且因此如由圖4中的點404所指示的，開關信號HO和LO的輸出的失靈可以發生。開關信號HO和LO的輸出的這樣的失靈可以導致逆變器的臂短路，這可以導致開關元件的退化和損壞。
[0037]具體地，由于包括臂短路保護電路的逆變器保護電路在將驅動器驅動電壓到達第一基準電壓的基準電壓到達時間中不正常地工作，則存在臂短路和逆變器損壞的很高的可能性。
[0038]圖5是用于逆變器的開關元件的集電極電流(Ic)和集電極-發射極電壓(Vce)的特性的圖形。
[0039 ]例如，在圖3中示出的開關元件QI和Q2是IGBT元件時，則針對相同的集電極電流，集電極-發射極電壓隨著基極電壓的下降而增加，這可以導致IGBT驅動中的過多的傳導損耗。另外，較低的基極電壓提供較小的充電電流，這可以導致開關損耗的增加。這樣的IGBT損壞由于退化導致IGBT損耗。
[0040]圖6是示出根據本發明的一個實施例的柵極驅動器的配置的視圖。
[0041 ]參考圖6，根據本發明的一個實施例的柵極驅動器包括IC模塊604和電源管理部分606。
[0042]IC模塊604使用從外部(例如，CPU 602)輸入的PffM信號HIN和LIN來生成用于開關元件(未不出)的開關操作的開關信號HO和LO。這樣的IC模塊604由通過電源端Vic施加的IC模塊驅動電壓驅動。
[0043]電源管理部分606使用從外部施加的、用于驅動柵極驅動器的驅動器驅動電壓，以確定是否要施加IC模塊驅動電壓。在本發明的一個實施例中，電源管理部分606使用驅動器驅動電壓以在驅動器驅動電壓等于或高于第一基準電壓時將用于驅動IC模塊604的IC模塊驅動電壓施加到IC模塊604，并且在驅動器驅動電壓等于或低于第二基準電壓時停止施加IC模塊驅動電壓。
[0044]參考圖6，電源管理部分606包括驅動器驅動電壓被施加到的輸入端Vdd以及接地端▽。另外，電源管理部分606還包括輸出端Vciut,通過其輸出用于驅動IC模塊604的IC模塊驅動電壓。
[0045]第一電阻器R1、第二電阻器R2和穩壓二極管ZD串聯連接在輸入端Vdd與接地端▽之間。另外，電源管理部分606還包括開關元件Q，其具有連接到輸入端Vdd的發射極端、連接到輸出端Vciut的集電極端以及連接到第一電阻器Rl與第二電阻器R2之間的節點的基極端。
[0046]另外，為了防止IC模塊由于紋波電流被損壞，電容器C可以置于輸出端Vciut與穩壓二極管ZD之間。
[0047]如以上構造的電源管理部分606在輸入端Vdd輸入的驅動器驅動電壓等于或高于第一基準電壓時通過接通開關元件Q經由輸出端Vcmt將IC模塊驅動電壓施加到IC模塊604的電源端Vk。另外，電源管理部分606在輸入端Vdd輸入的驅動器驅動電壓等于或低于第二基準電壓時通過斷開開關元件Q停止經由輸出端Vcmt將IC模塊驅動電壓施加到IC模塊604。此時，開關元件Ql被接通的第一基準電壓和開關元件Ql被斷開的第二基準電壓可以取決于第一電阻器Rl和第二電阻器R2的電阻以及穩壓二極管ZD的閾值電壓的幅值不同設置。另外，第一基準電壓和第二基準電壓可以被設置為彼此相等或彼此不同。
[0048]開關元件Q保持斷開直到在初始電壓通過輸入端Vdd被施加到電源管理部分606之后來形成具有特定幅值的電壓為止。因此，沒有功率被供應到IC模塊604。在下文中，當通過輸入端Vdd輸入的電壓具有特定幅值或更大時，開關元件Q被接通并且因此功率被供應到電源管理部分606。
[0049]圖7示出直到根據本發明的一個實施例的柵極驅動器的驅動器驅動電壓到達第一基準電壓為止的驅動器驅動電壓和IC模塊驅動電壓的波形。
[0050]如圖7所示，當柵極驅動器的驅動器驅動電壓72開始被施加時，驅動器驅動電壓72的幅值緩慢地增加，并且通過單獨電源輸入的CPU驅動電壓71也增加。此時，IC模塊驅動電壓73未被施加直到驅動器驅動電壓72到達第一基準電壓702為止并且從驅動器驅動電壓72到達第一基準電壓702的時間點開始被施加。
[0051]因此，通過中斷施加IC模塊驅動電壓73直到驅動器驅動電壓72到達第一基準電壓702為止，能夠防止IC模塊604的不完全操作和開關元件的失靈和損壞，這已經參考圖4描述了。
[0052]圖8示出當根據本發明的一個實施例的柵極驅動器的驅動器驅動電壓下降到第二基準電壓以下的驅動器驅動電壓和IC模塊驅動電壓的波形。
[0053]如果驅動器驅動電壓82在柵極驅動器正在被正常驅動的同時下降到第二基準電壓802以下，停止施加IC模塊驅動電壓83，如圖8所示。此時，CPU驅動電壓81保持不變，無論IC模塊驅動電壓83如何。
[0054]如以上所描述的，當柵極驅動器的驅動器驅動電壓變得更低時，開關元件的傳導損耗和切換損耗增加，并且開關元件可以由于退化而損壞。因此，當柵極驅動器被驅動時，驅動器驅動電壓必須維持處于第二基準電壓處或更大。在本發明中，如果驅動器驅動電壓下降到第二基準電壓(例如，13.09V)以下，則通過如圖8所示的中斷IC模塊驅動電壓來防止開關元件的失靈和損壞。
[0055]盡管已經具體參考本發明的示范性實施例示出并描述了本發明，但是本領域技術人員將理解可以在不脫離本發明的精神和范圍的情況下在其中進行形式和細節上的各種改變。出于說明本發明的目的而非在限制的意義上提供示范性實施例。因此，旨在將本發明涵蓋本發明的修改和變型，只要它們落入權利要求和其等效方案的范圍內。
【主權項】
1.一種用于生成用于控制逆變器的開關操作的開關信號的柵極驅動器，包括: IC模塊，其被配置為通過使用從外部輸入的PffM信號來生成所述開關信號；以及 電源管理部分，其被配置為在驅動器驅動電壓等于或大于第一基準電壓時通過使用開關元件來和用于驅動柵極驅動器的驅動器驅動電壓來施加用于驅動IC模塊的IC模塊驅動電壓，并且還被配置為在所述驅動器驅動電壓等于或低于第二基準電壓時停止施加所述IC模塊驅動電壓。2.根據權利要求1所述的柵極驅動器，其中，所述電源管理部分包括: 所述驅動器驅動電壓被施加到的輸入端； 接地端； 輸出端，通過所述輸出端輸出所述IC模塊驅動電壓； 第一電阻器； 第二電阻器； 穩壓二極管，其中，所述第一電阻器、所述第二電阻器和所述穩壓二極管串聯連接在所述輸入端與所述接地端之間；以及 開關元件，其具有連接到所述輸入端的發射極端、連接到所述輸出端的集電極端以及連接到所述第一電阻器與所述第二電阻器之間的節點的基極端。3.根據權利要求2所述的柵極驅動器，還包括:置于所述輸出端與所述穩壓二極管之間的電容器。4.根據權利要求2所述的柵極驅動器，其中，所述開關元件在通過所述輸入端施加的所述驅動器驅動電壓等于或大于所述第一基準電壓時被接通。5.根據權利要求2所述的柵極驅動器，其中，所述開關元件在通過所述輸入端施加的所述驅動器驅動電壓等于或小于所述第二基準電壓時被斷開。
【文檔編號】H02M1/08GK106059267SQ201610232640
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年4月14日 公開號201610232640.4, CN 106059267 A, CN 106059267A, CN 201610232640, CN-A-106059267, CN106059267 A, CN106059267A, CN201610232640, CN201610232640.4
【發明人】李在紋, 梁千錫
【申請人】Ls產電株式會社