驱动电压调节电路、驱动电路、固态继电器和固态断路器的制作方法

1.本技术涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种驱动电压调节电路、驱动电路、固态继电器和固态断路器。


背景技术：

2.固态断路器和固态继电器等电力电子器件(如金属半场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管等晶体管)实现电源与负载之间的电路开关控制被广泛应用在不同的电力电子产品中，但电力电子器件在开关过程中容易产生的电压尖峰，往往会损坏电力电子装置中的电子元件，导致电力电子产品失效。


技术实现要素：

3.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种避免电力电子器件被尖峰电压高压击穿、提升电子产品的可靠性的驱动电压调节电路、驱动电路和固态继电器。
4.本技术提供一种驱动电压调节电路，所述驱动电压调节电路包括：时间常数调节电路以及脉冲调制控制电路；
5.所述脉冲调制控制电路的输出端与电源电路的输入端连接，所述电源电路的输出端与所述时间常数调节电路的输入端连接，所述时间常数调节电路的输出端与电力电子器件连接；
6.其中，所述脉冲调制控制电路用于输出脉冲信号至所述电源电路，所述脉冲信号用于驱动所述电源电路输出驱动信号至所述时间常数调节电路；所述时间常数调节电路用于对所述驱动信号的上升沿或下降沿进行电平值调节得到驱动电平，并将所述驱动电平输出至所述电力电子器件，所述驱动电平用于驱动所述电力电子器件的导通或关断。
7.本技术所述的驱动电压调节电路中，所述时间常数调节电路包括rc串联电路以及第一负载电阻；所述rc串联电路与所述电源电路连接；所述第一负载电阻与所述rc串联电路中的电容并联，所述第一负载电阻的电压值作为驱动电平输出至所述电力电子器件。
8.本技术所述的驱动电压调节电路中，所述时间常数调节电路包括lc电路以及第二负载电阻；其中，所述lc电路与所述电源电路连接；所述第二负载电阻与所述lc电路中的电容并联，所述第二负载电阻的电压值作为驱动电平输出至所述电力电子器件。
9.本技术所述的驱动电压调节电路中，所述驱动电压调节电路还包括钳位电路，所述时间常数调节电路通过所述钳位电路与所述电力电子器件连接。
10.本技术所述的驱动电压调节电路中，所述钳位电路包括稳压管。
11.本技术还提供一种驱动电路，所述驱动电路包括电源电路以及如上述的驱动电压调节电路。
12.本技术所述的驱动电路，所述电源电路包括隔离脉冲变压器以及开关控制电路；
13.所述脉冲调制控制电路的输出端与所述开关控制电路连接，所述开关控制电路与所述隔离脉冲变压器的初级绕组连接，所述隔离脉冲变压器的次级绕组与所述时间常数调
节电路连接。
14.本技术所述的驱动电路，所述驱动电路还包括栅极保护电路；所述驱动电压调节电路通过所述栅极保护电路与所述电力电子器件连接。
15.本技术所述的驱动电路，所述栅极保护电路包括限流电阻、下拉电阻、滤波电容和瞬态二极管；
16.其中，所述限流电阻的一端与所述驱动电压调节电路连接，所述限流电阻的另一端分别与下拉电阻的一端、滤波电容的一端、瞬态二极管的一端以及所述电力电子器件连接；所述下拉电阻的另一端接地，所述滤波电容的另一端接地，所述瞬态二极管的另一端接地。
17.本技术还提供一种固态继电器，所述固态继电器包括如上述的驱动电压调节电路。
18.本技术还提供一种固态断路器，所述固态断路器包括如上述的驱动电压调节电路。
19.上述驱动电压调节电路、驱动电路、固态继电器和固态断路器，通过脉冲调制控制电路触发电源电路输出驱动信号，并通过时间常数调节电路对驱动信号电平上升沿和电平下降沿的斜率进行调整，以输出在驱动信号上升沿或下降沿处电压值缓慢变化的驱动电平，并基于驱动电平驱动所述电力电子器件的导通或关断，避免在电力电子器件导通过程中驱动信号的电平值突然上升、在关断过程中驱动信号的电平值突然下降，实现软导通和软关断，有效减低尖峰电压值，避免电力电子器件被尖峰电压高压击穿，提升电子产品的可靠性。同样的基于该驱动电压调节电路，驱动电路、固态继电器和固态断路器能够实现软导通和软关断，有效保护电力电子器件，提升电子产品的可靠性。
附图说明
20.图1为本技术实施例提供的驱动电压调节电路的结构示意图；
21.图2为本技术实施例提供的驱动信号以及驱动电平的示意图；
22.图3为本技术实施例提供的一种驱动电压调节电路的结构示意图；
23.图4为本技术实施例提供的另一种驱动电压调节电路的结构示意图；
24.图5为本技术实施例提供的电力电子器件的驱动方法的流程示意图。
具体实施方式
25.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
26.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目
的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本实用新型的描述中，多个的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
27.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
28.下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本技术的不同结构。为了简化本技术的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本技术。此外，本技术可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式/或设置之间的关系。此外，本技术提供了的各种特或设置之间的关系。此外，本技术提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
29.在一个实施例中，参见图1，本技术提供了一种驱动电压调节电路，驱动电压调节电路(100)包括：时间常数调节电路(110)以及脉冲调制控制电路(120)；
30.脉冲调制控制电路(120)的输出端与电源电路(200)的输入端连接，电源电路(200)的输出端与时间常数调节电路(110)的输入端连接，时间常数调节电路(110)的输出端与电力电子器件(300)连接；
31.其中，脉冲调制控制电路(120)用于输出脉冲信号至电源电路(200)，脉冲信号用于驱动电源电路(200)输出驱动信号至时间常数调节电路(110)；时间常数调节电路(110)用于对驱动信号的上升沿或下降沿进行电平值调节得到驱动电平，并将驱动电平输出至电力电子器件(300)，驱动电平用于驱动电力电子器件(300)的导通或关断。
32.具体地，在电力电子器件(300)的导通过程中，脉冲调制控制电路(120)用于生成脉冲信号，并将脉冲信号发送至电源电路(200)，以触发电源电路(200)输出驱动信号，在电力电子器件(300)关断过程中，脉冲调制控制电路(120)停止向电源电路(200)输出脉冲信号；其中，脉冲信号可以是具有一定脉宽以及幅值的脉冲宽度调制信号(pwm signal，pulse width modulation signal)。电源电路(200)接收到脉冲信号后，电源电路(200)基于脉冲信号输出驱动信号至时间常数调节电路(110)，时间常数调节电路(110)用于调节驱动信号的电平上升沿和电平下降沿的斜率，实现在接收到驱动信号时控制驱动信号的电压值缓慢上升、在驱动信号关断时控制驱动信号的电压值缓慢下降。如图2所示，图2中线条l1示出了驱动电平的变化情况，线条l2示出了驱动信号的变化情况，其中，当电源电路(200)输出驱动信号，时间常数调节电路(110)接收到驱动信号，并响应驱动信号的上升沿缓慢提升电平值至预设电平值，在驱动信号持续时间内保持驱动电平在预设电平值上，当电源电路(200)停止输出驱动信号，时间常数调节电路(110)响应驱动信号的下降沿缓慢降低电平值至零值。
33.进一步地，由于脉冲信号具有一定脉宽，电源电路(200)基于该脉冲信号输出具有相同脉宽的驱动信号，以控制电力电子器件(300)工作在驱动信号的持续时长内，实现控制
电力电子器件(300)的工作时长，通过调节脉冲信号的脉宽，实现控制电力电子器件(300)的短时开关状态，使电力电子器件(300)以一定的开关频率工作。
34.其中，电力电子器件(300)可以是mos管(metal oxide semiconductor，绝缘栅双极型晶体管)、igbt(insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管)等晶体管；驱动电压调节电路(100)的输出端与电力电子器件(300)的驱动极连接，例如，当电力电子器件(300)为mos管时，驱动电压调节电路(100)的输出端与mos管的栅极连接。进一步地，电力电子器件(300)用于连接负载以及负载电源，当电力电子器件(300)导通时，负载器件和负载电源接通，负载工作；当电力电子器件(300)关断时，负载器件和负载电源关断，负载停止工作。
35.上述驱动电压调节电路中，通过脉冲调制控制电路(120)触发电源电路(200)输出驱动信号，并通过时间常数调节电路(110)对驱动信号电平上升沿和电平下降沿的斜率进行调整，以输出在驱动信号上升沿或下降沿处电压值缓慢变化的驱动电平，避免在电力电子器件(300)导通过程中驱动信号的电平值突然上升、在关断过程中驱动信号的电平值突然下降，实现软导通和软关断，有效减低尖峰电压值，避免电力电子器件被尖峰电压高压击穿，提升电子产品的可靠性。
36.在一个实施例中，如图3所示，时间常数调节电路(110)包括rc串联电路以及第一负载电阻r15；rc串联电路与电源电路(200)连接；第一负载电阻r15与rc串联电路中的电容并联，第一负载电阻r15的电压值作为驱动电平输出至电力电子器件(300)。
37.具体地，第一负载电阻r15用于将rc串联电路中电容两端的电压作为驱动电平输出至电力电子器件(300)；在电力电子器件(300)的导通过程中，电源电路(200)将驱动信号v
out
输出至时间常数调节电路(110)的rc串联电路中，其中rc串联电路中的电容缓慢充电，使得第一负载电阻r15两端的电压值按照rc串联电路的时间常数从0伏开始逐渐升高，该电压值作为驱动电平的电压值输入至电力电子器件(300)，当驱动电平的电压值大于电力电子器件(300)的驱动电压值时，电力电子器件(300)导通；当rc串联电路中的电容c1充电完成，第一负载电阻r15两端的电压值达到最大电压值，在驱动信号v
out
持续的时间内，第一负载电阻r15的电压值也维持在最大电压值；在电力电子器件(300)的关断过程中，电源电路(200)停止输出驱动信号，rc串联电路中的电容c1缓慢放电，使得第一负载电阻r15两端的电压值按照rc串联电路的时间常数逐渐降低至0伏，当驱动电平的电压值小于电力电子器件(300)的驱动电平值时，电力电子器件(300)关断。可以理解的是，时间常数调节电路(110)可通过调整rc串联电路中电阻r14的阻值和电容c1的容值，改变驱动信号的电平脉宽的上升沿和下降沿的斜率。
38.在一个实施例中，如图4所示，时间常数调节电路(110)包括lc电路以及第二负载电阻r10；其中，lc电路与电源电路(200)连接；第二负载电阻r10与lc电路中的电容并联，第二负载电阻r10的电压值输出驱动信号作为驱动信号输出至电力电子器件(300)。
39.具体地，第二负载电阻r10用于将lc电路中电容两端的电压作为驱动电平输出至电力电子器件(300)；在电力电子器件(300)的导通过程中，电源电路(200)将驱动信号v
out
输出至时间常数调节电路(110)的lc电路中，其中lc电路的电容c8开始缓慢充电，使得第二负载电阻r10两端的电压值按照lc电路的时间常数从0伏逐渐升高，该电压值作为驱动电平的电压值输入至电力电子器件(300)，当该驱动电平的电压值大于电力电子器件(300)的驱
动电平值时，电力电子器件(300)导通；当lc电路中的电容c8充电完成，第二负载电阻r10两端的电压值达到最大电压值，在驱动信号v
out
持续的时间内，第二负载电阻r10的电压值也维持在最大电压值；在电力电子器件(300)的关断过程中，电源电路(200)停止输出驱动信号v
out
，lc电路的电容c8缓慢放电，使得第二负载电阻r10两端的电压值按照lc电路的时间常数逐渐降低至0伏，当该驱动电平的电压值小于电力电子器件(300)的驱动电平值时，电力电子器件(300)关断。
40.在一个实施例中，驱动电压调节电路(100)还包括钳位电路(130)，时间常数调节电路(110)通过钳位电路(130)与电力电子器件(300)连接。
41.其中，钳位电路(130)用于调节驱动信号的电平的最大值，由于电力电子器件(300)往往是mos管、igbt等晶体管，其导通条件为栅极电压大于一定值，因此，通过钳位电路(130)调节驱动信号的电平的最大值，使得驱动信号达到电力电子器件(300)的工作电压，使得电力电子器件(300)在开启后可以工作在完全导通状态下，降低电力电子器件(300)温升，同时可以适配不同的电力电子器件(300)对驱动电平的需求。
42.具体地，在一个实施例中，钳位电路(130)包括稳压管，稳压管与时间常数调节电路(110)连接，实现将时间常数调节电路(110)所输出的电平值限制在规定电位内，为电力电子器件(300)提供过压保护。进一步的，如图3所示，以时间常数调节电路包括rc串联电路以及第一负载电阻r15为例，稳压管d3与第一负载电阻r15并联连接。
43.在一个实施例中，本技术还提供了一种驱动电路，驱动电路包括电源电路(200)以及如上述实施例的驱动电压调节电路(100)。
44.其中，电源电路(200)接入电源信号vcc，在接收到驱动电压调节电路(100)中脉冲调制控制电路(120)的脉冲信号后，为驱动电路提供驱动电源。
45.该驱动电路中，通过脉冲调制控制电路(120)触发电源电路(200)输出驱动信号，并通过时间常数调节电路(110)对驱动信号电平上升沿和电平下降沿的斜率进行调整，以输出在驱动信号电平上升沿或电平下降沿处电压值缓慢变化的驱动电平，避免在电力电子器件(300)导通过程中驱动信号的电平值突然上升、在关断过程中驱动信号的电平值突然下降，实现软导通和软关断，使得尖峰电压值有效减低，避免电力电子器件被尖峰电压高压击穿，提升电子产品的可靠性。
46.具体地，在一个实施例中，如图3或图4所示，电源电路(200)包括隔离脉冲变压器(210)以及开关控制电路(220)；脉冲调制控制电路(120)的输出端与开关控制电路(220)连接，开关控制电路(220)与隔离脉冲变压器(210)的初级绕组连接，隔离脉冲变压器(210)的次级绕组与时间常数调节电路(110)连接。
47.其中，脉冲调制控制电路(120)的输出端与开关控制电路(220)连接，并用于控制开关控制电路(220)的导通或关断，开关控制电路(220)与隔离脉冲变压器(210)的初级绕组连接，电源信号vcc经过隔离脉冲变压器(210)隔离变压后，输出驱动信号v
out
；具体地，脉冲调制控制电路(120)输出脉冲信号至电源电路(200)时，脉冲信号驱动电源电路(200)中的开关控制电路(220)导通，实现控制隔离脉冲变压器(210)工作，隔离脉冲变压器(210)的初级绕组导通，并通过次级绕组输出驱动信号至驱动电压调节电路(100)。相应的，脉冲调制控制电路(120)停止输出脉冲信号至电源电路(200)时，开关控制电路(220)关断，控制隔离脉冲变压器(210)停止工作，电源电路(200)停止输出驱动信号。
48.其中，开关控制电路(220)可包括mos管；当脉冲调制控制电路(120)输出脉冲信号至mos管，mos管从截止状态变为导通状态，开关控制电路(220)导通，实现控制隔离脉冲变压器(210)工作，电源电路(200)输出驱动信号；具体地，开关控制电路(220)导通后，隔离脉冲变压器(210)的初级绕组导通，电源信号vcc经隔离脉冲变压器(210)变压后，通过次级绕组输出驱动信号v
out
；当脉冲调制控制电路(120)停止输出脉冲信号至电源电路(200)时，mos管从导通状态变为截止状态，开关控制电路(220)关断，控制隔离脉冲变压器(210)停止工作，电源电路(200)停止输出驱动信号v
out
。
49.进一步的，如图3，以时间常数调节电路包括rc串联电路以及第一负载电阻r15为例，隔离脉冲变压器(210)的初级绕组一端与电源信号vcc连接，另一端通过开关控制电路(220)接地，隔离脉冲变压器(210)的初级绕组与时间常数调节电路(110)的rc串联电路串联。当脉冲调制控制电路(120)输出脉冲信号pwm至开关控制电路(220)，开关控制电路(220)从截止状态变为导通状态，开关控制电路(220)导通，隔离脉冲变压器(210)的初级绕组导通，电源信号vcc经隔离脉冲变压器(210)变压后，通过次级绕组输出驱动信号v
out
；当脉冲调制控制电路(120)停止输出脉冲信号pwm至电源电路(200)时，开关控制电路(220)关断，控制隔离脉冲变压器(210)停止工作，电源电路(200)停止输出驱动信号v
out
。
50.在一个实施例中，驱动电路还包括栅极保护电路(400)；驱动电压调节电路(100)通过栅极保护电路(400)与电力电子器件(300)连接。
51.其中，栅极保护电路(400)与电力电子器件(300)的驱动极连接，例如，当电力电子器件(300)为mos管时，栅极保护电路(400)与mos管的栅极连接，栅极保护电路(400)用于保护电力电子器件(300)的驱动极免于过流和过压损坏。
52.具体地，在一个实施例中，如图3或图4所示，栅极保护电路(400)包括限流电阻r1、下拉电阻r2、滤波电容c10和瞬态二极管tvs1；其中，限流电阻r1的一端与驱动电压调节单元连接，限流电阻r1的另一端分别与下拉电阻r2的一端、滤波电容c10的一端、瞬态二极管tvs1的一端以及电力电子器件(300)连接；下拉电阻r2的另一端接地，滤波电容c10的另一端接地，瞬态二极管tvs1的另一端接地。
53.本技术还提供一种固态继电器，该固态继电器包括如上述实施例中的驱动电压调节电路。具体地，该固态继电器包括电源电路、驱动电压调节电路以及电力电子器件，其中驱动电压调节电路的脉冲调制控制电路的输出端与电源电路的输入端连接，电源电路的输出端与驱动电压调节电路的时间常数调节电路的输入端连接，时间常数调节电路的输出端与电力电子器件连接。
54.本技术还提供一种固态断路器，该固态断路器包括如上述实施例中的驱动电压调节电路。具体地，该固态断路器包括电源电路、驱动电压调节电路以及电力电子器件，其中驱动电压调节电路的脉冲调制控制电路的输出端与电源电路的输入端连接，电源电路的输出端与驱动电压调节电路的时间常数调节电路的输入端连接，时间常数调节电路的输出端与电力电子器件连接。
55.如图5所示，本技术还提供一种电力电子器件的驱动方法，用于驱动电路，驱动电路包括上述实施例中的驱动电压调节电路，方法包括：
56.s510，控制脉冲调制控制电路输出脉冲信号；
57.s520，响应脉冲信号，控制电源电路输出驱动信号；
58.s530，基于时间常数调节电路，对驱动信号的上升沿或下降沿进行电压值调节，得到驱动电平；其中，驱动电平用于控制电力电子器件导通或关断。
59.上述电力电子器件的驱动方法，通过脉冲调制控制电路触发电源电路输出驱动信号，并通过时间常数调节电路对驱动信号上升沿和电平下降沿的斜率进行调整，以输出在驱动信号电平上升沿或电平下降沿处电压值缓慢变化的驱动电平，避免在电力电子器件导通过程中驱动信号的电平值突然上升、在关断过程中驱动信号的电平值突然下降，实现软导通和软关断，使得尖峰电压值有效减低，有效保护电力电子器件，提升电子产品的可靠性。
60.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。